基于數值模擬計算的腐蝕防護狀態評估方法

楊璐嘉,鐘文軍,曹亞洲,劉福國,宋世德,黃 一

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

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應用技術

基于數值模擬計算的腐蝕防護狀態評估方法

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，大連 116023； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對深水鋪管起重船提出了一種基于數值模擬計算的腐蝕防護狀態評估方法。該方法首先利用數值模擬計算形成腐蝕防護狀態評估矩陣，然后用水下結構外表面監測點的電位以及腐蝕防護狀態評估矩陣對水下結構整體腐蝕防護狀態進行評估，并通過三維可視化方法顯示保護電位分布云圖;在試驗室條件下通過縮比模型試驗對此方法進行了驗證。結果表明:基于數值模擬計算的腐蝕防護狀態評估方法可以準確評估水下結構外表面的腐蝕防護狀態;同時可以通過三維保護電位分布云圖直觀地顯示半潛鋪管船腐蝕防護的薄弱區域。

腐蝕防護；腐蝕評估；數值模擬；陰極保護

船舶及海洋結構物通常采用防腐蝕涂層和陰極保護并用的復合方法進行腐蝕防護[1]。在復合防腐系統保護下，水下結構的腐蝕防護狀態主要由保護電位、保護電流密度、陽極電流和陽極電壓等參數來表征[2]，其中保護電位可以直觀地表示水下結構外表面的腐蝕防護狀態。目前，保護電位評估方法大多是以安裝在船舶及海洋結構關鍵部位的參比電極的監測值直接對腐蝕防護狀態進行評估[3-4]。水下結構角隅處及近螺旋槳的船底處等位置由于屏蔽效應[5]，表面保護電位偏低，更易腐蝕，然而受現有施工條件的限制,無法在上述位置安裝參比電極，導致該區域成為腐蝕防護狀態無法評估的薄弱區域。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行測量作業來解決，但是易引入偶然誤差且費用昂貴，目前大部分船舶及海洋結構已經不采用此方法。

數值模擬計算作為現代設計方法的基礎已經成功應用在許多船舶及海洋結構腐蝕防護系統優化設計上[6]，然而將其應用在船舶及海洋結構腐蝕防護狀態評估方面的報道較少。本工作基于數值模擬計算提出了一種船舶及海洋結構腐蝕防護狀態的間接評估方法。該方法首先利用數值模擬計算得到水下結構腐蝕防護狀態評估矩陣，然后利用腐蝕防護狀態評估矩陣以及預置在水下結構上參比電極實測的保護電位評估水下結構的腐蝕防護狀態。并利用某深水半潛式起重鋪管船縮比模型,通過試驗驗證該評估方法的準確性,以及該方法對水下結構腐蝕防護薄弱區域評估的全面性。

1　腐蝕防護狀態評估方法

該方法主要包含兩個部分:建立腐蝕防護狀態評估矩陣以及評估結果可視化。

1.1建立腐蝕防護狀態評估矩陣

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、節點編號以及坐標信息。根據不同海況利用數值模擬軟件計算不同時間段內深水鋪管起重船水下結構的腐蝕防護狀態[7-8]，得到腐蝕防護狀態文件如圖2所示，包括邊界元模型上各個三角形單元節點的坐標信息和保護電位信息，進而形成腐蝕狀態數據庫。

根據各監測點的空間坐標判斷其是否和邊界元模型三角形單元的節點重合。若重合則直接在腐蝕

狀態數據庫中提取節點的電位信息作為監測點電位的參考值;若不重合則在腐蝕狀態數據庫中提取各監測點所在三角形單元節點的坐標信息以及電位信息,然后根據節點的坐標信息以及電位信息，使用面積坐標下的線性插值方法計算得出監測點保護電位的參考值。面積坐標下的線性插值方法可以簡化為:已知三角形三點A(xa,ya),B(xb,yb),C(xc,yc)的坐標和保護電位φa,φb,φc,求三角形內一點E(xe,ye)的保護電位φe，如圖3所示。

面積坐標下，E點的位置可以表示為[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點的面積坐標。

在直角坐標系oxy，三角形ABE的面積Si可表示為：

(2)

