本文關鍵詞：海底管線涂層破損時陰極保護數(shù)學模型的建立及應用研究

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【摘要】：隨著海洋經(jīng)濟迅猛增長,海上工業(yè)活動日益頻繁,在全球經(jīng)濟一體化高速發(fā)展的今天,世界各國對海洋能源的需求不斷擴大,使得海洋油氣資源開發(fā)高潮迭起。隨著海上油氣田開發(fā)與生產(chǎn)的快速發(fā)展,海底管線作為聯(lián)系海洋油氣生產(chǎn)、運輸?shù)募~帶,其發(fā)揮的重要作用與日俱增。海底管線所處海洋環(huán)境嚴苛,嚴重影響了海底管線的使用壽命和安全。由于管線多數(shù)埋置于海底的海泥環(huán)境中,這就給海管的檢測保養(yǎng)和維修帶來了重重困難。通過海管水下運行時陰極保護的電位分布可了解涂層的破損情況,及時發(fā)現(xiàn)腐蝕傾向,以便采取措施加以修復,從而消除安全隱患,延長海管的使用壽命。目前,數(shù)值計算在陰極保護領域已得到廣泛應用,數(shù)學模型在解決陰極保護電位場分布計算方面已取得成功,成為了優(yōu)化陰極保護設計的重要手段,并已在海上平臺和陸地輸油(氣)管線的陰極保護中獲得較好的實施。但在海底輸油、氣管線的陰極保護工程,特別是針對海底管線涂層發(fā)生破損時海管水下陰極保護電位的分布,在數(shù)學模型和數(shù)值計算方法等方面還有待于進一步的研究。因此,有必要針對海底管線涂層破損時陰極保護過程進行研究,并建立適用于海管涂層破損時陰極保護的數(shù)學模型,通過正確計算獲得陰極保護電位分布。這對于了解海管真實運行時涂層的破損情況；及時發(fā)現(xiàn)腐蝕傾向,采取措施加以修復；消除安全隱患,延長海管的使用壽命等方面具有較為重要的參考意義。本文針對海底管線真實運行時所存在涂層易發(fā)生破損的問題,根據(jù)相似論和因次分析的理論,選用0273 mm×12000 mm的實際海管,管段加Al-Zn-In-Si手鐲式犧牲陽極組成陰極保護體系,設計海底管線水下陰極保護實驗裝置,進行現(xiàn)場大尺寸模擬實驗,獲得了海管涂層不同破損程度時,陰極保護電位分布情況。并得到海管及犧牲陽極的極化參數(shù),從而獲得了對數(shù)學模型進行數(shù)值計算所需的邊界條件。測量所得電位分布數(shù)據(jù)可用于驗證所建立的數(shù)學模型的合理性與正確性；所得邊界條件可進一步為使用數(shù)學模型計算海管涂層不同程度破損電位分布提供基礎條件,為后續(xù)數(shù)學模型數(shù)據(jù)庫的建立提供數(shù)據(jù)支持。在拉普拉斯(Laplace)方程的基礎上結合海管涂層破損時所需的邊界條件,建立適用于海管涂層破損時陰極保護的數(shù)學模型。將邊界條件中涂層表觀面電阻率分別取不同值,進行有限元法計算,得到了當海管涂層完好區(qū)域表觀面電阻率取2000 k Ω.·cm2時,有限元計算結果是合理的,并且實驗測量電位分布與數(shù)值計算結果具有較好的吻合性,從而證明了所建立的數(shù)學模型的正確性,可以用來評價所研究情況下的陰極保護效果。通過對數(shù)學模型有限元計算中,陽極因素、陰極因素、表觀面電阻率取值、有限元計算方法四個方面的分析,解決了數(shù)學模型計算所產(chǎn)生的誤差來源。實驗測量值和數(shù)值計算結果具有較好的吻合性,充分說明所建立的數(shù)學模型適用于海底管線涂層發(fā)生破損時的陰極保護電位分布計算。根據(jù)海管的相關參數(shù)和邊界條件,通過有限元計算獲得了海管涂層不同破損率、不同破損形狀的電位場分布,并進行了計算結果的對比,得到了各種破損狀況下,海管的陰極保護效果和電位場分布規(guī)律,為進一步建立海底管線涂層破損陰極保護電位分布數(shù)值計算數(shù)據(jù)庫提供了基礎。
【關鍵詞】：陰極保護 涂層破損 電位場分布 數(shù)學模型 有限元法
【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.41
