棒狀輔助陽極對小管徑管道內(nèi)壁軸向的保護(hù)距離

,,,(1. 鋼鐵研究總院 青島海洋腐蝕研究有限公司，青島 266071； 2. 青島鋼研納克檢測防護(hù)技術(shù)有限公司，青島 266071)

小管徑海水管道廣泛用于各種海洋工程裝備,如濱海電場、艦船裝備、浮式儲油輪等，且這些管道所處空間狹小，受力復(fù)雜，因此屬于海工裝備的腐蝕隱患部位。工程中常用外加電流陰極保護(hù)方式對小管徑海水管道內(nèi)壁進(jìn)行腐蝕防護(hù)。外加電流陰極保護(hù)所使用的輔助陽極可以是分散的棒狀陽極，也可以是連續(xù)的線型陽極[1]。線型陽極的保護(hù)電位分布均勻，但其接頭處的密封及安裝施工困難；棒狀陽極的保護(hù)電位受管道密閉空間及介質(zhì)電導(dǎo)率等因素影響呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)[2]，因?qū)艿纼?nèi)部各點(diǎn)電位同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測困難，其電位分布一般用有限元計(jì)算或者模擬方式呈現(xiàn)。本工作通過自主設(shè)計(jì)的電位實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置對實(shí)海環(huán)境中小管徑管道內(nèi)壁軸向各點(diǎn)的電位變化進(jìn)行監(jiān)測，并與Beasy軟件模擬計(jì)算方法比較，探究了小管徑管道中棒狀陽極的軸向保護(hù)距離。

1 試驗(yàn)

1.1實(shí)海試驗(yàn)

試驗(yàn)介質(zhì)：青島海域海水；試驗(yàn)溫度：15～20 ℃。

試驗(yàn)材料：碳鋼管DN200、DN125、DN100、DN80各一段(鋼管內(nèi)部無涂層，為裸露碳鋼)，管徑分別為200，125，100，80 mm，每段鋼管的長度為其管徑的十倍；輔助陽極為φ2 mm×12 mm MMO(Mixed Metal Oxide)棒狀陽極；參比電極為自制40路線型高純鋅電極。

按圖1所示接入各試驗(yàn)設(shè)備。四段鋼管通過法蘭變徑連接，法蘭連接處絕緣，各管段端部開孔，可接入棒狀陽極。每段管道端部有四個(gè)開孔，為棒狀輔助陽極安裝部位。另外，首段鋼管的前端及尾段鋼管的后端分別開孔裝入自制40路線型參比電極。將MMO棒狀輔助陽極與鋼管分別連接到恒電位儀的正負(fù)接線柱，線型參比電極與鋼管連接到多通道電位采集器，便可采集參比電極反饋的鋼管各點(diǎn)的陰極保護(hù)(陰保)電位。通入海水，待1 h至參比電極穩(wěn)定后，接通恒電位儀開關(guān)，對MMO棒狀陽極施加穩(wěn)定的直流電流，觀察并記錄各管段陰保電位的分布。40路線型參比電極可精確監(jiān)測到20 cm間隔的電位。測試得到電位均相對于參比電極。

圖1 管道內(nèi)部外加電流陰極保護(hù)試驗(yàn)示意圖Fig. 1 Diagram of impressed current cathodic protection test for inside of pipe

1.2 Beasy軟件模擬計(jì)算

采用Beasy 軟件對管道內(nèi)部外加電流陰極保護(hù)數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算。Beasy軟件是英國CM BEASY公司開發(fā)的大型防腐蝕軟件,在石油化工、海洋工程等領(lǐng)域應(yīng)用較多，此軟件是基于邊界元程序開發(fā)的，邊界元程序軟件能夠在不影響計(jì)算精度的前提下，降低計(jì)算維數(shù)， 減少計(jì)算量，特別適用于海洋工程中不易檢測裝置的防腐蝕數(shù)值計(jì)算[3-4]。

首先,采用Beasy軟件對四種管徑管道進(jìn)行建模，將輔助陽極布置在管道端部的中間位置;然后,對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模擬輔助陽極與海水管道內(nèi)壁上各點(diǎn)軸向距離對外加電流陰極保護(hù)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)海環(huán)境管道的陰保電位

采取恒電流法測定管道陰保電位曲線。恒定電流通過恒電位儀施加，根據(jù)每段管道棒狀陽極相對于參比電極的電位確定恒定電流大小，以確保陽極附近電位不超過極化電位且可使管道迅速極化[5]。當(dāng)棒狀陽極相對于參比電極的電位為0 mV時(shí)，所加電流值合適。恒電流陰極極化測得的管道軸向陰保電位變化曲線如圖2所示。

由于高純鋅在海水中穩(wěn)定性好，且易加工，因此適用于此次參比的選材和制作。相對于高純鋅，海水中碳鋼的自然腐蝕電位在500～560 mV，極化電位在0～250 mV時(shí)碳鋼處于有效的被保護(hù)狀態(tài)。

