基于規(guī)范的海底管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)及數(shù)值驗(yàn)證

任 濤 朱燁森, 胡堅(jiān)柯 蔡 錕 滕 楷 黃 一

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

0 引言

海底管道主要用來輸送原油、天然氣、海水、淡水、污水等。截至當(dāng)今，已經(jīng)有數(shù)百條海底管道在全世界海域中使用，有鋪設(shè)距離長的可達(dá)數(shù)千公里、也有短距離的如幾公里，海底管道的材料一般以鋼制焊管為主。由于海底管道所處的海水以及海泥環(huán)境惡劣，其外部受到的腐蝕遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地管道。隨著海洋資源的大力開發(fā)，用于輸運(yùn)海洋油氣的海底管道優(yōu)化設(shè)計(jì)越來越重要，如何應(yīng)用現(xiàn)代腐蝕理論和防腐技術(shù)來減緩腐蝕是海底管道設(shè)計(jì)研究的重要內(nèi)容。海底管道常用的防腐手段包括涂層和陰極保護(hù)[1-3]。

當(dāng)金屬管道埋在土壤或海水中時(shí)，由于受到各種環(huán)境因素的影響，表面將出現(xiàn)陽極區(qū)和陰極區(qū)，通常陽極區(qū)容易發(fā)生局部腐蝕損傷。陰極保護(hù)是指把對需要保護(hù)的金屬進(jìn)行陰極的極化，從而使電位負(fù)向移動(dòng)到金屬表面直到與陽極的電位平衡，消除由于化學(xué)不均勻性而導(dǎo)致的腐蝕電池的產(chǎn)生，以避免金屬遭到環(huán)境介質(zhì)（如土壤、海水）的腐蝕。陰極保護(hù)一般可用輔助陽極或犧牲陽極材料的腐蝕來代替被保護(hù)管道、設(shè)備的腐蝕，進(jìn)而延長被保護(hù)管道的使用壽命，提高海底管線的安全性和經(jīng)濟(jì)性[4-6]。依據(jù)陰極保護(hù)中所需電流的提供來源的不同，可分外加電流法和犧牲陽極法。外加電流法是將電源負(fù)極與所需要的被保護(hù)的金屬（如海底管道鋼材、設(shè)備）相連，犧牲陽極法是將相比電位值更負(fù)的犧牲陽極與需要被保護(hù)金屬相連接[7,8]。外加電流法需要長期穩(wěn)定的直流電源提供直流電，并且還需要各種電氣調(diào)控設(shè)備的支持，再有需配有專門的維修和管理人員，針對海底管道的陰極保護(hù)應(yīng)用技術(shù)要求較高、實(shí)施較不方便，因此，在海底管道的陰極保護(hù)中采用犧牲陽極的保護(hù)系統(tǒng)更為方便有效。

陰極保護(hù)作為海底管道腐蝕防護(hù)的重要措施，進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)范的方案設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。本文的主要目的就是形成基于海底管道設(shè)計(jì)規(guī)范的陰極保護(hù)程序，提高海底管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)效率。

1 基于規(guī)范的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

海洋結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用最廣泛的規(guī)范是陰極保護(hù)設(shè)計(jì)（DNV-RP-B401）[9]。而其中針對海底管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要的設(shè)計(jì)規(guī)范包括海底管道犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)（DNVRP-F103）[10]和管線傳輸系統(tǒng)陰極保護(hù)第2部分：海底管道（ISO-15589-2）[11]。由于DNV-RP-B401中規(guī)范的設(shè)計(jì)方案更為保守并且應(yīng)用遵守時(shí)間較久，工程經(jīng)驗(yàn)較為豐富，因而在目前的新建海底管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中仍有較普遍的應(yīng)用。這兩部規(guī)范的設(shè)計(jì)內(nèi)容相似、流程相近，如圖1所示，均是已知設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的濕表面積、初始/平均/最終電流密度以及犧牲陽極電流等輸入?yún)?shù)，繼而來計(jì)算解得犧牲陽極的數(shù)量、質(zhì)量以及單塊手鐲狀犧牲陽極的管道保護(hù)長度。

