在海底管道的阴极保护中数学模型的建立与应用研究

论文摘要

本论文在模拟实验所用的天然海水、四倍稀释海水和十六倍稀释海水中将铝阳极进行循环伏安扫描,经实验证实所用铝阳极发出的电流均能在几个小时内达到模拟实验所要求的临界值,满足模拟实验的基本活化性能要求。在上述三种海水介质中将无垢层和已经预先形成垢层的钢丝试样进行阴极极化扫描,得到了做数值模拟时表观面电阻率的重点取值范围。根据相似论和因次分析的理论,将四米钢丝作为模拟海管进行实验室模拟实验,得到了钢丝试样及铝阳极的极化信息,从而得到了用于数值计算的边界条件,可以用于验证建立的数学模型是否合理,又可以为实际海管的阴极保护设计提供基础资料,起到了将数值计算与阴极保护设计相结合的纽带作用。由于钢丝上各点相对于阳极存在空间上的差异,因此各点的表观面电阻率也存在差异。将四米钢丝均匀分为十段,每一段与阳极相连,在天然海水中进行模拟实验,得到了十段钢丝的平均表观面电阻率均是时间的函数,在空间上表观面电阻率呈波浪形分布。在实验室模拟实验的基础上建立数学模型,通过将数学模型中表观面电阻率取不同值进行有限元计算的比较,得出对于模拟海管取平均表观面电阻率值得到的有限元计算结果是合理的。然后将在三种海水介质中所得到的边界条件用于数学模型进行数值计算,由于模拟实验中阳极电位很难测准,导致数值计算结果同实测值之间有较大误差。实验中得到距离阳极0.382·L（L为钢丝长度）处的电位可以作为钢丝的平均电位,所以采取了将数值计算结果经上下平移使得在0.382·L处与实测值重合的方法,最终得到数值计算结果与实测值能够很好的吻合,证明建立的数学模型是合理的,模拟实验所得边界条件是正确的。模拟海管是实际海管的有效模拟,模拟实验实测值与有限元计算所得计算结果能够很好的吻合,说明所建立的数学模型可以通过有限元计算用于实际海底管道的阴极保护设计。根据JZ20-2实际海管的相关参数,经过有限元计算得到了阴极保护设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 国内外对海底管道腐蚀的防护方法
• 1.1.1 阴极保护的分类及主要参数
• 1.1.2 阴极保护中牺牲阳极的选择
• 1.1.3 管道的涂层保护
• 1.2 国内外对阴极产物膜的研究现状
• 1.2.1 阴极产物膜的形成机理
• 1.2.2 各种因素对形成阴极产物膜的影响
• 1.2.3 阴极产物膜在阴极保护中的作用
• 1.3 物理模型及数学模型在阴极保护中的应用
• 1.3.1 建立模型所需要的条件
• 1.3.2 模型的分类
• 1.3.3 模型研究的内容
• 1.3.4 模型的表达形式
• 1.3.5 模型的研究方法
• 1.3.6 模型研究在阴极保护中的应用
• 1.4 本文研究内容
• 2 阴极保护体系电化学性能测量
• 2.1 牺牲阳极的阳极极化性能
• 2.1.1 实验方法
• 2.1.2 实验结果与分析
• 2.2 海水中裸钢的阴极极化阻力
• 2.2.1 实验方法
• 2.2.2 实验结果与分析
• 2.3 小结
• 3 实验室模拟实验
• 3.1 模拟实验装置与测量仪器
• 3.1.1 实验水槽
• 3.1.2 试样
• 3.1.3 铝阳极
• 3.1.4 测量线路
• 3.1.5 仪器与仪表
• 3.1.6 海水
• 3.2 模拟海管与实际海管参数对比
• 3.3 模拟实验方法与内容
• 3.3.1 试样破损率
• 3.3.2 所用介质
• 3.3.3 实验内容
• 3.4 模拟实验结果与讨论
• 3.4.1 钢丝在天然海水中实验结果
• 3.4.2 钢丝在四倍稀释海水中实验结果
• 3.4.3 钢丝在十六倍稀释海水中实验结果
• 3.5 CP 中阳极电位、阴极电位、保护电流与海水电导率的关系
• 3.6 小结
• 4 表观面电阻率随时间空间的变化
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 实验条件及材料
• 4.1.2 测量方法
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 铝阳极的极化行为
• 4.2.2 被保护钢丝的极化行为
• 4.3 小结
• 5 数值计算
• 5.1 数学模型的建立及其参数的选取
• 5.1.1 数学模型的建立
• 5.1.2 数学模型中表观面电阻率的选取
• 5.2 数值计算方法
• 5.3 有限元计算结果
• 5.3.1 数学模型应用于实验室模拟实验
• 5.3.2 数学模型应用于实际海底管道
• 5.4 小结
• 6 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间学位论文发表情况