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  本文關(guān)鍵詞：深海陰極保護過程研究及其在溫躍層環(huán)境下數(shù)學模型的建立，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國海洋大學》 2014年

深海陰極保護過程研究及其在溫躍層環(huán)境下數(shù)學模型的建立

李成杰  

【摘要】：隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，陸上及淺海石油資源日趨枯竭，海洋石油開采范圍日益擴大。因此，深海石油開發(fā)已經(jīng)成為石油工業(yè)的重要前沿陣地。因深海工程造價昂貴，維護費用高，作業(yè)風險大，所以在這種新環(huán)境下，海洋工程中廣泛使用的鋼鐵構(gòu)筑物的防腐蝕控制就顯得尤為重要。而作為一種常用的防腐蝕方法，陰極保護對深海鋼鐵構(gòu)筑的防腐蝕控制依然非常有效。目前，針對淺海的陰極保護規(guī)范已經(jīng)非常成熟，然而深海環(huán)境下的陰極保護設(shè)計規(guī)范依然不甚明確。因此有必要對深海陰極保護過程進行研究，并對陰極保護設(shè)計進行優(yōu)化，從而在兼顧到經(jīng)濟性的同時，達到安全系數(shù)最大及重量最小的要求。 （1）本文采用了單因素實驗方法，研究了Q235碳鋼試樣在不同海水溫度、溶解氧（DO）、流速及靜水壓力下的恒電流陰極保護過程，對陰極保護后的試樣進行了電化學阻抗譜（EIS）及線性極化（LPR）分析，得到了陰極保護后試樣的電化學特性，提出了保護因子（Protection factor, Fp）概念，對試樣表面的陰極保護產(chǎn)物鈣質(zhì)沉積層的保護性能進行了定量表征。另外，采用表面分析技術(shù)，包括掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散X衍射譜（EDX）及X射線衍射（XRD），對生成的鈣質(zhì)沉積層進行了形貌觀察、元素分析和晶體結(jié)構(gòu)鑒定。 溫度對陰極保護過程的影響實驗表明，鈣質(zhì)沉積層的保護性能隨溫度升高而呈指數(shù)增長。在15-20℃之間，沉積層中碳酸鈣的晶型會發(fā)生變化。當溫度高于20℃時，碳酸鈣主要以文石形態(tài)存在，當?shù)陀?5℃時，碳酸鈣主要以方解石形態(tài)存在。隨溫度升高，沉積層中鈣含量升高。溶解氧的影響實驗表明，鈣質(zhì)沉積層的沉積速度隨著溶解氧濃度的降低而加快。在較低溶解氧濃度下的陰極反應(yīng)在極化初期迅速由吸氧反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲鰵浞磻?yīng)，受此影響，沉積層的保護性能有所減弱。流速的影響實驗表明，海水流動狀態(tài)下的保護電位呈現(xiàn)出兩次下降過程，分別對應(yīng)著兩種晶體的沉積過程。沉積層的保護性能隨流速增大而呈指數(shù)降低。因碳酸鈣晶體粒徑較氫氧化鎂大，導(dǎo)致其在高流速下較難沉積在試樣表面，所以沉積層中碳酸鈣含量隨流速增加而減少。靜水壓力的影響實驗表明，保護電位的變化受壓力的影響較小，但是鈣質(zhì)沉積層的保護性能隨著壓力增加先升高后降低，在2Mpa時沉積層的保護性能最好。隨著壓力增加，沉積層中鈣含量逐漸減少。壓力高于5MPa時，因鎂離子參與到碳酸鈣的沉積過程，占據(jù)了部分鈣的晶格位置，導(dǎo)致含鎂方解石(Ca,Mg)CO3晶體的出現(xiàn)。 （2）深海石油開發(fā)中，海洋輸油管線從淺海鋪設(shè)到深海時會穿越海洋溫躍層這種不均勻的介質(zhì)環(huán)境，從而對整條海管的陰極保護電位及電流分布產(chǎn)生影響。為了對穿越深海溫躍層環(huán)境的海管陰極保護系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，本文采用了數(shù)值模型的方法，建立相應(yīng)的溫躍層物理模型和有限元數(shù)學模型（FEM）。采用了相應(yīng)的邊界條件對物理模型中的躍層界面進行了描述。為了解決陰極保護過程中鈣質(zhì)沉積層的覆蓋對陰極極化曲線造成的影響，采用了一個基于歐姆定律的動態(tài)邊界條件。對比溫躍層有限元模型計算結(jié)果和實驗室模擬實驗結(jié)果，兩者具有很好的一致性，說明建立的數(shù)值模型是合理可靠的。 通過對溫躍層數(shù)值模型的有限元分析，研究了不同陽極位置和個數(shù)時，海管表面的陰極保護電位分布。結(jié)果表明：單個陽極保護的情況下，當陽極位于躍層區(qū)（76.1cm）時的陰極保護效果最好，并且在陰極保護初期的60h內(nèi)，海管的保護電位最正值達到了-0.8V（vs. Ag/AgCl）；兩個陽極時，陽極分別位于躍層區(qū)和深層區(qū)時的陰極保護效果最好；三個陽極時，在保護60h后海管的保護電位已經(jīng)負于兩個陽極保護120h后的保護電位值。

【關(guān)鍵詞】：
【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P755.3
【目錄】：

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