滨海电厂钛管凝汽器阴极保护电位场分布数学模型的研究

摘要

在我国滨海电厂常用天然海水作为冷却水。由于海水具有强腐蚀性，在由两种或两种以上金属，如碳钢水室和钛管组成的凝汽器中，存在严重的腐蚀问题，如碳钢/钛电偶腐蚀等。常用保护方法是牺牲阳极阴极保护法。在凝汽器保护中，要求控制碳钢水室和钛管连接处电位为-0.80V1；电位过正则碳钢保护不足，而电位过负则易使钛管发生氢脆损伤；同时由于凝汽器结构复杂性，保护过程中电屏蔽现象严重，均易造成碳钢欠保护和钛过保护现象。因而，受电化学阴极保护的滨海凝汽器金属结构物表面的电位只有控制在一定的范围内，才能使凝汽器受到有效的保护。了解凝汽器阴极保护电位分布的规律是合理地设计阴极保护系统的必要条件，是优化阴极保护计算机辅助设计和评价阴极保护效果的重要依据。 近几十年来，随着对阴极保护理论的深入了解和高性能计算机的普及，阴极保护数学模型研究有了新的进展。 本文探讨了有限元素计算法在滨海凝汽器(碳钢水室-钛管结构)水室模型阴极保护电位分布场数学模型的应用。建立数学模型关键是确定计算中边界条件，同时必须与实际保护体系适宜。针对凝汽器复杂结构阴极保护电位分布模型的建立，为确定合理边界条件，实验中既考虑了单个金属阴极极化的作用，又考虑了碳钢-钛电偶水室模型同时被阴极保护时的协同作用。边界条件实验主要工作如下： 1、在实验室建立与实际滨海电厂凝汽器结构相同，碳钢水室和钛管内表面积比为55：1的水室模型。 2、对水室模型设计并实施牺牲阳极阴极保护：分别采用内置1个牺牲阳极和2个牺牲阳极。 3、由于模型尺寸较小，为充分模拟实际凝汽器保护情况，在实验中，同时以天然海水和稀释海水为实验介质进行水室阴极保护实验。 4、进行试样的边界条件实验。根据两种金属在天然海水和稀释海水阴极极化的不同特点，设计多种阴极极化方式，采用了不同的电化学测试方法，获得不同极化状态下的电化学参数。首先对单个金属设计在天然海水中恒电位极化、两种实验介质中不同极化电位阶跃阴极极化和动电位慢扫描极化；分别采用了弱极化动电位扫描法，恒电流充电技术、交流阻抗技术、慢扫描循环伏安法等电化学测试方法获得相应的电化学参数。对碳钢还采用了恒电流极化的极化形式，考虑到碳钢在天然海水阴极保护过程中，其表面状态有明显改变，用扫描电镜来观察阴极极化后碳钢表面状态。 5、在水室模型牺牲阳极阴极保护体系中，采用交流阻抗技术测试实际保护状态下金属电化学极化动力学参数的变化情况。同时测量保护过程中水室电位的分布以及保护电流。 对水室模型建立阴极保护电位分布数学模型。根据能量平衡方法，利用在实验中获得的边界条件，对两种材质同时极化的复杂体系，使用四面体形状函数对求解区域进行离散；通过各个单元的分析和整个求解区域的综合，用有限元计算法计算建立三维阴极保护电位场的数学模型，得到相应凝汽器水室模型阴极保护体系的电位分布。 将该数学模型计算结果与同等条件下水室模型电位测量结果进行比较，结果基本吻合。证明经典有限元计算法可用于凝汽器碳钢水室-钛管复杂体系，同时建立的物理模型和数学模型是合理可行的。

目录

文摘

英文文摘

0前言

1文献综述

1.1阴极保护在滨海电厂凝汽器的应用

1.2数值模拟在阴极保护工程中的应用

1.3本文研究意义、内容

2数值计算边界条件实验

2.1实验材料、实验介质、仪器

2.2实验方法和原理

2.2.1弱极化区动电位循环扫描法

2.2.2恒流充电法

2.2.3电化学交流阻抗法(ElS)

2.2.4循环伏安法(CV)

2.2.5扫描电镜法(SEM)

3边界条件实验结果与讨论

3.1 Q235B碳钢边界条件实验结果与讨论

3.1.1光滑Q235B试样初始电化学参数测定

3.1.2 Q235B试样恒电位极化下极化电阻测量

3.1.3 Q235B不同极化电位阶跃阴极极化状态下极化电阻测量

3.1.4 Q235B在恒定电流密度下极化电阻测量

3.1.5 Q235B用循环伏安法(CV)极化电阻测量

3.1.6小结

3.2 TA2钛边界条件实验结果与讨论

3.2.1光滑TA2试样初始电化学参数测定

3.2.2 TA2用恒电流充电技术对极化电阻值测量

3.2.3 TA2不同极化电位阶跃阴极极化状态下极化电阻测量

3.2.4 TA2用循环伏安法(CV)测试

3.2.4小结

3.3两种金属组成水室模型边界条件实验

3.4水室模型中电位分布测量

4水室模型阴极保护电位场的数学模型建立

4.1电位场数学模型的建立及定解条件

4.2单元分析

4.3数学模型计算水室模型电位分布1

4.3数学模型计算水室模型电位分布2

5结论

参考文献

附录

致谢