基于數(shù)值模擬計(jì)算的腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估方法

楊璐嘉,鐘文軍,曹亞洲,劉福國(guó),宋世德,黃 一

(1. 大連理工大學(xué)，大連 116023； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

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應(yīng)用技術(shù)

基于數(shù)值模擬計(jì)算的腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估方法

楊璐嘉1,鐘文軍2,曹亞洲1,劉福國(guó)2,宋世德1,黃 一1

(1. 大連理工大學(xué)，大連 116023； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對(duì)深水鋪管起重船提出了一種基于數(shù)值模擬計(jì)算的腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估方法。該方法首先利用數(shù)值模擬計(jì)算形成腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估矩陣，然后用水下結(jié)構(gòu)外表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電位以及腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估矩陣對(duì)水下結(jié)構(gòu)整體腐蝕防護(hù)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并通過三維可視化方法顯示保護(hù)電位分布云圖;在試驗(yàn)室條件下通過縮比模型試驗(yàn)對(duì)此方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:基于數(shù)值模擬計(jì)算的腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估方法可以準(zhǔn)確評(píng)估水下結(jié)構(gòu)外表面的腐蝕防護(hù)狀態(tài);同時(shí)可以通過三維保護(hù)電位分布云圖直觀地顯示半潛鋪管船腐蝕防護(hù)的薄弱區(qū)域。

腐蝕防護(hù)；腐蝕評(píng)估；數(shù)值模擬；陰極保護(hù)

船舶及海洋結(jié)構(gòu)物通常采用防腐蝕涂層和陰極保護(hù)并用的復(fù)合方法進(jìn)行腐蝕防護(hù)[1]。在復(fù)合防腐系統(tǒng)保護(hù)下，水下結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)狀態(tài)主要由保護(hù)電位、保護(hù)電流密度、陽(yáng)極電流和陽(yáng)極電壓等參數(shù)來表征[2]，其中保護(hù)電位可以直觀地表示水下結(jié)構(gòu)外表面的腐蝕防護(hù)狀態(tài)。目前，保護(hù)電位評(píng)估方法大多是以安裝在船舶及海洋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的參比電極的監(jiān)測(cè)值直接對(duì)腐蝕防護(hù)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[3-4]。水下結(jié)構(gòu)角隅處及近螺旋槳的船底處等位置由于屏蔽效應(yīng)[5]，表面保護(hù)電位偏低，更易腐蝕，然而受現(xiàn)有施工條件的限制,無法在上述位置安裝參比電極，導(dǎo)致該區(qū)域成為腐蝕防護(hù)狀態(tài)無法評(píng)估的薄弱區(qū)域。雖然此類情況可以通過潛水員在水下利用便攜式參比電極進(jìn)行測(cè)量作業(yè)來解決，但是易引入偶然誤差且費(fèi)用昂貴，目前大部分船舶及海洋結(jié)構(gòu)已經(jīng)不采用此方法。

數(shù)值模擬計(jì)算作為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)已經(jīng)成功應(yīng)用在許多船舶及海洋結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)上[6]，然而將其應(yīng)用在船舶及海洋結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估方面的報(bào)道較少。本工作基于數(shù)值模擬計(jì)算提出了一種船舶及海洋結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)狀態(tài)的間接評(píng)估方法。該方法首先利用數(shù)值模擬計(jì)算得到水下結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估矩陣，然后利用腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估矩陣以及預(yù)置在水下結(jié)構(gòu)上參比電極實(shí)測(cè)的保護(hù)電位評(píng)估水下結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)狀態(tài)。并利用某深水半潛式起重鋪管船縮比模型,通過試驗(yàn)驗(yàn)證該評(píng)估方法的準(zhǔn)確性,以及該方法對(duì)水下結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)薄弱區(qū)域評(píng)估的全面性。

1　腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估方法

該方法主要包含兩個(gè)部分:建立腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估矩陣以及評(píng)估結(jié)果可視化。

1.1建立腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估矩陣

如圖1所示，首先建立深水鋪管起重船的邊界元模型，通過前處理得到邊界模型上各單元的編號(hào)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)以及坐標(biāo)信息。根據(jù)不同海況利用數(shù)值模擬軟件計(jì)算不同時(shí)間段內(nèi)深水鋪管起重船水下結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)狀態(tài)[7-8]，得到腐蝕防護(hù)狀態(tài)文件如圖2所示，包括邊界元模型上各個(gè)三角形單元節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息和保護(hù)電位信息，進(jìn)而形成腐蝕狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。

根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)判斷其是否和邊界元模型三角形單元的節(jié)點(diǎn)重合。若重合則直接在腐蝕

狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取節(jié)點(diǎn)的電位信息作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)電位的參考值;若不重合則在腐蝕狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在三角形單元節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息以及電位信息,然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息以及電位信息，使用面積坐標(biāo)下的線性插值方法計(jì)算得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)保護(hù)電位的參考值。面積坐標(biāo)下的線性插值方法可以簡(jiǎn)化為:已知三角形三點(diǎn)A(xa,ya),B(xb,yb),C(xc,yc)的坐標(biāo)和保護(hù)電位φa,φb,φc,求三角形內(nèi)一點(diǎn)E(xe,ye)的保護(hù)電位φe，如圖3所示。

面積坐標(biāo)下，E點(diǎn)的位置可以表示為[9]:

(1)

式中:S是三角形ABC的面積;Si，Sj分別是三角形ABE和三角形ACE的面積。E(li，lj)為E點(diǎn)的面積坐標(biāo)。

在直角坐標(biāo)系oxy，三角形ABE的面積Si可表示為：

(2)

(3)

由于在均勻電場(chǎng)中，某一點(diǎn)的電位只和該點(diǎn)位置坐標(biāo)有關(guān)，因此在面積坐標(biāo)系下E點(diǎn)電位為:

(4)

另外，電場(chǎng)與距離成線性關(guān)系，因此設(shè):

(5)

式中:m,n,c,M,N,C均為常數(shù)。

將A，B，C三點(diǎn)面積坐標(biāo)以及電位代入上式，可得:

(6)

求解上述方程可得:M=φc-φa，N=φc-φa，C=φa。

因此可以求出評(píng)估點(diǎn)E的保護(hù)電位參考值為:

(7)

將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保護(hù)電位參考值形成M×N矩陣，即為腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估矩陣。其中M表示腐蝕防護(hù)狀態(tài)文件的數(shù)量，N表示水下結(jié)構(gòu)預(yù)置參比電極的數(shù)量，即監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

1.2評(píng)估水下結(jié)構(gòu)外表面的腐蝕防護(hù)狀態(tài)

將實(shí)測(cè)的保護(hù)電位形成一個(gè)N維向量，N表示水下結(jié)構(gòu)預(yù)置參比電極的數(shù)量。

進(jìn)而提出評(píng)估因子Ef，用于表征評(píng)估結(jié)果的失真性。Ef,m反映了腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估矩陣中第m行各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電位參考值與實(shí)測(cè)值的均方根。其值越小，表明第m行電位參考值所對(duì)應(yīng)的腐蝕防護(hù)狀態(tài)文件越接近真實(shí)情況。

最后利用三維可視化技術(shù)將最接近真實(shí)情況的腐蝕防護(hù)狀態(tài)文件中各節(jié)點(diǎn)的電位信息以三維保護(hù)電位分布云圖的形式進(jìn)行顯示，見圖4。

2　縮比模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的方法的準(zhǔn)確性以及對(duì)腐蝕防護(hù)薄弱區(qū)域評(píng)估的全面性，在試驗(yàn)室條件下利用某深水鋪管起重船縮比模型進(jìn)行了試驗(yàn)。

2.1縮比模型

試驗(yàn)用縮比為1/120的深水鋪管起重船模型，長(zhǎng)、寬、吃水分別為1.88,0.75,0.30 m。試驗(yàn)水池尺寸為2.52 m×1.85 m×1.50 m，根據(jù)相似理論[10]，相應(yīng)地將水池中人工海水的電導(dǎo)率縮小為333 μS/cm。

2.2復(fù)合腐蝕防護(hù)系統(tǒng)

參考實(shí)船的涂裝方案，采用1道富鋅底漆及3道環(huán)氧樹脂面漆對(duì)模型進(jìn)行噴涂，通過涂層破損率試驗(yàn)測(cè)定初始表面涂層破損率約為0.67%。輔助陽(yáng)極材料為鈦基金屬氧化物，將22個(gè)截面直徑為5 mm的柱形陽(yáng)極封裝后按照陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行布置，如圖5所示。其中圓形陰影區(qū)域的中心即為輔助陽(yáng)極布置點(diǎn)。陰極保護(hù)系統(tǒng)電源采用PPS3205可編程直流電源。

2.3腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)

為了評(píng)估水下結(jié)構(gòu)外表面保護(hù)電位，需要在水下結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處安裝參比電極。本試驗(yàn)中采用的參比電極材料為粉壓式Ag/AgCl固體。由于該模型為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此將參比電極主要布置在其中一個(gè)浮體上，在另一側(cè)的浮體上布置少數(shù)參比電極用于對(duì)照,進(jìn)而判斷測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。1～13號(hào)參比電極布置在右側(cè)浮體上，14～16號(hào)參比電極布置在左側(cè)浮體上，具體布置位置如圖6所示。