圖1 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)流程

犧牲陽極陰極保護(hù)法，就是用鋅、鋁等活潑金屬及或者其合金作為保護(hù)陽極，當(dāng)陽極被接在需要保護(hù)的管道上時(shí)，管道電位較高而成為陰極，從而管道、陽極、海水或者海泥環(huán)境三者構(gòu)成了電池系統(tǒng)。由于陽極電位低易被腐蝕犧牲，從而使處于陰極的管道得到了保護(hù)。犧牲陽極法具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如不需要額外加電源、沒有外部電場干擾故、不會(huì)受到周邊設(shè)施的干擾、具有較好的電流散能力、便于安裝管理以及容易維護(hù)修理等，所以在當(dāng)下的海底管道的防腐設(shè)計(jì)中具有廣泛而久遠(yuǎn)的使用。

在海底管道的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該重點(diǎn)考慮以下內(nèi)容：

（1）環(huán)境條件：①管道系統(tǒng)自身的溫度；②海水和海底土壤環(huán)境的溫度；③海水和海底土壤的含氧量；④海水及海底土壤的化學(xué)組成成分，海水和海底土壤的pH值；⑤海水和海底土壤的環(huán)境電阻率；⑥海底水流速度；⑦海洋生物的活動(dòng)；

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)：①管道外徑；②管道內(nèi)徑；③管道總長度；④防腐蝕涂層的性能和厚度；⑤加混凝土配重層時(shí)的配重層厚度；⑥設(shè)計(jì)保護(hù)年限；

（3）陽極材料：陽極材料的選擇所需要考慮的因素很多，例如從陽極的電容量、陽極電位（包括陽極工作電位和陽極驅(qū)動(dòng)電位兩者）以及陽極材料腐蝕后的腐蝕顆粒的細(xì)化程度、腐蝕是否均勻，此外還跟腐蝕產(chǎn)物的溶解性、單個(gè)陽極重量以及陽極總質(zhì)量、陽極的制造價(jià)格等。目前Al--Zn系合金被更多的推薦采用在國內(nèi)外的海底管道的犧牲陽極選擇上。而一般用在海底管道上的犧牲陽極形狀多為半開式的手鐲型陽極。

目前適用于鋼制海底管道保護(hù)的犧牲陽極材料主要分為鋁基材料陽極、鋅基材料陽極和鎂基材料陽極三大類。目前鋁基合金陽極有著更多優(yōu)點(diǎn)：理論發(fā)生電量大，其值可達(dá)2970A·h/kg，大約是是鋅的3.6倍，更為適合制造壽命較長的陽極；而按照單位輸出電量的價(jià)格比，鋁陽極也最為便宜；在海水及海泥環(huán)境中，鋁陽極有著更優(yōu)越的性能，其均勻的腐蝕速率使得電位一直保持在-0.95V～-1.10V，在進(jìn)行鋼質(zhì)管道保護(hù)時(shí)有著自動(dòng)調(diào)節(jié)電流和電位的作用；鋁的密度小，單位質(zhì)量體積大，相同體積時(shí)鋁重量更輕，更易于安裝；鋁在地球上資源豐富，而且在鋁的制備中，純度也更高，往往當(dāng)鋁含量達(dá)到99.85%或99.7%時(shí)即可用作陽極原料；

（4）最小保護(hù)電流密度：最小保護(hù)電流密度定義為為了保證海底管道降到足夠小的腐蝕速度時(shí)所能采用的最低值的保護(hù)電流密度。最小保護(hù)電流密度與管道的選材、所處海洋環(huán)境的腐蝕介質(zhì)性狀以及陰極保護(hù)系統(tǒng)中大電池電路中的總電阻和所采用的陽極形狀和尺寸等都有密切關(guān)系；

（5）最小保護(hù)電位：最小保護(hù)電位定義為當(dāng)在海底管道采用陰極保護(hù)時(shí)，阻止海底管道的鋼管腐蝕的所需要的最小電位值。一般情況下海底管道在海泥中的最小保護(hù)電位為-0.8v（vs Ag/AgCl），如果管道處于厭氧條件下，由于會(huì)存在硫酸鹽還原菌，這樣就將使最小保護(hù)電位的值更負(fù)，可達(dá)為-0.9v（vs Ag/AgCl）。

1.1 平均需求電流

平均需求電流（Im）可以通過管道表面面積（A）進(jìn)行計(jì)算：

其中，ic為“設(shè)計(jì)電流密度”，表格1為根據(jù)管道內(nèi)流體溫度的不同而推薦的平均設(shè)計(jì)電流密度；fc是“平均涂層破損率”，可由以下公式給出：

其中，tf表示的是“設(shè)計(jì)壽命”，a和b為與涂層性能相關(guān)的常數(shù)。同理，上述計(jì)算公式可用于最終需求電流If的計(jì)算。

