在石油化工行業(yè)中，采用工業(yè)水對工藝物料冷卻的熱交換設(shè)備稱為水冷器，隨著裝置運行周期的延長和再生水的回用[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)腐蝕越來越嚴重，尤其是靠近管箱側(cè)的換熱管段經(jīng)常發(fā)生腐蝕泄漏。隨著陰極保護應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，也會采用犧牲陽極來延緩水冷器腐蝕，陰極保護對水冷器的防腐蝕效果得到王巍[2]的驗證。通常認為管箱陰極保護能為鄰近的部分換熱管提供保護，但關(guān)于保護效果及保護范圍則沒有明確結(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設(shè)置專門的參比電極檢測口，采用數(shù)值模擬法探討水冷器換熱管的保護范圍具有可行性。筆者使用英國BEASY專業(yè)數(shù)值模擬軟件對上海某石化廠某型號水冷器管箱設(shè)計犧牲陽極陰極保護，在可視化階段列出前/末期的陰極保護范圍，以期為類似水冷器的保護提供參考。

1. 陰極保護數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬技術(shù)可用于求解陰極保護系統(tǒng)中電位、電流密度、電場分布問題，同時將被保護金屬結(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)計人員對方案進行討論、驗證。自DOIG等[3]將陰極保護的數(shù)值計算工作擴展到三維模型，使用有限差法（FDM）來求解電解質(zhì)中電極的電位分布以來，很多學(xué)者基于電化學(xué)理論與數(shù)值模擬計算模擬陰極保護體系的效果，崔淦等[4]使用BEASY軟件比較了犧牲陽極陰極保護、外加電流陰極保護、犧牲陽極和外加電流聯(lián)合陰極保護3種保護方式對某一站場的保護效果；黃亮等[5]運用COMSOL軟件確定輔助陽極或犧牲陽極的布置，確保陰極保護電位，優(yōu)化核電海水管道陽極的布置、電位監(jiān)測等。

陰極保護數(shù)學(xué)模型研究的是陰極保護電位和電流密度的分布及其相互關(guān)系，對于已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)的陰極保護系統(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間改變，采用靜態(tài)場理論來處理。穩(wěn)態(tài)陰極保護體系中穩(wěn)定電流場滿足靜態(tài)場理論，無場源存在時，被保護體表面和腐蝕介質(zhì)中的電位分布可用Laplace方程和相應(yīng)的邊界條件來描述：

式中：V為計算區(qū)域；S1和S2分別表示計算區(qū)域的邊界；E代表計算區(qū)域各點的電位；N為邊界外法線方向；f1（E）為電流密度函數(shù)。對于絕緣表面，f1（E）=0；對于導(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. 犧牲陽極設(shè)計

2.1 設(shè)計背景

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度焊加貼脹接，換熱管以隔板為對稱面，上下各有1 701根，單根換熱管直徑為19 mm，長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，換熱管無腐蝕裕量。

圖 1E1901水冷器的主體結(jié)構(gòu)

Figure 1.Main structure of E1901 water cooler

2.2 犧牲陽極計算

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

根據(jù)式（4）計算陰極保護電流共需要1.39 A。

式中：J為平均保護電流密度，裸鋼取65 mA/m2；Sp為保護面積，計算值21.39 m2。

按式（5）計算犧牲陽極接水電阻（3.0 Ω）。

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

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

按式（7）計算犧牲陽極需要量，計算需要6支陽極（N=6）。

式中：I為陰極保護電流，A。

按式（8）計算陽極使用壽命為16 a，滿足現(xiàn)場檢修周期。

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

經(jīng)計算管箱內(nèi)加裝6支選定尺寸的鎂合金犧牲陽極，可以滿足管箱內(nèi)陰極保護電流需求，陽極布置均勻分布，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標準，涂層破損率計算公式采用式（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)境中的實踐經(jīng)驗，根據(jù)現(xiàn)場使用涂層體系以及該體系在冷卻水管箱的使用經(jīng)驗，a值取0.02，b值取0.05，t為涂層服役時間。

3. 數(shù)值模擬

3.1 極化曲線

以犧牲陽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，通過數(shù)值模擬方法評價陰極保護效果，見圖2。

圖 2AZ63B鎂合金犧牲陽極試樣水冷器在30 ℃試驗溶液中的極化曲線

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)計方案建立管箱的犧牲陽極保護仿真模型，管箱是對稱結(jié)構(gòu)，為減少計算時間只構(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個三角形網(wǎng)格單元。

圖 3水冷器犧牲陽極保護仿真模型

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

圖 4水冷器犧牲陽極保護仿真模型網(wǎng)格劃分

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

3.3 陰極保護電位分布云圖

犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)中，對鋼鐵構(gòu)筑物施加陰極保護的電位應(yīng)負于-0.85 V（相對于Cu/CuSO4參比電極）[6]，若采用Ag/AgCl參比電極，則系統(tǒng)陰極保護的電位應(yīng)負于-0.80 V。

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

圖 5陽極保護電位分布云圖（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)

在犧牲陽極安裝區(qū)域加設(shè)涂層可以擴大陰極保護范圍。數(shù)值模擬中假設(shè)對管箱內(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)場經(jīng)驗初始涂層破損率取0.02，根據(jù)模擬計算工具內(nèi)置邏輯，施加涂層后邊界條件中，極化電位對應(yīng)的極化電流應(yīng)為裸鋼電流乘以涂層破損率。仿真迭代計算后保護電位分布如圖6所示，管箱陰保電位為-1.8~-1.1 V，管箱受到良好保護，由于前期涂層的高絕緣性，模擬所得過負電位不會造成負面影響，可以忽略；而換熱管的陰保電位為-0.84~-0.65 V，且長約0.75 m換熱管的陰保電位負于-0.80 V，說明這部分管段得到良好保護，雖然這僅占換熱管總長度的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)值模擬測得檢修周期末期管箱的陰保電位分布如圖7所示。管箱陽極保護電位為-1.587~-0.878 V，管箱仍得到良好保護，但換熱管陰保電位為-0.778~-0.676 V，未在陰極保護范圍內(nèi)。

圖 7陽極保護電位分布云圖（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)布置犧牲陽極，管箱內(nèi)壁區(qū)域能得到良好的保護，但很難對換熱管起到陰極保護作用。

（2）在管箱內(nèi)壁增加涂層，管箱內(nèi)陰極保護范圍能擴展到鄰近換熱管，雖然擴展保護范圍有限，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，管箱陰極保護范圍逐漸退出換熱管，在末期，換熱管已不再處于陰極保護范圍之內(nèi)。

（4）對于增設(shè)犧牲陽極的水冷器管箱，想要保護鄰近換熱管，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對鄰近換熱管的保護范圍。

文章來源——材料與測試網(wǎng)