張 鵬，蘇林海，王 貴

(廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

濱海電廠凝汽器水室和管束處于溫度變化的嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境中，腐蝕泄漏會(huì)引起凝結(jié)水及整個(gè)系統(tǒng)水品質(zhì)惡化，造成水室壁等金屬表面的腐蝕、結(jié)垢等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電廠鍋爐腐蝕爆管和汽輪機(jī)的效率降低［1-3］。目前常采用涂層加犧牲陽極的陰極保護(hù)法和外加電流陰極保護(hù)法對(duì)凝汽器進(jìn)行聯(lián)合防護(hù)，但腐蝕問題仍然嚴(yán)重。凝汽器腐蝕的突出原因是陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法本身的缺陷。目前，國內(nèi)凝汽器陰極保護(hù)普遍是采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法［4-6］，而通過經(jīng)驗(yàn)公式無法獲得陽極最佳安裝位置和所需的電流密度［7］，更加無法考慮溫度的變化對(duì)陰極保護(hù)電位分布的影響。通常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法陰極保護(hù)電位分布是不均勻的，容易導(dǎo)致過保護(hù)或欠保護(hù)狀況的發(fā)生［8-9］，甚至有時(shí)根本不能預(yù)測(cè)保護(hù)的效果。

近年來，隨著數(shù)值方法和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)在陰極保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，包括有限差分法、有限元法和邊界元法等［10］，成為電廠凝汽器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)最有效的手段之一。與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法相比，數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)階段就可預(yù)測(cè)陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)效果、輔助陽極位置與數(shù)量，使陰極保護(hù)電位分布均勻，無過保護(hù)和欠保護(hù)現(xiàn)象的發(fā)生［11］。因此利用數(shù)值模擬方法優(yōu)化溫度變化對(duì)電廠凝汽器水室電位分布的影響具有重要意義。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

針對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，作了以下假設(shè):(1)電位場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)場(chǎng);(2)在求解區(qū)域內(nèi)遵循歐姆定律;(3)研究區(qū)域內(nèi)電解質(zhì)中任一點(diǎn)的靜電荷為零(無源項(xiàng))。根據(jù)假設(shè)條件，陰極保護(hù)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)陰極電流及其極化行為不隨時(shí)間變化，可以用靜態(tài)場(chǎng)理論來研究，其電位基本方程為泊松方程［12］:

式中:▽為L(zhǎng)aplace 算子;i 為電流密度，A/cm2;σ 為溶液電導(dǎo)率，S/m;l 為電解質(zhì);φ 為表面電位，V;Q 為源項(xiàng)。

已知假設(shè)研究系統(tǒng)內(nèi)沒有電流的得失，即Q為零，在穩(wěn)態(tài)的情況下電位分布的控制方程:

當(dāng)計(jì)算范圍內(nèi)介質(zhì)均勻，電解質(zhì)電導(dǎo)率為常數(shù)，則方程(2)可以簡(jiǎn)化為:

1.2 邊界條件

從數(shù)學(xué)角度來講，滿足控制方程的解有很多，要得到定解，必須對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行限制和確定相應(yīng)的邊界條件。通常陰極保護(hù)系統(tǒng)是由陽極、陰極和絕緣面組成的。與之相對(duì)應(yīng)的邊界條件有三類。

(1)邊界電位已知，φ(x，y，z)=φA，這屬于數(shù)理方程的第一類邊界條件。

在凝汽器水室內(nèi)表面，陽極和陰極反應(yīng)同時(shí)存在。陽極的半電池反應(yīng):

腐蝕電流密度用Tafel 方程表示:

式(5)中:φs為碳鋼水室表面電位，V為交換電流密度，A/cm2為平衡電位，V;bFe為碳鋼塔菲爾斜率，V/dec。

對(duì)于非酸性電解質(zhì)中，最主要的陰極半電池反應(yīng)為氧的還原反應(yīng):

其Tafel 方程為:

式(7)中:φs為碳鋼水室表面電位，為氧交換電流密度，A/cm2為氧交換平衡電位，V;bO2為氧還原塔菲爾斜率，V/dec。

2 電化學(xué)試驗(yàn)方法與結(jié)果

將Q235B 加工成尺寸為10 mm ×10 mm ×5 mm。表面處理根據(jù)GB5776-86 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:用水磨砂紙對(duì)工作面依次采用240 號(hào)、360 號(hào)、600 號(hào)、800 號(hào)和1000 號(hào)進(jìn)行逐級(jí)打磨去除表面層氧化膜，經(jīng)超聲波清洗，丙酮中進(jìn)行脫脂除油，再用去離子水徹底清洗干凈，用電吹風(fēng)吹干，并放入干燥器中備用。

采用動(dòng)電位掃描法對(duì)凝汽器水室材料Q235B鋼在天然海水中不同溫度下進(jìn)行極化曲線測(cè)量。Q235B 水室實(shí)驗(yàn)溫度分別為20，30，40 和50 ℃，采用恒溫水浴鍋進(jìn)行溫度控制。溫度的選擇主要是考慮到國內(nèi)不同海域溫度的差異和冷卻水進(jìn)入凝汽器內(nèi)水溫的變化也會(huì)對(duì)極化曲線產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同溫度下Q235B 的極化曲線見圖1。