表1 根據(jù)內(nèi)部流體溫度推薦的設(shè)計(jì)電流平均密度（A/m2）

1.2 陽極總體凈質(zhì)量

滿足平均電流需求的陽極總體凈質(zhì)量可通過下式計(jì)算：

其中，μ為陽極的利用率，根據(jù)ISO 15589-2的7.4部分進(jìn)行選擇，即對于鐲套氏陽極最大值為0.8，安裝在其他水下結(jié)構(gòu)用于保護(hù)管道的細(xì)長型陽極最大值為0.9；ε是陽極材料的電化學(xué)容量；8760為一年的小時(shí)數(shù)。

1.3 最終陽極輸出電流

設(shè)計(jì)壽命末期的單個(gè)陽極的最終陽極輸出電流Iaf可根據(jù)下式計(jì)算：

式中，Ea為“設(shè)計(jì)閉路陽極電位”，Ec為“設(shè)計(jì)保護(hù)電位”，Raf為“最終陽極電阻”。

1.4 陽極數(shù)量

根據(jù)單個(gè)陽極最終輸出電流（Iaf）和最終需求電流（If），可計(jì)算得到需要的陽極數(shù)量（N）如下式：

1.5 陽極分布

犧牲陽極的陰極保護(hù)長度L可由金屬電壓降△EMe、陽極電位EC'、管線鋼設(shè)計(jì)保護(hù)電位ECo、管線鋼最終需求電流If、管線鋼電阻RMe確定。其中，金屬電壓降并遵從歐姆定律：

其中，進(jìn)入管段L的全部陰極電流為：

其中，D為管線的外徑。f'cf（無量綱）是最終涂層破壞因數(shù)。

管線鋼電阻RMe可以用下列公式計(jì)算：

其中，d是管壁厚，ρMe是管線鋼材料的電阻率。

假定陰極電流均勻地分布在長度L上，則聯(lián)立上式可知L滿足以下表達(dá)式：

若陰極電流沿管段長L分布不均勻，則可以按下式估算L：

對于手鐲型陽極，上述L計(jì)算方式適用于最大值為300m陽極間距對于更大陽極布置距離的陽極，宜用下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，Ltot為管線總長度。

上述計(jì)算中，不同材料的管線鋼電阻率（ρMe）按表2選取。

表2 管線鋼電阻率

不同材料的管線鋼設(shè)計(jì)保護(hù)電位EoC按表3選?。?/p>

表3 管線鋼設(shè)計(jì)保護(hù)電位

2 海底管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)程序

2.1 編譯語言選擇

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算程序化，減少重復(fù)繁瑣的操作，選用C#語言進(jìn)行基于規(guī)范的犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)程序編寫。C#語言派生于C和C++編程語言，簡單、現(xiàn)代、面向?qū)ο?、類型非常安全；同時(shí)，基于C#的設(shè)計(jì)程序同時(shí)具備Visual Basic的易用性、高性能以C++的低級內(nèi)存訪問性。通過C#編寫程序，實(shí)現(xiàn)海底管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的窗口可視化，設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算準(zhǔn)確、快速、便捷。

2.2 程序界面設(shè)計(jì)

依據(jù)規(guī)范，編寫C#程序代碼，并通過窗口可視化進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。程序可視化界面如圖2所示。

圖2 程序界面

程序界面可分為8部分：

（1）管道參數(shù)：包括管道長度、管道外直徑、管道壁厚以及金屬電阻率；

（2）陽極參數(shù)：包括陽極長度、陽極內(nèi)徑、陽極外徑、陽極材料以及陽極密度；

（3）管道保護(hù)環(huán)境參數(shù)：包括設(shè)計(jì)壽命以及環(huán)境電解質(zhì)電阻率；

（4）涂層選擇：包括管系涂層與搭接處涂層的選擇；

（5）犧牲陽極電化學(xué)參數(shù)：包括陽極利用系數(shù)、設(shè)計(jì)閉路陽極電位以及電化學(xué)容量；

（6）管道電化學(xué)參數(shù)：包括設(shè)計(jì)保護(hù)電位以及設(shè)計(jì)電流平均密度；

（7）按鈕區(qū)：包括計(jì)算和退出兩個(gè)按鈕；

（8）計(jì)算結(jié)果區(qū)：包括最終陽極輸出電流、平均電流需要量、最終電流需要量、滿足平均電流需求的陽極總凈質(zhì)量、滿足最終電流需求的陽極數(shù)量、陽極整體凈質(zhì)量、單個(gè)陽極凈質(zhì)量、陽極間最大距離以及滿足規(guī)范的陽極數(shù)量。

