海底管道外防腐層破損陰極保護數(shù)值模擬

孫吉星 王慶璋 金 曦 高大義

（1.中海油常州涂料化工研究院有限公司， 江蘇 常州 213016；2. 中國海洋大學(xué)，山東 青島 266003）

海底管道外防腐層破損陰極保護數(shù)值模擬

孫吉星1 王慶璋2 金 曦1 高大義1

（1.中海油常州涂料化工研究院有限公司， 江蘇 常州 213016；2. 中國海洋大學(xué)，山東 青島 266003）

本文利用數(shù)值模擬方法研究了海洋石油海底管道外防腐涂層破損與陰極保護效果的關(guān)系。文中根據(jù)海底管道外防腐涂層隨服役年限的破損規(guī)律，對相應(yīng)情況下海底管道陰極保護電位分布進行了計算。本文的研究成果可應(yīng)用于海底管道外防腐涂層破損情況監(jiān)測、陰極保護效果評價、外防腐涂層體系選擇、陰極保護系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計等領(lǐng)域。

海底管道 外防腐涂層 陰極保護 數(shù)值模擬

0 引言

海底管道是海洋石油生產(chǎn)系統(tǒng)中輸送原油的重要渠道，投資巨大，一般要求在不加維修的條件下服役20年以上[1]。海底管道一旦發(fā)生腐蝕泄漏，不僅影響整個油田的正常生產(chǎn)，造成設(shè)備更換、平臺停產(chǎn)等巨大經(jīng)濟損失，而且會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染[2-4]。

目前基本上所有的海上平臺及海底管道均采用鋁合金犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)結(jié)合涂敷層的聯(lián)合防腐蝕措施[5]。海底管道通常設(shè)計外防腐涂層作為基本的腐蝕控制措施。盡管如此，陰極保護系統(tǒng)仍被用作后備以彌補防腐涂層出現(xiàn)缺損。防腐涂層缺損包括涂層生產(chǎn)過程中的缺損，涂敷后海管運輸、安裝過程中的涂層損傷及海管運行過程中的涂層失效[6]。

陰極保護工程中掌握陰極表面電位或電流分布規(guī)律非常重要，其分布規(guī)律可用來實時監(jiān)測陰極保護效果，對陰極保護系統(tǒng)的日常維護和管理具有重要的意義[7]。 陰極保護系統(tǒng)中犧牲陽極與海水和海管構(gòu)成回路，當(dāng)海底管道上的保護層出現(xiàn)老化破損時，犧牲陽極通過管道周圍海水向管體表面提供保護電流。從而在管道周圍的海水環(huán)境中形成非均勻電場[8]。

本文根據(jù)海底管道防腐涂層隨服役年限的破損規(guī)律，利用有限元法對相應(yīng)情況下海管的陰極保護效果進行了數(shù)值模擬。

1 陰極保護數(shù)學(xué)模型

1.1 陰極保護數(shù)學(xué)模型

對于有限區(qū)域中達到穩(wěn)態(tài)的犧牲陽極陰極保護體系，陽極、陰極表面和腐蝕介質(zhì)中電位分布可以用以下數(shù)學(xué)模型表達[9]:

1.2 海底管道表觀面電阻率分析

在海底管道外防腐層有破損的情況下，實際的面電阻率可等效成由金屬面電阻率和涂層面電阻率兩部分電阻并聯(lián)而成[5],即

2 海底管道外防腐涂層破損分析

根據(jù)DNV-RP-F103[6],海管涂層破損率，此處為海底管道涂層服役年限, a和 b均為常數(shù)。表1和表2為DNV-RP-F103給出的海管常用防腐涂層管道本體涂層(Linepipe Coating)和海管連接處涂層(FJC,即feld joint coating）破損率計算常數(shù)a和b推薦取值。

表1 管道本體涂層破損推薦值

表2 管道接頭涂層破損推薦值

3 海底管道外防腐涂層破損與陰極保護效果數(shù)值模擬

3.1 海底管道外防腐涂層破損陰極保護實例

某海上油田海底管道采用防腐涂層和犧牲陽極陰極保護聯(lián)合防腐措施。設(shè)計參數(shù)為:

單根海管外徑0.1683m，長12m，海管兩端各有一個0.30m的接頭。 現(xiàn)場海管總長4000m，位于海水中，水深40m，海管距水底10m。海管設(shè)計壽命為20年。

陰極保護系統(tǒng)為:4000m海管兩端各加設(shè)一塊手鐲式陽極。兩塊陽極規(guī)格相同，為鋁陽極鋁陽極（Al-Zn-In-Cd），外徑0.36m，長0.25m。陽極工作電位為-1.050V。海水電阻率為0.25 ? · m 。

海底管道本體外防腐涂層為單層FBE,海管與海管接頭處(FJC)為FBE層+聚乙烯熱縮帶層(即FBE with PE Heat Shrink Sleeve)。

3.2 防腐涂層破損與表觀面電阻率計算

3.3 海管防腐涂層破損與陰極保護效果數(shù)值模擬

由于海水深度為有限值，故采用有限元方法求解陰極保護數(shù)學(xué)模型。

考慮到對稱性，僅需取長為2000m的海管一端加設(shè)陽極的情況。因此求解區(qū)域的長為2000m，深為40m。海管距底面10m，海管走向與區(qū)域長一致。依據(jù)電場理論和電化學(xué)中的有關(guān)規(guī)律，取求解區(qū)域的寬度為長度的1/10[5]，即200m。