圖1 不同溫度下Q235B 的極化曲線

根據(jù)圖1 中所測(cè)的Q235B 在不同溫度下的極化曲線，可以得到在不同溫度下Q235B 的電化學(xué)腐蝕參數(shù)，見表1。

表1 不同溫度下Q235B 電化學(xué)參數(shù)

從表1 中可知隨著溫度的升高，Q235B 的腐蝕電位呈下降趨勢(shì)，腐蝕電流密度逐漸增加，腐蝕速率逐漸增大，Q235B 水室腐蝕越嚴(yán)重。

3 應(yīng)用算例

3.1 物理模型

以某濱海電廠凝汽器為例，設(shè)計(jì)在海水介質(zhì)中外加電流陰極保護(hù)簡(jiǎn)化凝汽器模型，見圖2。即建立一個(gè)尺寸為280 mm ×280 mm ×300 mm 的矩形Q235B 水室，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將鈦管束簡(jiǎn)化為5 根φ19 mm ×1 mm ×300 mm 的圓形TA2 鈦管，通過管板與水室相連。在水室內(nèi)安裝1 根金屬氧化物輔助陽極，尺寸為φ7 mm ×80 mm。輔助陽極豎直放置，布置在水室中遠(yuǎn)離管板處。

圖2 凝汽器陰極保護(hù)簡(jiǎn)化物理模型

3.2 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了解循環(huán)冷卻水溫度對(duì)凝汽器水室陰極保護(hù)電位的影響，利用仿真軟件COMSOL 對(duì)不同溫度下Q235B 水室管板陰極保護(hù)電位分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果見圖3。

從圖3 中可知，溫度位于20～50 ℃時(shí)，隨著溫度的升高Q235B 水室管板處變化趨勢(shì)基本一致。20 ℃時(shí)，管板電位為-825.6～-836.9 mV;30 ℃時(shí)，管板電位為-816.6～-827.2 mV;40 ℃時(shí)，管板電位為-806.6～-817.5 mV;50 ℃時(shí)，管板電位為-796.8～-807.6 mV。分析可知，隨著溫度的升高對(duì)Q235B 水室陰極保護(hù)電位分布總體趨勢(shì)影響不大，但外加電流陰極保護(hù)的效果不斷降低。

圖3 不同溫度時(shí)水室管板電位分布

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真軟件計(jì)算凝汽器水室陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)的正確性，利用圖2 所示室內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，用高阻抗萬用表對(duì)管板中線進(jìn)行分段均勻測(cè)試，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見圖4。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得管板中線電位比模擬值要偏正些，偏差范圍在3%以內(nèi)，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合，證明所建模型的可靠性和準(zhǔn)確性，因而可以用該方法對(duì)凝汽器水室電位分布規(guī)律進(jìn)行探討。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)隨著溫度的升高，Q235B 的腐蝕電位呈下降趨勢(shì)，腐蝕電流密度逐漸增加，腐蝕速率逐漸增大，Q235B 水室腐蝕越嚴(yán)重。

(2)通過建立合理的數(shù)學(xué)模型可以準(zhǔn)確地模擬出凝汽器水室陰極保護(hù)電位分布，證明所建模型的可靠性和準(zhǔn)確性，因而可以用該方法對(duì)凝汽器水室電位分布規(guī)律進(jìn)行探討。

［1］孟超，田俊杰，龐其偉.陰極保護(hù)技術(shù)在濱海電廠凝汽器防腐上的應(yīng)用［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2001，13(2):509-510.

［2］曲政，張奎志，孫彬.濱海電廠凝汽器及相連管道的腐蝕與防護(hù)［J］.腐蝕與防護(hù)，2005，26(2):72-74.

［3］周順利.徐州發(fā)電廠凝汽器的腐蝕與防護(hù)［J］.江蘇電機(jī)工程，2003，22 (2):25-28.

［4］閆永貴，張海兵，邢少華.凝汽器水室外加電流陰極保護(hù)的數(shù)值模擬［J］.腐蝕與防護(hù)，2012，33(2):173-176.

［5］張豐，王愛菊，趙君，等.管道陰極保護(hù)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2014(1):42-44.

［6］楊鐘，施以航，黃一.海底管道外表面陰極保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國艦船研究，2013，18 (4):123-130.

［7］O.Abootalebi，A.Kermanpur，M.R.Shishesaz，et al.Optimizing the Electrode Position in Sacrificial Anode Cathodic Protection Systems Using Boundary Element Method［J］.Corrosion Science，2010，52 (3):678-687.

［8］郭宇.船舶與海洋結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)電位數(shù)值仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2013.

［9］L.Y.Xu，Y.F.Cheng.Experimental and Numerical Studies of Effectiveness of Cathodic Protection at Corrosion Defects on Pipelines［J］.Corrosion Science，2014，78(1):162-171.

［10］邢少華，彭衍磊，張繁，等.壓載艙陰極保護(hù)系統(tǒng)性能仿真及優(yōu)化［J］.裝備環(huán)境工程，2011，8 (1):5-9，14.

［11］L.Bertolini，E.Redaelli.Throwing Power of Cathodic Prevention Applied by Means of Sacrificial Anodes to Partially Submerged Marine Reinforced Concrete Piles:Resultsof Numerical Simulations［J］.Corrosion Science，2009，51(9):2218-2230.

［12］E.B.Muehlenkamp，M.D.Koretsky，J.C.Westall.Effect of Moisture on the Spatial Uniformity of Cathodic Protection of Steel in Reinforced Concrete［J］.Corrosion，2005，61 (6):15.