基于數(shù)值模擬的海上平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)研究

余曉毅，趙赫，常煒，宋世德，黃一

（1.中海油研究總院，北京 100027；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

基于數(shù)值模擬的海上平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)研究

余曉毅1，趙赫2，常煒1，宋世德2，黃一2

（1.中海油研究總院，北京 100027；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

目的確認(rèn)海上平臺(tái)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)維修方案的可行性。

海洋平臺(tái)；外加電流陰極保護(hù)；腐蝕防護(hù)；耦合系統(tǒng)

在20世紀(jì)70，80年代，我國(guó)開(kāi)始自主設(shè)計(jì)并建造各類(lèi)海洋平臺(tái)，現(xiàn)有各類(lèi)海洋平臺(tái)數(shù)量已達(dá)到200多座[1—3]，其中95%以上為固定式鋼制平臺(tái)。由于海洋平臺(tái)所處的環(huán)境惡劣，在多種物理、化學(xué)因素作用下時(shí)常發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與破壞，為了確保海洋平臺(tái)在其服役期間的安全性，應(yīng)采取相應(yīng)的腐蝕防護(hù)措施[4—6]，陰極保護(hù)方法為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)提供了有效的腐蝕防護(hù)手段。常用的陰極保護(hù)方法有犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)兩種。

犧牲陽(yáng)極保護(hù)法具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、后期維護(hù)少、過(guò)保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)[7]，為眾多海洋平臺(tái)所采用，但同時(shí)也帶來(lái)了平臺(tái)結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加、環(huán)境污染、延壽成本高等問(wèn)題。外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好、工作狀態(tài)可適應(yīng)性調(diào)控等多方面優(yōu)點(diǎn)[8]，無(wú)論是新建海洋平臺(tái)還是現(xiàn)役海洋平臺(tái)，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)越來(lái)越受到重視。由于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)外加電流陰極保護(hù)（ICCP）技術(shù)系統(tǒng)集成化程度要求比較高，因此相應(yīng)的研究也比較少?，F(xiàn)役平臺(tái)延壽用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要可分為拉伸式和遠(yuǎn)地式兩種，拉伸式ICCP系統(tǒng)的輔助陽(yáng)極一般位于平臺(tái)內(nèi)部，在水中垂直分布；遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)的輔助陽(yáng)極一般集中位于遠(yuǎn)離平臺(tái)的位置。數(shù)值模擬是評(píng)估陰極保護(hù)效果的有效方法[9—10]，因此文中主要針對(duì)海上某平臺(tái)開(kāi)展兩種外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)耦合工況的數(shù)值模擬計(jì)算，分析確認(rèn)兩種外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)耦合工況對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)的有效性。

1 系統(tǒng)原理及布置

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由整流器（電源）、多路控制系統(tǒng)、輔助陽(yáng)極組成。遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)的輔助陽(yáng)極安裝于導(dǎo)管架平臺(tái)外，其布置如圖1所示（Retrobuoy2）。拉伸式ICCP系統(tǒng)（vertical tension anode ICCP system，VTA）的輔助陽(yáng)極張緊懸掛于導(dǎo)管架內(nèi)部，共2套，其布置如圖2所示（VTA #A與#B）。

圖1 遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)布置

圖2 拉伸式ICCP系統(tǒng)布置

2 陰極保護(hù)系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法

2.1 模擬計(jì)算工況

海洋平臺(tái)陰極保護(hù)的技術(shù)指標(biāo)如下：依據(jù)DNV-RP-B401規(guī)范[11]，采用陰極保護(hù)電位（相對(duì)于Ag/AgCl參比電極，下同）范圍為-800 ～ -1100 mV，以避免過(guò)保護(hù)和欠保護(hù)。

