基于數值模擬計算的鋪管船陰極保護系統設計

楊璐嘉，鐘文軍，曹亞洲，劉福國，宋世德，黃 一

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

基于數值模擬計算的鋪管船陰極保護系統設計

楊璐嘉1，鐘文軍2，曹亞洲1，劉福國2，宋世德1，黃 一1

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

在全壽命期內，鋪管船水下結構腐蝕防護狀態處于動態過程。因此，依據實際情況設計腐蝕防護方案十分必要。采用數值模擬計算方法預報腐蝕防護狀態，并通過縮比模型試驗驗證了此方法的準確性。在此基礎上設計了兩種腐蝕防護方案：“單純外加電流陰極保護”和“外加電流+犧牲陽極輔助的聯合陰極保護”。并通過數值模擬計算預報了兩種方案下的腐蝕防護狀態。經過對比發現，使用“外加電流+犧牲陽極輔助的聯合陰極保護”時，表面電位分布更均勻，陽極屏面積及電源功率都有較明顯的減小，水下結構處于更為良好的腐蝕防護狀態。

數值模擬；陰極保護；縮比模型試驗；外加電流；犧牲陽極

目前船舶及海洋結構物通常采用的是防腐蝕涂層和陰極保護（犧牲陽極或外加電流）并用的復合防腐蝕方法進行腐蝕防護［1-5］。而在實際應用中，隨著時間的推移，一方面防腐蝕涂層出現老化和局部破損，導致需要的保護電流增大［6-7］，另一方面犧牲陽極消耗使得體積減小，導致犧牲陽極提供保護電流的能力減弱。因而隨著時間的推移，基于防腐蝕涂層和犧牲陽極并用的復合防腐蝕系統的功能趨于弱化。這時為了使遠離輔助陽極的結構表面區域處于有效保護狀態，需要提供過多的保護電流，從而導致外加電源裝置輸出更大的功率、消耗大量額外的能量，也需要相應地增大輔助陽極周圍陽極屏的面積。數值模擬計算作為現代設計方法的基礎已經成功應用在船舶及海洋結構物腐蝕防護系統優化設計上［8-11］。本工作通過縮比模型試驗驗證數值模擬計算預報水下結構外表面腐蝕防護狀態的準確性，然后利用數值模擬計算，確立某深水鋪管起重船設計保護周期內的腐蝕防護優化方案。

1 數值模擬計算

1.1 數學模型

船體陰極保護問題的數學模型可以歸結為描述海水電解質區域內電位狀態和電流矢量狀態的數學方程（域內控制方程）、描述全部邊界上電位狀態和電流狀態的數學方程（邊界條件）［12-13］。

