分享：采用數(shù)值模擬法研究某水冷器管箱犧牲陽(yáng)極對(duì)鄰近換熱管的陰極保護(hù)作用

在石油化工行業(yè)中，采用工業(yè)水對(duì)工藝物料冷卻的熱交換設(shè)備稱(chēng)為水冷器，隨著裝置運(yùn)行周期的延長(zhǎng)和再生水的回用[1]，鹽濃度、懸浮物、微生物數(shù)量也逐漸增加，碳鋼或低合金鋼水冷器設(shè)備內(nèi)的電化學(xué)腐蝕越來(lái)越嚴(yán)重，尤其是靠近管箱側(cè)的換熱管段經(jīng)常發(fā)生腐蝕泄漏。隨著陰極保護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，也會(huì)采用犧牲陽(yáng)極來(lái)延緩水冷器腐蝕，陰極保護(hù)對(duì)水冷器的防腐蝕效果得到王巍[2]的驗(yàn)證。通常認(rèn)為管箱陰極保護(hù)能為鄰近的部分換熱管提供保護(hù)，但關(guān)于保護(hù)效果及保護(hù)范圍則沒(méi)有明確結(jié)論。石油化工冷換設(shè)備多屬壓力容器，出于完整性考慮一般不會(huì)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的參比電極檢測(cè)口，采用數(shù)值模擬法探討水冷器換熱管的保護(hù)范圍具有可行性。筆者使用英國(guó)BEASY專(zhuān)業(yè)數(shù)值模擬軟件對(duì)上海某石化廠某型號(hào)水冷器管箱設(shè)計(jì)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)，在可視化階段列出前/末期的陰極保護(hù)范圍，以期為類(lèi)似水冷器的保護(hù)提供參考。 

1.   陰極保護(hù)數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬技術(shù)可用于求解陰極保護(hù)系統(tǒng)中電位、電流密度、電場(chǎng)分布問(wèn)題，同時(shí)將被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)界面的電位以可視化云圖的方式完整呈現(xiàn)，以輔助設(shè)計(jì)人員對(duì)方案進(jìn)行討論、驗(yàn)證。自DOIG等[3]將陰極保護(hù)的數(shù)值計(jì)算工作擴(kuò)展到三維模型，使用有限差法（FDM）來(lái)求解電解質(zhì)中電極的電位分布以來(lái)，很多學(xué)者基于電化學(xué)理論與數(shù)值模擬計(jì)算模擬陰極保護(hù)體系的效果，崔淦等[4]使用BEASY軟件比較了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)、外加電流陰極保護(hù)、犧牲陽(yáng)極和外加電流聯(lián)合陰極保護(hù)3種保護(hù)方式對(duì)某一站場(chǎng)的保護(hù)效果；黃亮等[5]運(yùn)用COMSOL軟件確定輔助陽(yáng)極或犧牲陽(yáng)極的布置，確保陰極保護(hù)電位，優(yōu)化核電海水管道陽(yáng)極的布置、電位監(jiān)測(cè)等。 

陰極保護(hù)數(shù)學(xué)模型研究的是陰極保護(hù)電位和電流密度的分布及其相互關(guān)系，對(duì)于已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的陰極保護(hù)系統(tǒng)，其環(huán)境介質(zhì)為均勻、單一導(dǎo)體，即陰極電流及極化行為已不隨時(shí)間改變，采用靜態(tài)場(chǎng)理論來(lái)處理。穩(wěn)態(tài)陰極保護(hù)體系中穩(wěn)定電流場(chǎng)滿(mǎn)足靜態(tài)場(chǎng)理論，無(wú)場(chǎng)源存在時(shí)，被保護(hù)體表面和腐蝕介質(zhì)中的電位分布可用Laplace方程和相應(yīng)的邊界條件來(lái)描述： 

式中：V為計(jì)算區(qū)域；S1和S2分別表示計(jì)算區(qū)域的邊界；E代表計(jì)算區(qū)域各點(diǎn)的電位；N為邊界外法線方向；f1（E）為電流密度函數(shù)。對(duì)于絕緣表面，f1（E）=0；對(duì)于導(dǎo)電體，其表示極化電流密度和電位之間的關(guān)系，即電極表面的極化曲線，σ表示介質(zhì)電導(dǎo)率。 

2.   犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)