2.4試驗(yàn)方法

將模型放入水池中，分別連接外加電流陰極保護(hù)回路，保護(hù)電位監(jiān)測(cè)回路。待監(jiān)測(cè)數(shù)值穩(wěn)定后，首先提取評(píng)估結(jié)果中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電位，并同實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，然后用傳統(tǒng)的直接法即直接利用參比電極測(cè)量數(shù)據(jù)的評(píng)估方法，以及本工作提出的評(píng)估方法對(duì)腐蝕防護(hù)最薄弱區(qū)域進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

3　結(jié)果與討論

由表1可見，監(jiān)測(cè)點(diǎn)電位實(shí)測(cè)結(jié)果和評(píng)估結(jié)果的差值在-2.43%～1.99%，說明本工作提出的評(píng)估方法可以準(zhǔn)確地反應(yīng)半潛鋪管水縮比模型水下結(jié)構(gòu)外表面的腐蝕防護(hù)狀態(tài)。

表1　監(jiān)測(cè)點(diǎn)電位的實(shí)測(cè)結(jié)果與評(píng)估結(jié)果比較

圖7所示為利用本文提出的評(píng)估方法對(duì)縮比模型水下結(jié)構(gòu)外表面腐蝕防護(hù)狀態(tài)的評(píng)估結(jié)果，從電位分布云圖上可以直觀得到水下結(jié)構(gòu)整體的保護(hù)電位分布情況,并可以讀出任意節(jié)點(diǎn)的保護(hù)電位。

通過基于數(shù)值模擬計(jì)算的評(píng)估方法評(píng)估水下結(jié)構(gòu)外表面腐蝕防護(hù)狀態(tài)的結(jié)果顯示，電位最低點(diǎn)位于螺旋槳附近的A點(diǎn)，如圖8所示，該點(diǎn)電位為775 mV。用參比電極監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示，最低電位出現(xiàn)在B點(diǎn)，為796 mV。使用便攜式參比電極對(duì)水下結(jié)構(gòu)外表面電位進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，在C點(diǎn)處水下結(jié)構(gòu)外表面電位最低，為770 mV。這說明利用基于數(shù)值模擬計(jì)算的方法得到的腐蝕防護(hù)最薄弱點(diǎn)的評(píng)估結(jié)果更接近真實(shí)值；而受施工條件的限制，參比電極不能安裝在腐蝕防護(hù)最薄弱的區(qū)域，因此，傳統(tǒng)的直接法不能真實(shí)地反應(yīng)水下結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)最薄弱區(qū)域的狀態(tài)。

4　結(jié)論

基于數(shù)值模擬計(jì)算的腐蝕防護(hù)狀態(tài)評(píng)估方法可以準(zhǔn)確地評(píng)估水下結(jié)構(gòu)外表面的腐蝕防護(hù)狀態(tài)，形成保護(hù)電位云圖，直觀地顯示水下結(jié)構(gòu)上任意節(jié)點(diǎn)的腐蝕防護(hù)信息，為及時(shí)調(diào)整外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流提供依據(jù)。

[1]許立坤,馬力,邢少華,等. 海洋工程陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展評(píng)述[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展,2014,33(2):106-113.

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A Novel Assessment Method for Corrosion Protection State Based on Numerical Simulation

YANG Lu-jia1, ZHONG Wen-jun2, CAO Ya-zhou1, LIU Fu-guo2, SONG Shi-de1, HUANG Yi1

(1. Dalian University of Technology, Dalian 116023, China; 2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

A corrosion assessment method for pipe laying vessel based on numerical simulation was proposed. A corrosion protection state evaluation matrix generated by numerical simulation calculation and the potential values of the monitoring points on the submerged structure were used to assess the corrosion protection state. Then the assessment results would be displayed by protection potential coloring contour using 3D visualization. Then the method was verified by the pipe laying vessel scale model test in laboratory. The results indicate that the corrosion protection state of the submerged structure could be well assessed through this method, and the weak areas of corrosion protection on the submerged structure of the pipe laying vessel could be directly displayed by the 3D corrosion protection potential coloring contour.

corrosion protection; corrosion assessment; numerical simulation; cathodic protection

10.11973/fsyfh-201604013

2015-11-05

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05027-002)

宋世德(1974-),講師,博士,從事腐蝕傳感器研究,18940934951,peterssd@qq.com

TG174

A

1005-748X(2016)04-0331-04