1.2 控制方程

在海水電解質區域內，船體陰極保護系統產生的電場中的電位和電流密度滿足方程：

當陰極保護系統產生的電場達到平衡狀態時，可以得到域內控制方程：

1.3 邊界積分方程

將格林第二公式應用于陰極保護電位分布函數Ф，可以得到域內積分方程：

在邊界上，對域內積分方程進行處理，可以得到邊界積分方程：

式中，Ci為形狀系數，由物理模型中的邊界幾何形狀決定。

1.4 邊界離散方程

將方程（4）在邊界上進行離散可得到形如式（5）的線性方程組：

式中，H和G 為系數矩陣。

1.5 邊界條件

船舶水下濕表面防腐蝕涂層完好部位S1和海面邊界Sw應滿足垂直于邊界方向的電流密度為“0”；涂層損傷部位S2的電位狀態和電流狀態之間的關系滿足極化曲線［14］：

輔助陽極部位S3的電位狀態和電流狀態之間的關系滿足極化曲線：

距離船體足夠遠處S∞的電位為常數，電流密度為“0”。

綜上所述，船體陰極保護問題的邊界條件如方程（8）：

將式（8）中的邊界條件代入公式（5），進行求解即可得到邊界上各節點的電位值和法向電流密度。

2 縮比模型試驗

2.1 模型介紹

試驗用物理模型為圖1所示的深水鋪管起重船1/120縮比模型，長、寬、吃水分別為 1.88m、0.75m和0.30m。

圖1 深水鋪管起重船1/120縮比模型Fig.1 1/120 scale model of the pipe laying vessel

船殼材料為2.5mm厚低碳鋼。參考實船的涂裝方案，采用1道富鋅底漆及3道環氧樹脂面漆對模型進行噴涂，通過涂層破損率試驗測定初始表面涂層破損率約為0.67%。試驗水池尺寸為2.52m× 1.85m×1.50m，根據相似理論［15-16］，相應地將水池中的人工海水電導率縮小為333μS/cm。

2.2 電極介紹

輔助陽極材料為鈦基金屬氧化物，將截面直徑為5mm的柱狀陽極封裝后安裝在縮比模型上，每個浮體的兩舷側各布置4個，每個浮體的兩立柱間各布置1個，共22個，如圖2所示。

參比電極材料為粉壓式Ag/AgCl固體。由于該模型為左右對稱結構，因此根據數值模擬計算結果將參比電極主要布置在其中一個浮體上，在另一側的浮體上布置少數參比電極用于對照并判斷測量數據的準確性。1號～13號參比電極布置在左側浮體上，14～16號參比電極布置在右側浮體上，具體布置位置滿足規范［17］要求，如圖3所示。

圖2 外加電流陰極保護系統輔助陽極布置示意圖Fig.2 Diagram of the auxiliary anode arrangement in impressed current cathodic protection system

圖3 縮比模型參比電極布置示意圖Fig.3 Diagram of the reference anode arrangement on the scale model

2.3 試驗方法

將模型放入水池中，分別連接外加電流陰極保護回路，保護電位監測回路以及恒壓源輸出電流控制回路，如圖4所示。待水下結構外表面保護電位監測值穩定后，記錄各個監測點測得的保護電位值。

圖4 縮比模型試驗Fig.4 Scale model test in the laboratory

3 陰極保護設計

基于數值模擬計算，對深水鋪管起重船水下結構進行陰極保護系統設計，分別使用“單純外加電流陰極保護”以及“外加電流+犧牲陽極輔助的聯合陰極保護”兩種方案。

3.1 單純外加電流陰極保護

由于深水鋪管起重船水下結構較為復雜，因此不同區域需要的電流密度相差較大。在設計中按照水下結構外表面的復雜程度，將水下結構外表面分成兩個區域［18］。橫撐附近的區域為1號區域，布置6個輔助陽極，由1號電源供電。其余為2號區域，布置16個輔助陽極，由2號電源進行供電。

3.2 外加電流+犧牲陽極輔助的聯合陰極保護

外加電流系統采用22塊輔助陽極，覆蓋區域為深水鋪管起重船水下結構外表面主體區域，包括浮體、立柱以及橫撐等，如圖5所示。犧牲陽極系統采用44塊犧牲陽極，覆蓋區域為橫撐與立柱連接的角隅處、螺旋槳附近的船體區域等，如圖6所示。

圖5 聯合陰極保護系統輔助陽極布置示意圖Fig.5 Diagram of the auxiliary anode arrangement of joint cathodic protection system

圖6 聯合陰極保護系統輔助陽極布置示意圖Fig.6 Diagram of the sacrificial anode arrangement of joint cathodic protection system

4 結果及討論

在施加外加電流陰極保護時，縮比模型水下結構外表面電位分布情況數值模擬計算結果如圖7所示。

縮比模型試驗結果與數值模擬計算結果見表1。1號、4號和16號三個監測點的試驗測量結果與數值模擬計算結果差值較大，這是由于這三個監測點處于撐管附近的區域，撐管焊接在主船體上時致使焊趾處表面不光滑，導致了實測保護電位偏低，其余測量點差值都小于20 mV。說明數值模擬計算可以實現對水下結構腐蝕防護狀態的準確預報。