距離目標(biāo)平臺(tái)位置約70 m處有一套遠(yuǎn)地式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)為導(dǎo)管架提供保護(hù)。根據(jù)海洋平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)信息可以判斷，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)表面目前處于良好的極化狀態(tài)，導(dǎo)管架所需保護(hù)電流約500 A。在該研究中，針對(duì)兩種工況開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算：新增拉伸式ICCP系統(tǒng)和一套遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)同時(shí)工作；新增拉伸式ICCP系統(tǒng)獨(dú)立工作。

根據(jù)目標(biāo)平臺(tái)目前及末期保護(hù)電流要求，數(shù)值模擬計(jì)算所采用的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的額定輸出電流見(jiàn)表1。

表1 目標(biāo)平臺(tái)外加電流系統(tǒng)的額定輸出電流

每套新增拉伸式ICCP系統(tǒng)設(shè)置12個(gè)輔助陽(yáng)極。

2.2 外加電流陰極保護(hù)數(shù)值模擬

外加電流陰極保護(hù)數(shù)值模擬采用邊界元法[12]，陰極保護(hù)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型包括域內(nèi)控制方程和對(duì)應(yīng)的邊界條件。針對(duì)陰極保護(hù)問(wèn)題特點(diǎn)，建立數(shù)值模型時(shí)提出以下假設(shè)：電解質(zhì)在所研究區(qū)域內(nèi)是均勻的；系統(tǒng)狀態(tài)不隨時(shí)間而變化，處于穩(wěn)態(tài)。

在滿足上述假設(shè)情況下，電解質(zhì)中存在場(chǎng)源時(shí)，可得到如式（1）所示的泊松方程。

通常假設(shè)電解質(zhì)區(qū)域有以下三類(lèi)邊界條件：邊界上的電位已知、邊界上的電流密度已知以及邊界上的電位和電流密度之間的關(guān)系已知。電解質(zhì)區(qū)域聯(lián)合邊界條件的數(shù)學(xué)表達(dá)如式（2）所示。

通過(guò)加權(quán)殘差理論和格林定理，由式（1）和式（2）所描述的邊值數(shù)理問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榈葍r(jià)的邊界積分方程，如式（3）所示。

在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，電極表面電流密度q和輔助陽(yáng)極發(fā)出電流Ik的平衡條件如式（4）所示。

利用邊界元法形成離散化的邊界積分方程組，如式（5）所示。

在邊界條件為材料極化曲線描述的邊界上，φ和q之間的關(guān)系是非線性的。為了有效地求解這個(gè)非線性方程組，可采用分段擬線性方法來(lái)處理非線性邊界條件。

依據(jù)邊界元法，大連理工大學(xué)黃一等人自主研發(fā)了邊界元陰極保護(hù)數(shù)值仿真軟件[12—13]。依此進(jìn)行文中陰極保護(hù)數(shù)值仿真，對(duì)目標(biāo)導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行邊界元建模，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)管架平臺(tái)邊界元建模

3 結(jié)果與分析

3.1 遠(yuǎn)地式和新增拉伸式ICCP系統(tǒng)耦合工況

該導(dǎo)管架所處海域?yàn)橹袊?guó)南海，數(shù)值模擬的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要參數(shù)

針對(duì)上述工況一，即遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)與新增拉伸式ICCP系統(tǒng)耦合工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)調(diào)整新增拉伸式ICCP系統(tǒng)中每個(gè)輔助陽(yáng)極的釋放電流，得到最佳保護(hù)狀態(tài)下該平臺(tái)結(jié)構(gòu)的保護(hù)電位分布，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)與新增拉伸式ICCP系統(tǒng)耦合工況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)表面保護(hù)電位分布

系統(tǒng)耦合工況數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)表面的保護(hù)電位處于－905 ～ －1089 mV范圍，因而平臺(tái)結(jié)構(gòu)處于良好保護(hù)狀態(tài)，滿足相關(guān)規(guī)范[12]的要求，且是推薦的優(yōu)良保護(hù)電位范圍（比－900 mV更負(fù)）。計(jì)算結(jié)果中，兩套新增拉伸式ICCP系統(tǒng)輸出電流均為187 A，遠(yuǎn)地式外加電流系統(tǒng)輸出電流100 A，總輸出電流為474 A。

