海底管线涂层破损时阴极保护数学模型的建立及应用研究

发布时间：2017-10-03 09:04

  本文关键词：海底管线涂层破损时阴极保护数学模型的建立及应用研究

  更多相关文章： 阴极保护 涂层破损 电位场分布 数学模型 有限元法

【摘要】：随着海洋经济迅猛增长,海上工业活动日益频繁,在全球经济一体化高速发展的今天,世界各国对海洋能源的需求不断扩大,使得海洋油气资源开发高潮迭起。随着海上油气田开发与生产的快速发展,海底管线作为联系海洋油气生产、运输的纽带,其发挥的重要作用与日俱增。海底管线所处海洋环境严苛,严重影响了海底管线的使用寿命和安全。由于管线多数埋置于海底的海泥环境中,这就给海管的检测保养和维修带来了重重困难。通过海管水下运行时阴极保护的电位分布可了解涂层的破损情况,及时发现腐蚀倾向,以便采取措施加以修复,从而消除安全隐患,延长海管的使用寿命。目前,数值计算在阴极保护领域已得到广泛应用,数学模型在解决阴极保护电位场分布计算方面已取得成功,成为了优化阴极保护设计的重要手段,并已在海上平台和陆地输油(气)管线的阴极保护中获得较好的实施。但在海底输油、气管线的阴极保护工程,特别是针对海底管线涂层发生破损时海管水下阴极保护电位的分布,在数学模型和数值计算方法等方面还有待于进一步的研究。因此,有必要针对海底管线涂层破损时阴极保护过程进行研究,并建立适用于海管涂层破损时阴极保护的数学模型,通过正确计算获得阴极保护电位分布。这对于了解海管真实运行时涂层的破损情况；及时发现腐蚀倾向,采取措施加以修复；消除安全隐患,延长海管的使用寿命等方面具有较为重要的参考意义。本文针对海底管线真实运行时所存在涂层易发生破损的问题,根据相似论和因次分析的理论,选用0273 mm×12000 mm的实际海管,管段加Al-Zn-In-Si手镯式牺牲阳极组成阴极保护体系,设计海底管线水下阴极保护实验装置,进行现场大尺寸模拟实验,获得了海管涂层不同破损程度时,阴极保护电位分布情况。并得到海管及牺牲阳极的极化参数,从而获得了对数学模型进行数值计算所需的边界条件。测量所得电位分布数据可用于验证所建立的数学模型的合理性与正确性；所得边界条件可进一步为使用数学模型计算海管涂层不同程度破损电位分布提供基础条件,为后续数学模型数据库的建立提供数据支持。在拉普拉斯(Laplace)方程的基础上结合海管涂层破损时所需的边界条件,建立适用于海管涂层破损时阴极保护的数学模型。将边界条件中涂层表观面电阻率分别取不同值,进行有限元法计算,得到了当海管涂层完好区域表观面电阻率取2000 k Ω.·cm2时,有限元计算结果是合理的,并且实验测量电位分布与数值计算结果具有较好的吻合性,从而证明了所建立的数学模型的正确性,可以用来评价所研究情况下的阴极保护效果。通过对数学模型有限元计算中,阳极因素、阴极因素、表观面电阻率取值、有限元计算方法四个方面的分析,解决了数学模型计算所产生的误差来源。实验测量值和数值计算结果具有较好的吻合性,充分说明所建立的数学模型适用于海底管线涂层发生破损时的阴极保护电位分布计算。根据海管的相关参数和边界条件,通过有限元计算获得了海管涂层不同破损率、不同破损形状的电位场分布,并进行了计算结果的对比,得到了各种破损状况下,海管的阴极保护效果和电位场分布规律,为进一步建立海底管线涂层破损阴极保护电位分布数值计算数据库提供了基础。
【关键词】：阴极保护 涂层破损 电位场分布 数学模型 有限元法
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.41
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 0 前言12-14
• 1 文献综述14-30
• 1.1 海底管线的防腐蚀技术方法14-20
• 1.1.1 阴极保护技术14-16
• 1.1.2 管线的防腐涂层保护16-18
• 1.1.3 海底管线阴极保护工程中牺牲阳极的选择18-20
• 1.2 海管阴极保护电位分布监测技术研究进展20-22
• 1.2.1 海管阴极保护主要监测手段20-21
• 1.2.2 海管阴极保护实海监测实验21-22
• 1.2.3 海管阴极保护监测技术所存在的问题22
• 1.3 阴极保护工程中数学模型及数值模拟的应用22-28
• 1.3.1 建立数学模型所需条件22-23
• 1.3.2 数学模型的分类及表达形式23-24
• 1.3.3 数值模拟优化及模型计算方法24-26
• 1.3.4 数学模型研究在阴极保护中的应用26-28
• 1.4 本文研究内容28-30
• 2 海管涂层破损阴极保护模拟实验30-45
• 2.1 大尺寸模拟实验装置与监测设备30-32
• 2.1.1 实验水槽、实验介质30
• 2.1.2 实验海管、手镯式牺牲阳极30-31
• 2.1.3 海管安放位置31-32
• 2.1.4 实验仪器、仪表32
• 2.2 大尺寸模拟实验方法与内容32-33
• 2.2.1 模拟实验方法与内容32
• 2.2.2 模拟海管涂层破损情况32-33
• 2.3 大尺寸模拟实验结果与讨论33-41
• 2.3.1 海管涂层发生面积为6cm~2面破损时的实验结果33-36
• 2.3.2 海管涂层发生面积为12cm~2线破损时的实验结果36-39
• 2.3.3 不同破损面积实验结果的比较39-41
• 2.4 实验室海管涂层屏蔽模拟实验41-43
• 2.4.1 实验材料41
• 2.4.2 实验内容与方案41-42
• 2.4.3 模拟屏蔽实验结果与讨论42-43
• 2.5 小结43-45
• 3 海管涂层破损时数学模型的建立45-56
• 3.1 数学模型的建立及其参数的选取45-49
• 3.1.1 数学模型的描述45-46
• 3.1.2 边界条件的确定46-48
• 3.1.3 数学模型的建立48-49
• 3.2 数值计算方法49
• 3.3 数学模型正确性的验证及模拟实验有限元计算结果49-55
• 3.3.1 数学模型正确性的验证50-52
• 3.3.2 模拟实验阴极保护电位分布有限元计算结果52-54
• 3.3.3 误差分析54-55
• 3.4 小结55-56
• 4 数学模型的数值计算应用56-92
• 4.1 数学模型应用于大尺寸实际海底管线的数值计算结果56-88
• 4.1.1 实际海管物理模型、边界条件的确定56-57
• 4.1.2 涂层完好的有限元计算结果57-59
• 4.1.3 涂层发生不同破损率线破损的有限元计算结果59-65
• 4.1.4 涂层发生不同破损率圆面破损的有限元计算结果65-71
• 4.1.5 涂层发生多处破损的有限元计算结果71-77
• 4.1.6 涂层发生大面积其他形状破损的有限元计算结果77-84
• 4.1.7 不同破损情况的数值计算结果比较84-86
• 4.1.8 不同破损情况破损区域电位差有限元计算结果比较86-88
• 4.2 数学模型应用于模拟海管涂层起翘屏蔽有限元计算结果88-91
• 4.3 小结91-92
• 5 结论与展望92-94
• 5.1 本文主要结论92
• 5.2 后续工作展望92-94
• 参考文献94-101
• 附录101-106
• 致谢106-107
• 个人简历107-108
• 攻读硕士学位期间学位论文发表情况108

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