圖7 縮比模型水下結構外表面保護電位分布云圖Fig.7 Protective potential distribution of the submerged structure

表1 試驗結果與數值模擬計算結果比較Tab.1 Comparison between the numerical simulation results and the test results mV

使用“單純外加電流陰極保護”5 a時，數值模擬計算得到的保護電位分布云圖如圖8所示，深水鋪管起重船水下結構外表面電位范圍為 808～1 058 mV，平均保護電流密度為11.09 mA/m2，總保護電流為421.19 A，其中由電源1提供158 A，由電源2提供263 A。電源電壓為3.33 V和2.75 V，電源有效功率分別為526 W 和723 W，陽極屏總面積為6 021m2。

圖8 單純外加電流陰極保護5年時的數值計算結果Fig.8 Numerical simulation results for the submerged structure corrosion protection status（5 years）

圖9 聯合陰極保護5年時的數值計算結果Fig.9 Numerical simulation results for the submerged structure corrosion protection status（5 years）

使用“外加電流+犧牲陽極輔助的聯合陰極保護”5 a時，數值模擬計算得到的保護電位分布云圖如圖9所示，深水鋪管起重船水下結構外表面電位范圍為803～1 119m V，平均保護電流密度為10.68 mA/m2，總保護電流為364.60 A，其中由電源1提供121 A，由電源2提供169 A，犧牲陽極提供74 A。外加電流系統的電源電壓為3.20 V和2.42 V，電源1有效功率為388 W，電源2有效功率為409 W，陽極屏總面積4 420m2。

使用“單純外加電流陰極保護”時，由于吸收效應導致橫撐角隅處以及螺旋槳附近電位偏低［19-20］，因此需要提高電源電壓以使水下結構整體電位處于陰極保護范圍，這樣就導致電源輸出功率提高、保護電位分布不均勻、陽極屏面積增大。使用“外加電流+犧牲陽極輔助的聯合陰極保護”時，在受吸收效應影響的區域布置犧牲陽極以提高局部表面電位，從而減小了電源功率，也使得表面電位更均勻，陽極屏面積更小。

5 結論

（1）數值模擬計算方法可以實現對水下結構腐蝕防護狀態的準確預報。

（2）采用“單純外加電流陰極保護”方案時，水下結構外表面保護電位不均勻。

（3）比較兩種陰極保護方式，采用“外加電流+犧牲陽極輔助的聯合陰極保護”時，可以有效解決使用“單純外加電流陰極保護”時，表面電位分布不均勻，陽極屏面積及電源功率過大的問題。

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Cathodic Protection Design of a Pipe Laying Vessel Eased on Numerical Simulation

YANG Lu-jia1，ZHONG Wen-jun2，CAO Ya-zhou1，LIU Fu-guo2，SONG Shi-de1，HUANG Yi1
（1.School of Naval Architecture，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China；2.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China）

Corrosion protection status of the pipe laying vessel underwater structure is under a dynamic process in the lifecycle.Thus，it is necessary to design the corrosion protection program according to the practical situation.In this paper，numerical simulation method was used to predict the corrosion protection status and the accuracy of the method was evaluated by the scale model test.Then two cathodic protection plans were considered，which were“impressed current cathodic protection”and“sacrificial anode and impressed current joint cathodic protection”.The corrosion protection status was predicted by the numerical simulation for these two protection plans.After comparison it was found that the application of“sacrificial anode and impressed current joint cathodic protection”enhanced the uniformity of potential distribution.The area of the anode shield and the power of two DC electrical sources were reduced by a large margin.All the submerged structures were in good protection.

numerical simulation；cathodic protection；scale model test；impressed current；sacrificial anode

TG174.41

A

1005-748X（2015）11-1072-05

10.11973/fsyfh-201511013

2015-07-14

國家科技重大專項（2011ZX05027-002）

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