由圖2可見：在軸向距離棒狀陽極90 cm處，DN200管道的陰保電位為250 mV，這表明管道內(nèi)部棒狀陽極軸向保護(hù)距離為90 cm；同理，棒狀陽極對DN125管道的軸向保護(hù)距離為60 cm，對DN100管道的軸向保護(hù)距離為24 cm，對DN80管道的軸向保護(hù)距離為20 cm。以上結(jié)果表明，隨管徑的減小，管道內(nèi)部棒狀陽極的軸向保護(hù)距離呈遞減規(guī)律。由圖2還可見：當(dāng)管徑≥125 mm時(shí)，軸向相鄰兩監(jiān)測點(diǎn)間的電位差約為50 mV；而管徑≤100 mm時(shí)，軸向相鄰兩監(jiān)測點(diǎn)間的電位差突然變大，約為200 mV。以上結(jié)果表明，當(dāng)管徑≤100 mm時(shí)，保護(hù)距離已降到最小，保護(hù)作用不大，因此管徑小于100 mm的管道不適宜用棒狀陽極方式進(jìn)行保護(hù)。

2.2 Beasy軟件模擬結(jié)果

模擬得到的管道軸向陰保電位分布如圖3所示。由圖3可見：模擬得到棒狀陽極對DN200與DN125管道的軸向保護(hù)距離分別為82，55 cm，與實(shí)海測試結(jié)果相近，差異率最大為2.5%；模擬得到棒狀陽極對DN100和DN80管道的軸向保護(hù)距離均為40 cm，而實(shí)海測試結(jié)果分別為24 cm和20 cm，數(shù)值差異很大，差異率最大為100%。這說明對于類似DN100和DN80的小管徑管道，外加電流陰極保護(hù)在實(shí)海測試中受實(shí)際因素如管道空間、管道表面狀態(tài)等的影響較大，棒狀陽極對管道的軸向保護(hù)距離較短，實(shí)海測試結(jié)果比計(jì)算結(jié)果偏小很多，因此管徑≤100 cm的小管徑管道不適宜用外加電流棒狀陽極方式進(jìn)行腐蝕防護(hù)。

(a) DN200

(b) DN125

(c) DN100

(d) DN80圖2 恒電流下測得各管道軸向陰保電位變化曲線Fig. 2 Cathodic protection potential curves in axial direction of pipeline in constant current

(a) DN200

(b) DN125

(c) DN100

(d) DN80圖3 恒電流下管道軸向陰保電位的模擬結(jié)果Fig. 3 Simulated results of cathodic protection potentials in axial direction of pipeline in constant current

2.3 棒狀陽極保護(hù)作用分析

由管道陰保電位變化曲線圖知：四組管道陰保電位的測試值均呈現(xiàn)靠近陽極的位置電位較負(fù)，而遠(yuǎn)離陽極的位置電位較正的規(guī)律。這是因?yàn)樵陉帢O保護(hù)系統(tǒng)中，離棒狀陽極越近的陰極區(qū)域，其陰、陽極回路間的溶液電阻越小，電流傾向流經(jīng)阻力較小的回路，因此會出現(xiàn)上述規(guī)律。值得注意的是，由于各陰極區(qū)域的電流大小不同，造成不同陰極表面的狀態(tài)也有所差別，如陰極電流大的區(qū)域，表面陰極反應(yīng)速率較大，致使電極表面的氧濃度降低、陰極產(chǎn)物濃度增加，進(jìn)而影響了陰極反應(yīng)中氧擴(kuò)散、電荷轉(zhuǎn)移等步驟的速率[6-7]。因此，試驗(yàn)結(jié)果中，陰極電位與陰、陽極間的距離未出現(xiàn)正比例關(guān)系。以上分析說明陰極極化狀態(tài)不能僅考慮溶液電阻的影響，還要考慮不同區(qū)域的陰極反應(yīng)狀態(tài)。

此外，管徑越小的管路，單位長度的溶液電阻越大，因此在與輔助陽極等距離的各陰極點(diǎn)處，管徑越小的管道中，流經(jīng)的電流越小，電位越正，保護(hù)效果越差。因此，隨著管徑的減小，陰極保護(hù)距離也隨之減小，對于管徑在100 mm以下的管道，由于保護(hù)距離過短，不適宜用棒狀陽極外加電流的方法進(jìn)行陰極保護(hù)。

3 結(jié)論

(1) 由實(shí)海測試結(jié)果可知，在管道軸向，離陽極距離越大，管道的陰保電位變負(fù)的傾向越??；而隨管道管徑變小，由于介質(zhì)電阻變大，陽離子擴(kuò)散受阻，所以保護(hù)距離也變小；當(dāng)管徑≤100 mm時(shí)，棒狀輔助陽極方式基本起不到保護(hù)作用。

(2) 由Besay軟件模擬計(jì)算可知， 棒狀輔助陽極對DN200、DN125管道的保護(hù)距離與實(shí)海試驗(yàn)結(jié)果大體一致，而對DN100、DN80管道的軸向保護(hù)距離與實(shí)海試驗(yàn)所得結(jié)果相差較大。在實(shí)海試驗(yàn)中，小管徑管道受實(shí)際環(huán)境影響較大，所以需按照實(shí)海試驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)海上工程施工。

(3) 管道棒狀輔助陽極保護(hù)方式對管徑≤100 mm的管道作用不大，因小管徑管道較多應(yīng)用于濱海設(shè)施，應(yīng)考慮研究其他保護(hù)方式，確保其有效壽命，如：能提供穩(wěn)定保護(hù)電位的線型輔助陽極，重點(diǎn)研究安裝，密封工藝等對小管徑管道的腐蝕防護(hù)的影響。

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