深海阴极保护过程研究及其在温跃层环境下数学模型的建立

摘要

随着国民经济的迅速发展,陆上及浅海石油资源日趋枯竭,海洋石油开采范围日益扩大。因此,深海石油开发已经成为石油工业的重要前沿阵地。因深海工程造价昂贵,维护费用高,作业风险大,所以在这种新环境下,海洋工程中广泛使用的钢铁构筑物的防腐蚀控制就显得尤为重要。而作为一种常用的防腐蚀方法,阴极保护对深海钢铁构筑的防腐蚀控制依然非常有效。目前,针对浅海的阴极保护规范已经非常成熟,然而深海环境下的阴极保护设计规范依然不甚明确。因此有必要对深海阴极保护过程进行研究,并对阴极保护设计进行优化,从而在兼顾到经济性的同时,达到安全系数最大及重量最小的要求。
　　(1)本文采用了单因素实验方法,研究了Q235碳钢试样在不同海水温度、溶解氧(DO)、流速及静水压力下的恒电流阴极保护过程,对阴极保护后的试样进行了电化学阻抗谱(EIS)及线性极化(LPR)分析,得到了阴极保护后试样的电化学特性,提出了保护因子(Protection factor, Fp)概念,对试样表面的阴极保护产物钙质沉积层的保护性能进行了定量表征。另外,采用表面分析技术,包括扫描电子显微镜(SEM)、能量色散 X衍射谱(EDX)及 X射线衍射(XRD),对生成的钙质沉积层进行了形貌观察、元素分析和晶体结构鉴定。
　　温度对阴极保护过程的影响实验表明,钙质沉积层的保护性能随温度升高而呈指数增长。在15-20℃之间,沉积层中碳酸钙的晶型会发生变化。当温度高于20℃时,碳酸钙主要以文石形态存在,当低于15℃时,碳酸钙主要以方解石形态存在。随温度升高,沉积层中钙含量升高。溶解氧的影响实验表明,钙质沉积层的沉积速度随着溶解氧浓度的降低而加快。在较低溶解氧浓度下的阴极反应在极化初期迅速由吸氧反应转变为析氢反应,受此影响,沉积层的保护性能有所减弱。流速的影响实验表明,海水流动状态下的保护电位呈现出两次下降过程,分别对应着两种晶体的沉积过程。沉积层的保护性能随流速增大而呈指数降低。因碳酸钙晶体粒径较氢氧化镁大,导致其在高流速下较难沉积在试样表面,所以沉积层中碳酸钙含量随流速增加而减少。静水压力的影响实验表明,保护电位的变化受压力的影响较小,但是钙质沉积层的保护性能随着压力增加先升高后降低,在2 Mpa时沉积层的保护性能最好。随着压力增加,沉积层中钙含量逐渐减少。压力高于5 MPa时,因镁离子参与到碳酸钙的沉积过程,占据了部分钙的晶格位置,导致含镁方解石(Ca,Mg)CO3晶体的出现。
　　(2)深海石油开发中,海洋输油管线从浅海铺设到深海时会穿越海洋温跃层这种不均匀的介质环境,从而对整条海管的阴极保护电位及电流分布产生影响。为了对穿越深海温跃层环境的海管阴极保护系统进行优化设计,本文采用了数值模型的方法,建立相应的温跃层物理模型和有限元数学模型(FEM)。采用了相应的边界条件对物理模型中的跃层界面进行了描述。为了解决阴极保护过程中钙质沉积层的覆盖对阴极极化曲线造成的影响,采用了一个基于欧姆定律的动态边界条件。对比温跃层有限元模型计算结果和实验室模拟实验结果,两者具有很好的一致性,说明建立的数值模型是合理可靠的。
　　通过对温跃层数值模型的有限元分析,研究了不同阳极位置和个数时,海管表面的阴极保护电位分布。结果表明:单个阳极保护的情况下,当阳极位于跃层区(76.1 cm)时的阴极保护效果最好,并且在阴极保护初期的60 h内,海管的保护电位最正值达到了-0.8 V(vs. Ag/AgCl);两个阳极时,阳极分别位于跃层区和深层区时的阴极保护效果最好;三个阳极时,在保护60 h后海管的保护电位已经负于两个阳极保护120 h后的保护电位值。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 海洋工程的防腐蚀技术

1.3 深海阴极保护技术研究进展[76]

1.4 阴极保护优化技术

1.5 本文研究意义及内容

第二章 实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验装置及过程

2.3 实验分析方法

第三章 深海阴极保护过程研究

3.1 引言

3.2 温度对阴极保护过程的影响

3.3 溶解氧对阴极保护过程的影响

3.4流速对阴极保护过程的影响

3.5 压力对阴极保护过程的影响

第四章 深海温跃层环境下海管阴极保护数学模型的建立

4.1 引言

4.2温跃层环境下海管阴极保护系统物理模型的建立

4.3 温跃层环境下海管阴极保护系统有限元数学模型的建立

4.4 计算结果及误差分析

4.5 模型应用

4.6小结

第五章 结 论

5.1 本文主要结论

5.2 论文创新点

5.3 后续工作展望

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果