(3)

由于在均勻電場中，某一點的電位只和該點位置坐標有關，因此在面積坐標系下E點電位為:

(4)

另外，電場與距離成線性關系，因此設:

(5)

式中:m,n,c,M,N,C均為常數。

將A，B，C三點面積坐標以及電位代入上式，可得:

(6)

求解上述方程可得:M=φc-φa，N=φc-φa，C=φa。

因此可以求出評估點E的保護電位參考值為:

(7)

將各監測點的保護電位參考值形成M×N矩陣，即為腐蝕防護狀態評估矩陣。其中M表示腐蝕防護狀態文件的數量，N表示水下結構預置參比電極的數量，即監測點數量。

1.2評估水下結構外表面的腐蝕防護狀態

將實測的保護電位形成一個N維向量，N表示水下結構預置參比電極的數量。

進而提出評估因子Ef，用于表征評估結果的失真性。Ef,m反映了腐蝕防護狀態評估矩陣中第m行各監測點的電位參考值與實測值的均方根。其值越小，表明第m行電位參考值所對應的腐蝕防護狀態文件越接近真實情況。

最后利用三維可視化技術將最接近真實情況的腐蝕防護狀態文件中各節點的電位信息以三維保護電位分布云圖的形式進行顯示，見圖4。

2　縮比模型試驗

為了驗證本文提出的方法的準確性以及對腐蝕防護薄弱區域評估的全面性，在試驗室條件下利用某深水鋪管起重船縮比模型進行了試驗。

2.1縮比模型

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

2.2復合腐蝕防護系統

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%。輔助陽極材料為鈦基金屬氧化物，將22個截面直徑為5 mm的柱形陽極封裝后按照陰極保護系統設計方案進行布置，如圖5所示。其中圓形陰影區域的中心即為輔助陽極布置點。陰極保護系統電源采用PPS3205可編程直流電源。

2.3腐蝕防護狀態評估系統

為了評估水下結構外表面保護電位，需要在水下結構監測點處安裝參比電極。本試驗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稱結構，因此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,進而判斷測量數據的準確性。1～13號參比電極布置在右側浮體上，14～16號參比電極布置在左側浮體上，具體布置位置如圖6所示。

2.4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。待監測數值穩定后，首先提取評估結果中各監測點的電位，并同實際測量值進行比較，然后用傳統的直接法即直接利用參比電極測量數據的評估方法，以及本工作提出的評估方法對腐蝕防護最薄弱區域進行了評估，并對評估結果進行了對比。

3　結果與討論

由表1可見，監測點電位實測結果和評估結果的差值在-2.43%～1.99%，說明本工作提出的評估方法可以準確地反應半潛鋪管水縮比模型水下結構外表面的腐蝕防護狀態。

表1　監測點電位的實測結果與評估結果比較

圖7所示為利用本文提出的評估方法對縮比模型水下結構外表面腐蝕防護狀態的評估結果，從電位分布云圖上可以直觀得到水下結構整體的保護電位分布情況,并可以讀出任意節點的保護電位。

通過基于數值模擬計算的評估方法評估水下結構外表面腐蝕防護狀態的結果顯示，電位最低點位于螺旋槳附近的A點，如圖8所示，該點電位為775 mV。用參比電極監測的數據顯示，最低電位出現在B點，為796 mV。使用便攜式參比電極對水下結構外表面電位進行測量時發現，在C點處水下結構外表面電位最低，為770 mV。這說明利用基于數值模擬計算的方法得到的腐蝕防護最薄弱點的評估結果更接近真實值；而受施工條件的限制，參比電極不能安裝在腐蝕防護最薄弱的區域，因此，傳統的直接法不能真實地反應水下結構腐蝕防護最薄弱區域的狀態。

4　結論

基于數值模擬計算的腐蝕防護狀態評估方法可以準確地評估水下結構外表面的腐蝕防護狀態，形成保護電位云圖，直觀地顯示水下結構上任意節點的腐蝕防護信息，為及時調整外加電流陰極保護系統輸出電流提供依據。

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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

TG174

A

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