2.1   設(shè)計(jì)背景

E1901水冷器為浮頭式換熱器，介質(zhì)：殼程/管程、烴/冷卻水，管程進(jìn)出口溫度為28 ℃/33 ℃，壓力0.6 MPa，冷卻水pH為8，電導(dǎo)率約3.5 mS/cm。結(jié)構(gòu)如圖1所示，二管程管箱位于圖左側(cè)，內(nèi)徑2 200 mm，長(zhǎng)1 220 mm，中間有隔板，隔板與管箱內(nèi)壁采用雙面連續(xù)埋弧焊接，最小焊腳尺寸為3/4隔板厚度，管箱右側(cè)有換熱管3 402根，與管板的連接方式為強(qiáng)度焊加貼脹接，換熱管以隔板為對(duì)稱(chēng)面，上下各有1 701根，單根換熱管直徑為19 mm，長(zhǎng)8 900 mm，厚2 mm。設(shè)備各部位材料主要為碳鋼及低合金鋼，管箱腐蝕裕量為3 mm，換熱管無(wú)腐蝕裕量。 

圖  1  E1901水冷器的主體結(jié)構(gòu)

Figure  1.  Main structure of E1901 water cooler

2.2   犧牲陽(yáng)極計(jì)算

根據(jù)GB/T 17731-2015《鎂合金犧牲陽(yáng)極》和GB/T 16166-2013《濱海電廠海水冷卻水系統(tǒng)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)》，E1901水冷器選用AZ63B鎂合金犧牲陽(yáng)極，化學(xué)成分見(jiàn)表1，電化學(xué)性能見(jiàn)表2，陽(yáng)極質(zhì)量為22.8 kg，尺寸為429 mm×（178+160）mm×178 mm。 

根據(jù)式（4）計(jì)算陰極保護(hù)電流共需要1.39 A。 

式中：J為平均保護(hù)電流密度，裸鋼取65 mA/m2；Sp為保護(hù)面積，計(jì)算值21.39 m2。 

按式（5）計(jì)算犧牲陽(yáng)極接水電阻（3.0 Ω）。 

式中：L為陽(yáng)極長(zhǎng)度，cm；B為陽(yáng)極寬度，cm；H為陽(yáng)極高度，cm；ρ為介質(zhì)阻率，Ω·cm。 

按式（6）計(jì)算犧牲陽(yáng)極發(fā)生電流。其中ΔE為工作電位與保護(hù)電位差，取0.65 V，If為單支陽(yáng)極發(fā)生電流，計(jì)算值為0.22 A。 

按式（7）計(jì)算犧牲陽(yáng)極需要量，計(jì)算需要6支陽(yáng)極（N=6）。 

式中：I為陰極保護(hù)電流，A。 

按式（8）計(jì)算陽(yáng)極使用壽命為16 a，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)檢修周期。 

式中：Y為犧牲陽(yáng)極使用壽命，a；Q為犧牲陽(yáng)極實(shí)際電容量，（A·a）/kg；g為單只犧牲陽(yáng)極質(zhì)量，kg；Im為平均發(fā)生電流，取0.8If；1/K為陽(yáng)極利用系數(shù)，取0.85。 

經(jīng)計(jì)算管箱內(nèi)加裝6支選定尺寸的鎂合金犧牲陽(yáng)極，可以滿(mǎn)足管箱內(nèi)陰極保護(hù)電流需求，陽(yáng)極布置均勻分布，以隔板為界上下空間內(nèi)各布置3支。 

若考慮涂層因素，根據(jù)DNV-RP-B401Cathodic Protection Design標(biāo)準(zhǔn)，涂層破損率計(jì)算公式采用式（9），其中fc是涂層破損率，常數(shù)a和b是依賴(lài)于涂層和環(huán)境的常數(shù)，數(shù)值依據(jù)具體涂層體系在特定環(huán)境中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用涂層體系以及該體系在冷卻水管箱的使用經(jīng)驗(yàn)，a值取0.02，b值取0.05，t為涂層服役時(shí)間。 

3.   數(shù)值模擬

3.1   極化曲線

以犧牲陽(yáng)極和水冷器在冷卻水中的極化曲線為邊界條件，Al/AlCl為電極，通過(guò)數(shù)值模擬方法評(píng)價(jià)陰極保護(hù)效果，見(jiàn)圖2。 

圖  2  AZ63B鎂合金犧牲陽(yáng)極試樣水冷器在30 ℃試驗(yàn)溶液中的極化曲線

Figure  2.  Polarization curve of AZ63B magnesium alloy sacrificial anode sample and water cooler in a 30 ℃ test solution: (a) anodic polarization curve; (b) cathodic polarization curve

3.2   模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)方案建立管箱的犧牲陽(yáng)極保護(hù)仿真模型，管箱是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算時(shí)間只構(gòu)建一半管箱結(jié)構(gòu)，圖3為管箱及換熱管仿真模型，圖4為模型邊界元網(wǎng)格劃分，共劃分了27 262個(gè)三角形網(wǎng)格單元。 