2.3 程序正確性驗(yàn)算

程序設(shè)計(jì)結(jié)束后，選取案例進(jìn)行程序驗(yàn)算，以保證該程序的正確性。

選擇某總長度為22000m的實(shí)際海底管道，管道外徑為0.2191m，管道壁厚為0.0095m，同時(shí)陽極長度為0.4m，陽極內(nèi)徑0.345m，陽極外徑0.405m，取工作溫度為70℃，設(shè)計(jì)壽命20年，海泥電阻率為1.25 ohm·m，計(jì)算界面如圖3所示。

圖3 程序驗(yàn)算計(jì)算界面

經(jīng)程序運(yùn)行，得到最后單個(gè)陽極數(shù)量為71，陽極間距為309m，這與實(shí)際結(jié)果（陽極數(shù)量為71，陽極間距為317m）相吻合，故由規(guī)范設(shè)計(jì)得到的陰極保護(hù)程序是正確可行的。

3 油氣田海底管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 海底管道陰極保護(hù)參數(shù)選取

3.1.1 管道參數(shù)

（1）管道尺寸

選用強(qiáng)度等級為X65的管線鋼，備選三種管道尺寸，第一種外徑0.6m、壁厚0.02m，第二種外徑0.7m、壁厚0.025m，第三種外徑0.8m、壁厚0.03m；

（2）管道電阻率

管道材料為碳錳型鋼管，電阻率取0.2×10-6ohm·m；

（3）管道設(shè)計(jì)保護(hù)電位

管道是碳鋼，設(shè)計(jì)保護(hù)電位取-0.8V；

（4）設(shè)計(jì)電流平均密度

該管道處于埋藏條件下，取工作溫度為70℃，設(shè)計(jì)電流平均密度取0.025A/m2。

（5）保護(hù)電位

目標(biāo)海底管道鋪設(shè)區(qū)域采用全程挖溝埋設(shè)、自然回填，設(shè)定埋設(shè)海底管線的頂部距離海床表面為1.5m，即管道處于海泥中，取保護(hù)電位為-0.9V；

（6）保護(hù)電流密度

DNV-RP-B401規(guī)范中規(guī)定，鋪設(shè)在海泥中的鋼材，保護(hù)電流密度值可取0.020 A/m3。

3.1.2 陽極參數(shù)

（1）陽極材料

選擇銦活化的鋁合金犧牲陽極；

（2）陽極類型

選取陽極形狀為手鐲式陽極；

（3）陽極利用系數(shù)

對于手鐲式陽極來說，利用系數(shù)可以選為0.8；

（4）設(shè)計(jì)陽極閉路電位

由于陽極材料為鋁基，所以設(shè)計(jì)陽極閉路電位取-1.0 V；

（5）陽極電化學(xué)容量

由于環(huán)境溫度低于30℃，所以取陽極電化學(xué)容量為2000A·h/kg。

3.1.3 環(huán)境參數(shù)

（1）設(shè)計(jì)壽命

陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命應(yīng)至少等于管道設(shè)計(jì)壽命，為20年；

（2）環(huán)境溫度

海底管線所在海域的平均溫度取20℃；

（3）電阻率

由于管線處于海泥中，因而根據(jù)DNV規(guī)范可取海泥電阻率為1.5ohm·m；

（4）涂層選擇

在該管系中，管道涂層材料為三層熔結(jié)環(huán)氧粉末/聚乙烯，且涂層厚度不小于2.8mm；搭接處涂層選1A粘膠帶類型或帶有粘膠帶的熱縮套類型（背面結(jié)構(gòu)是PVC/PE）。

3.2 海底管道陰極保護(hù)程序計(jì)算

3.2.1 海底管道陰極保護(hù)方案設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)應(yīng)用中，選擇了陽極長度為0.2m、0.25m以及0.3m，選擇陽極厚度為0.1m。通過上述設(shè)計(jì)的程序，分別對九組數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到如表4結(jié)果。

表4 陰極保護(hù)陽極設(shè)計(jì)

由圖4可知，隨著管道尺寸的增加，所需陽極質(zhì)量也隨之增加，這是因?yàn)槌叽绲脑黾有枰嚓枠O來提供保護(hù)電流以滿足防護(hù)需要。

圖4 總陽極質(zhì)量隨管道尺寸變化曲線

由圖5可知，隨著陽極長度增加，陽極間距也增加，因?yàn)殛枠O使變長陽極質(zhì)量增加，單個(gè)陽極能提供的電流增加，能保護(hù)的管道長度也隨之增加。