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 0 前言12-14
• 1 文獻綜述14-30
• 1.1 海底管線的防腐蝕技術方法14-20
• 1.1.1 陰極保護技術14-16
• 1.1.2 管線的防腐涂層保護16-18
• 1.1.3 海底管線陰極保護工程中犧牲陽極的選擇18-20
• 1.2 海管陰極保護電位分布監(jiān)測技術研究進展20-22
• 1.2.1 海管陰極保護主要監(jiān)測手段20-21
• 1.2.2 海管陰極保護實海監(jiān)測實驗21-22
• 1.2.3 海管陰極保護監(jiān)測技術所存在的問題22
• 1.3 陰極保護工程中數(shù)學模型及數(shù)值模擬的應用22-28
• 1.3.1 建立數(shù)學模型所需條件22-23
• 1.3.2 數(shù)學模型的分類及表達形式23-24
• 1.3.3 數(shù)值模擬優(yōu)化及模型計算方法24-26
• 1.3.4 數(shù)學模型研究在陰極保護中的應用26-28
• 1.4 本文研究內容28-30
• 2 海管涂層破損陰極保護模擬實驗30-45
• 2.1 大尺寸模擬實驗裝置與監(jiān)測設備30-32
• 2.1.1 實驗水槽、實驗介質30
• 2.1.2 實驗海管、手鐲式犧牲陽極30-31
• 2.1.3 海管安放位置31-32
• 2.1.4 實驗儀器、儀表32
• 2.2 大尺寸模擬實驗方法與內容32-33
• 2.2.1 模擬實驗方法與內容32
• 2.2.2 模擬海管涂層破損情況32-33
• 2.3 大尺寸模擬實驗結果與討論33-41
• 2.3.1 海管涂層發(fā)生面積為6cm~2面破損時的實驗結果33-36
• 2.3.2 海管涂層發(fā)生面積為12cm~2線破損時的實驗結果36-39
• 2.3.3 不同破損面積實驗結果的比較39-41
• 2.4 實驗室海管涂層屏蔽模擬實驗41-43
• 2.4.1 實驗材料41
• 2.4.2 實驗內容與方案41-42
• 2.4.3 模擬屏蔽實驗結果與討論42-43
• 2.5 小結43-45
• 3 海管涂層破損時數(shù)學模型的建立45-56
• 3.1 數(shù)學模型的建立及其參數(shù)的選取45-49
• 3.1.1 數(shù)學模型的描述45-46
• 3.1.2 邊界條件的確定46-48
• 3.1.3 數(shù)學模型的建立48-49
• 3.2 數(shù)值計算方法49
• 3.3 數(shù)學模型正確性的驗證及模擬實驗有限元計算結果49-55
• 3.3.1 數(shù)學模型正確性的驗證50-52
• 3.3.2 模擬實驗陰極保護電位分布有限元計算結果52-54
• 3.3.3 誤差分析54-55
• 3.4 小結55-56
• 4 數(shù)學模型的數(shù)值計算應用56-92
• 4.1 數(shù)學模型應用于大尺寸實際海底管線的數(shù)值計算結果56-88
• 4.1.1 實際海管物理模型、邊界條件的確定56-57
• 4.1.2 涂層完好的有限元計算結果57-59
• 4.1.3 涂層發(fā)生不同破損率線破損的有限元計算結果59-65
• 4.1.4 涂層發(fā)生不同破損率圓面破損的有限元計算結果65-71
• 4.1.5 涂層發(fā)生多處破損的有限元計算結果71-77
• 4.1.6 涂層發(fā)生大面積其他形狀破損的有限元計算結果77-84
• 4.1.7 不同破損情況的數(shù)值計算結果比較84-86
• 4.1.8 不同破損情況破損區(qū)域電位差有限元計算結果比較86-88
• 4.2 數(shù)學模型應用于模擬海管涂層起翹屏蔽有限元計算結果88-91
• 4.3 小結91-92
• 5 結論與展望92-94
• 5.1 本文主要結論92
• 5.2 后續(xù)工作展望92-94
• 參考文獻94-101
• 附錄101-106
• 致謝106-107
• 個人簡歷107-108
• 攻讀碩士學位期間學位論文發(fā)表情況108

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