另外，在海管表觀面電阻率的選取方面，海管和海管接頭即FJC處的面電阻率不同，需將前面的破損率公式的計算結(jié)果分別代入。下圖是海管服役5年、10年、15年、20年、25年、30年后的電位分布數(shù)值模擬情況。

從圖1中可以看到,隨著海管防腐涂層逐年破損，海管表觀電阻率逐年降低,導(dǎo)致陰極保護電位逐年偏正；在設(shè)計壽命(20年)內(nèi)，在防腐涂層和陰極保護系統(tǒng)的聯(lián)合作用下，海管可以達到較好的保護狀態(tài)，即電位在保護電位(-0.850V)以負；若海管需超期服役，海管的防腐工作需予以格外重視。從計算結(jié)果上看海管服役25年后尚可勉強處于保護電位內(nèi)，但30年之后海管最遠端電位已經(jīng)到-0.842V，已不能得到有效保護。

由于海管接頭處破損相對海管其他部分嚴(yán)重，故在接頭破損處電位衰減更為明顯，導(dǎo)致海管表面陰極保護電位分布也呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。下圖2是服役20年海底管道表面電位分布的局部放大。

圖1 不同服役年限海底管道表面電位分布

圖2 服役20年海底管道表面電位分布局部放大

從圖2可以看到:電位曲線在海管接頭處出現(xiàn)了局部凹陷，這與電場分布理論相符，也與大量實驗及海上實際測量數(shù)據(jù)吻合。這一事實可以應(yīng)用于海底管道外防腐涂層局部破損的檢測與甄別，具有重大的工程實用價值。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果的進一步討論

數(shù)值模擬的優(yōu)勢是可以綜合考慮海管防腐過程中所涉及的多種影響因素對防腐效果的影響，快速評價多種設(shè)計方案的效果。本文的研究方法可應(yīng)用于以下幾個領(lǐng)域:

（1）陰極保護效果評價。根據(jù)海底管道在用外防腐涂層體系及破損規(guī)律，評價當(dāng)前服役年份海底管道陰極保護電位分布狀況，并可預(yù)估今后幾年陰極保護系統(tǒng)的運行狀況；

（2）海底管道外防腐層破損監(jiān)測。一旦海底管道外防腐涂層局部破損嚴(yán)重，海底管道實測電位曲線會在破損位置會發(fā)生嚴(yán)重的“U”形衰減，這與常規(guī)陰極保護所計算或測得曲線有很大不同，據(jù)此可鎖定涂層破損位置；

（3）海底管道本體及接頭處防腐涂層體系設(shè)計及施工方案選擇；

（4）犧牲陽極規(guī)格及數(shù)量的選擇，陽極分布的優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文研究了海底管道外防腐涂層破損與陰極保護電位分布的關(guān)系。利用有限元法對不同服役年限海管道的陰極保護電位分布進行了數(shù)值模擬。本文的研究成果可應(yīng)用于海底管道服役期間陰極保護效果的評價，外防腐涂層破損監(jiān)測，外防腐涂層體系設(shè)計，陰極保護系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計等領(lǐng)域。

[1]郭琦龍, 辜志俊, 蘇方騰. 海底管道的防腐蝕[J]. 腐蝕與防護, 1996(5):195-197.

[2] 何素娟, 閆化云, 趙大偉等. 西江油田現(xiàn)役海底管道內(nèi)腐蝕現(xiàn)狀評估[J]. 油氣儲運, 2012, 31(1):23-26.)

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[6] DNV-RP-F103,Cathodic Protection of Submarine Pipelines by Galvanic Anodes [S]

[7] 于壽海. 數(shù)值模擬在陰極保護工程中的應(yīng)用[J].全面腐蝕控制,1998,12(1):1-3.

[8] 胡舸, 張勝濤, 祥斌. 數(shù)值計算在腐蝕領(lǐng)域陰極保護設(shè)計中的應(yīng)用,計算機與應(yīng)用科學(xué)[J],2007,7:888-890

[9] 張秀林, 郭慶錕, 孫吉星等. 單層保溫海底管道鋼管外壁腐蝕評價方法探討[J]. 中國海上油氣, 2009, 21(6):416-419.

Numerical Simulation of Cathodic Protection For Submarine Pipeline on External Anti-Corrosion Coating Breakdown Condition

SUN Ji-xing1, WANG Qing-zhang2, JIN Xi1, Gao Da-yi1
(1.CNOOC Changzhou paint and Coating Industry Research Institute Co., Ltd. Changzhou 213016, China; 2. Ocean Univer sity of China, Qingdao 266003, China )

The relationship of external anti-corrosion coating breakdown of submarine pipeline and infuence on cathodic protection performance is studied by Numerical simulation method. Basing on the law of the external anti-corrosion coating breakdown of submarine pipeline, numerical simulation of the efect of cathodic protection system is obtained in the situation.The research result can be applied in the areas such as monitoring of the external anti-corrosion coating breakdown of submarine pipeline, evaluation of the efect of cathodic protection system, selection of the external anti-corrosion coating type,and optimizing the design of cathodic protection system of the submarine pipeline, et al.

submarine pipeline; external anti-corrosion coating; cathodic protection; numerical simulation

TG174.41

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.11.007.03

孫吉星（1979-），男，山東聊城人，工程師，碩士，現(xiàn)從事油田腐蝕與防護研究工作。