圖  3  水冷器犧牲陽(yáng)極保護(hù)仿真模型

Figure  3.  Simulation model of sacrificial anode protection for water cooler

圖  4  水冷器犧牲陽(yáng)極保護(hù)仿真模型網(wǎng)格劃分

Figure  4.  Grid division of simulation model for sacrificial anode protection of water cooler

3.3   陰極保護(hù)電位分布云圖

犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)中，對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物施加陰極保護(hù)的電位應(yīng)負(fù)于-0.85 V（相對(duì)于Cu/CuSO4參比電極）[6]，若采用Ag/AgCl參比電極，則系統(tǒng)陰極保護(hù)的電位應(yīng)負(fù)于-0.80 V。 

前文設(shè)計(jì)時(shí)默認(rèn)水冷器管箱內(nèi)壁處于裸露狀態(tài)，仿真迭代計(jì)算后，陰極保護(hù)電位分布云圖如圖5所示，管箱保護(hù)電位為-1.593~-0.842 V，根據(jù)陰保電位判斷準(zhǔn)則，管箱受到良好的保護(hù)；而換熱管保護(hù)電位為-0.782~-0.689 V，所有換熱管的保護(hù)電位均正于-0.80 V，說(shuō)明換熱管沒(méi)有得到有效陰極保護(hù)。 

圖  5  陽(yáng)極保護(hù)電位分布云圖（管箱內(nèi)壁裸鋼）

Figure  5.  Cloud map of anodic protection potential distribution (bare steel on the inner wall of the pipe box)

在犧牲陽(yáng)極安裝區(qū)域加設(shè)涂層可以擴(kuò)大陰極保護(hù)范圍。數(shù)值模擬中假設(shè)對(duì)管箱內(nèi)壁區(qū)域增加防腐蝕涂層，換熱管仍保持裸露，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)初始涂層破損率取0.02，根據(jù)模擬計(jì)算工具內(nèi)置邏輯，施加涂層后邊界條件中，極化電位對(duì)應(yīng)的極化電流應(yīng)為裸鋼電流乘以涂層破損率。仿真迭代計(jì)算后保護(hù)電位分布如圖6所示，管箱陰保電位為-1.8~-1.1 V，管箱受到良好保護(hù)，由于前期涂層的高絕緣性，模擬所得過(guò)負(fù)電位不會(huì)造成負(fù)面影響，可以忽略；而換熱管的陰保電位為-0.84~-0.65 V，且長(zhǎng)約0.75 m換熱管的陰保電位負(fù)于-0.80 V，說(shuō)明這部分管段得到良好保護(hù)，雖然這僅占換熱管總長(zhǎng)度的8%，但已經(jīng)完全覆蓋了換熱器經(jīng)常出現(xiàn)冷卻水腐蝕泄漏的區(qū)域。 

圖  6  陰極保護(hù)電位分布云圖（初期）

Figure  6.  Initial cloud map of anodic protection potential distribution: (a) tube box; (b) heat exchange tube

根據(jù)公式（9），采用數(shù)值模擬測(cè)得檢修周期末期管箱的陰保電位分布如圖7所示。管箱陽(yáng)極保護(hù)電位為-1.587~-0.878 V，管箱仍得到良好保護(hù)，但換熱管陰保電位為-0.778~-0.676 V，未在陰極保護(hù)范圍內(nèi)。 

圖  7  陽(yáng)極保護(hù)電位分布云圖（末期）

Figure  7.  Cloud map of anodic protection potential distribution (end stage): (a) tube box; (b) heat exchange tube

4.   結(jié)論

（1）裸鋼狀態(tài)下，在水冷器管箱內(nèi)布置犧牲陽(yáng)極，管箱內(nèi)壁區(qū)域能得到良好的保護(hù)，但很難對(duì)換熱管起到陰極保護(hù)作用。 

（2）在管箱內(nèi)壁增加涂層，管箱內(nèi)陰極保護(hù)范圍能擴(kuò)展到鄰近換熱管，雖然擴(kuò)展保護(hù)范圍有限，可已經(jīng)完全覆蓋了換熱管易發(fā)生腐蝕失效的部位。 

（3）隨著管箱涂層的老化破損，管箱陰極保護(hù)范圍逐漸退出換熱管，在末期，換熱管已不再處于陰極保護(hù)范圍之內(nèi)。 

（4）對(duì)于增設(shè)犧牲陽(yáng)極的水冷器管箱，想要保護(hù)鄰近換熱管，必須增加內(nèi)涂層，而涂層體系的完整與否，決定了管箱陰極保護(hù)對(duì)鄰近換熱管的保護(hù)范圍。

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