圖5 陽極間距隨陽極長度變化曲線

由圖6可知，隨著陽極長度的增加，相同長度管道上所需陽極數(shù)量減少，這是因?yàn)殛枠O變長使得陽極質(zhì)量增加，單個(gè)陽極所能提供電流增加，管道的保護(hù)長度增加，致使陽極所需個(gè)數(shù)減少。

圖6 陽極數(shù)量隨陽極長度變化曲線

3.2.2 數(shù)值仿真驗(yàn)算

為了進(jìn)一步證實(shí)基于規(guī)范編寫的程序計(jì)算正確且設(shè)計(jì)合理，需要對上述方案進(jìn)行犧牲陽極陰極保護(hù)下管道電位分布數(shù)值仿真驗(yàn)算。

選擇相同管道尺寸下的最大與最小陽極長度方案進(jìn)行模擬計(jì)算，分析模型和模擬結(jié)果如圖7所示。六組方案的模擬計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 數(shù)值模擬結(jié)果

圖7 數(shù)值仿真結(jié)果云圖（云圖電位取絕對值）

由表5可知所有方案都滿足設(shè)計(jì)保護(hù)要求（即模擬得到的最大電位小于裸鋼的保護(hù)電位-0.8V，且數(shù)值越接近-0.8V說明陽極利用越充分）。但在保證安全的前提下，電位過低又會(huì)導(dǎo)致管道過保護(hù)以及陽極浪費(fèi)，所以在滿足陰極保護(hù)的前提下可以適當(dāng)減小陽極尺寸或者增大管道尺寸。

3.2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

由上述分析可知，九組方案都滿足陰極保護(hù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)得到的陽極數(shù)量以及陽極間距都能保證對海底管道在設(shè)計(jì)壽命期間能受到良好保護(hù)。但綜合考慮海底管道的輸運(yùn)能力以及陽極數(shù)制造成本，考慮陽極對電流的保護(hù)效益以及陽極利用率，可以選擇方案九作為最優(yōu)方案，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表6所示。

表6 設(shè)計(jì)結(jié)果

最終確定的該管道直徑為0.8m、管道厚度為0.02m，分別是設(shè)計(jì)方案中的管道直徑最大值與管道厚度最小值，具有最大的橫截面積，因而其油氣輸送量最大，且在能保證安全防護(hù)下盡可能減少管道鋼材用料；同時(shí)由數(shù)值模擬后可知，該設(shè)計(jì)得到的保護(hù)最小電位為0.821V，與最佳保護(hù)閥值0.8V最接近，陽極利用率最高。

4 結(jié)語

本文通過對海底管道腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)方法研究，加深了對海底管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中“管道-環(huán)境-陽極”三者的關(guān)系。犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)既要滿足環(huán)境腐蝕條件的要求，還要考慮犧牲陽極利用率和陽極安裝的工程量。

本文基于C#語言開發(fā)了陰極保護(hù)設(shè)計(jì)程序，可提高海底管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)效率。本文通過海底管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)程序?qū)δ虾Ｄ秤蜌馓锖５坠艿肋M(jìn)行了陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，并利用基于邊界元法的陰極保護(hù)數(shù)值仿真軟件對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)算，表明由設(shè)計(jì)程序得到的設(shè)計(jì)方案是合理的，并通過本研究，得到下述結(jié)論：

（1）隨著海底管道外徑的增大，單位長度管道所需犧牲陽極質(zhì)量和陽極數(shù)量增加；

（2）隨著陽極尺寸的增加，其所能提供的保護(hù)電流增加，單個(gè)陽極所能保護(hù)的距離增大，從而所需的陽極總數(shù)量減少；

（3）對于陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)相近的方案，若采用小尺寸的犧牲陽極，可以使保護(hù)電位分布更加均勻，但會(huì)使得陽極數(shù)量增多，增大陽極安裝的工程量；若采用大尺寸的犧牲陽極，可以減少陽極數(shù)量，但會(huì)增加陽極總質(zhì)量并使得保護(hù)電位分布的均勻性降低。

因而，要充分考慮海底管道陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的綜合效益，即既要使得保護(hù)電位在合理的區(qū)間，又要盡量提高保護(hù)電位的均勻性，同時(shí)還應(yīng)盡量減小陽極施工的工程量。