每套新增拉伸式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置12個(gè)輔助陽(yáng)極。由以上計(jì)算結(jié)果可知，在耦合工況下，單個(gè)輔助陽(yáng)極僅需輸出電流16 A即可滿足陰極保護(hù)的要求。

3.2 新增拉伸式ICCP系統(tǒng)單獨(dú)工況

當(dāng)遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)失效時(shí)，將進(jìn)入新增拉伸式ICCP系統(tǒng)獨(dú)立工況，針對(duì)該工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)調(diào)整每個(gè)輔助陽(yáng)極的釋放電流，得到最佳保護(hù)狀態(tài)下該平臺(tái)結(jié)構(gòu)的保護(hù)電位分布，如圖5所示。

圖5 新增拉伸式ICCP系統(tǒng)獨(dú)立工況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)表面保護(hù)電位分布

新增兩套拉伸式ICCP系統(tǒng)獨(dú)立工況數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)表面的保護(hù)電位處于－856 ～－1079 mV范圍，滿足相關(guān)規(guī)范[12]的要求。此時(shí)計(jì)算結(jié)果中新增兩套拉伸式ICCP系統(tǒng)輸出電流均為220 A，總輸出電流為440 A。在新增拉伸式ICCP系統(tǒng)獨(dú)立工況下，單個(gè)輔助陽(yáng)極僅需輸出電流19 A即可滿足陰極保護(hù)的要求。

4 結(jié)論

針對(duì)某海上平臺(tái)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)維修工程，開(kāi)展了遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)和新增拉伸式ICCP系統(tǒng)耦合工況以及新增ICCP系統(tǒng)獨(dú)立工況共兩種工況的數(shù)值模擬計(jì)算，確認(rèn)了某海上平臺(tái)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)維修方案的可行性，具體結(jié)論如下。

1）在目前一套遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)的情況下，可采用遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)和新增拉伸式ICCP系統(tǒng)耦合工況實(shí)現(xiàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)良的陰極保護(hù)。

2）當(dāng)遠(yuǎn)地式ICCP系統(tǒng)失效時(shí)，僅憑新增的兩套拉伸式ICCP系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的陰極保護(hù)效果。

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Technical Research on Cathode Protection System of Offshore Platform Based on Numerical Simulations

YU Xiao-yi1, ZHAO He2, CHANG Wei1, SONG Shi-de2, HUANG Yi2
(1.China National Offshore Oil Corporation Research Center, Beijing 100027, China; 2.Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

ObjectiveTo confirm the feasibility of maintenance scheme for Impressed Current Cathodic Protection (ICCP) of offshore platform.MethodsThe protection effectiveness of ICCP under two working conditions was compared and analyzed by numerical simulation computation.ResultsThe protective potential distribution of the platform structure was obtained when the ICCP was in the best protection state under the two working conditions.ConclusionWhen the remote type ICCP system is invalid, the maintenance scheme can provide cathodic protection well by adding two sets of tension type ICCP systems.

offshore platform; impressed current catholic protection; corrosion prevention; coupling system

10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.016

TJ07；TG174

A

1672-9242(2017)02-0081-04

2017-01-18；

2017-02-10

十三五國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)子任務(wù)（2016ZX05057012）

余曉毅（1986—），男，碩士，防腐工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ谭栏O(shè)計(jì)。

方法開(kāi)展兩種工況下外加電流陰極保護(hù)作用效果的數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比分析兩種工況下外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)的有效性。

結(jié)果得到兩種工況下陰極保護(hù)系統(tǒng)處于最佳保護(hù)狀態(tài)時(shí)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的保護(hù)電位分布云圖。結(jié)論當(dāng)遠(yuǎn)地式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)失效時(shí)，通過(guò)新增兩套拉伸式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的陰極保護(hù)效果。