圖 1 E1901水冷器的主體結構
Figure 1. Main structure of E1901 water cooler
分享：采用數值模擬法研究某水冷器管箱犧牲陽極對鄰近換熱管的陰極保護作用
在石油化工行業中，采用工業水對工藝物料冷卻的熱交換設備稱為水冷器，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、微生物數量也逐漸增加，碳鋼或低合金鋼水冷器設備內的電化學腐蝕越來越嚴重，尤其是靠近管箱側的換熱管段經常發生腐蝕泄漏。隨著陰極保護應用領域不斷擴大，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，但關于保護效果及保護范圍則沒有明確結論。石油化工冷換設備多屬壓力容器，出于完整性考慮一般不會設置專門的參比電極檢測口，采用數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專業數值模擬軟件對上海某石化廠某型號水冷器管箱設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. 陰極保護數值模擬方法
數值模擬技術可用于求解陰極保護系統中電位、電流密度、電場分布問題，同時將被保護金屬結構界面的電位以可視化云圖的方式完整呈現，以輔助設計人員對方案進行討論、驗證。自DOIG等[3]將陰極保護的數值計算工作擴展到三維模型，使用有限差法（FDM）來求解電解質中電極的電位分布以來，很多學者基于電化學理論與數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，優化核電海水管道陽極的布置、電位監測等。
陰極保護數學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系，對于已經達到穩態的陰極保護系統，其環境介質為均勻、單一導體，即陰極電流及極化行為已不隨時間改變，采用靜態場理論來處理。穩態陰極保護體系中穩定電流場滿足靜態場理論，無場源存在時，被保護體表面和腐蝕介質中的電位分布可用Laplace方程和相應的邊界條件來描述：
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式中：V為計算區域；S1和S2分別表示計算區域的邊界；E代表計算區域各點的電位；N為邊界外法線方向；f1（E）為電流密度函數。對于絕緣表面，f1（E）=0；對于導電體，其表示極化電流密度和電位之間的關系，即電極表面的極化曲線，σ表示介質電導率。
2. 犧牲陽極設計
2.1 設計背景
E1901水冷器為浮頭式換熱器，介質：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，電導率約3.5 mS/cm。結構如圖1所示，二管程管箱位于圖左側，內徑2 200 mm，長1 220 mm，中間有隔板，隔板與管箱內壁采用雙面連續埋弧焊接，最小焊腳尺寸為3/4隔板厚度，管箱右側有換熱管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。
2.2 犧牲陽極計算
根據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犧牲陽極陰極保護》，E1901水冷器選用AZ63B鎂合金犧牲陽極，化學成分見表1，電化學性能見表2，陽極質量為22.8 kg，尺寸為429 mm×（178+160）mm×178 mm。
表 1 AZ63B鎂合金犧牲陽極的化學成分
Table 1. Chemical composition of AZ63B magnesium alloy sacrificial anode
| 牌號 | 質量分數/% | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 合金元素 | 雜質元素 | ||||||||||||||
| Mg | Al | Zn | Mn | Fe | Cu | Ni | Si | Ce | Zr | Ca | Be | Ti | 其他元素 | ||
| 單個 | 總計 | ||||||||||||||
| AZ63B | 余量 | 5.3~6.7 | 2.5~3.5 | 0.15~0.60 | ≤0.003 | ≤0.01 | ≤0.02 | ≤0.08 | - | - | - | - | - | - | 0.30 |
表 2 AZ63B鎂合金犧牲陽極的電化學性能
Table 2. Electrochemical performance of AZ63B magnesium alloy sacrificial anode
| 牌號 | 開路電位（Cu/CuSO4）/V | 閉路電位（Cu/SuSO4）/V | 實際電容量/（Ah·kg-1） | 電流效率/% |
|---|---|---|---|---|
| AZ63B | 1.57~1.67 | 1.52~1.57 | ≥1 210 | ≥55 |
根據式（4）計算陰極保護電流共需要1.39 A。
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(4) |
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）。
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(5) |
式中：L為陽極長度，cm；B為陽極寬度，cm；H為陽極高度，cm；ρ為介質阻率，Ω·cm。
按式（6）計算犧牲陽極發生電流。其中ΔE為工作電位與保護電位差，取0.65 V，If為單支陽極發生電流，計算值為0.22 A。
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(6) |
按式（7）計算犧牲陽極需要量，計算需要6支陽極（N=6）。
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(7) |
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，滿足現場檢修周期。
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(8) |
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為單只犧牲陽極質量，kg；Im為平均發生電流，取0.8If；1/K為陽極利用系數，取0.85。
經計算管箱內加裝6支選定尺寸的鎂合金犧牲陽極，可以滿足管箱內陰極保護電流需求，陽極布置均勻分布，以隔板為界上下空間內各布置3支。
若考慮涂層因素，根據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a和b是依賴于涂層和環境的常數，數值依據具體涂層體系在特定環境中的實踐經驗，根據現場使用涂層體系以及該體系在冷卻水管箱的使用經驗，a值取0.02，b值取0.05，t為涂層服役時間。
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(9) |
3. 數值模擬
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，通過數值模擬方法評價陰極保護效果，見圖2。
圖 2 AZ63B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
根據設計方案建立管箱的犧牲陽極保護仿真模型，管箱是對稱結構，為減少計算時間只構建一半管箱結構，圖3為管箱及換熱管仿真模型，圖4為模型邊界元網格劃分，共劃分了27 262個三角形網格單元。
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中，對鋼鐵構筑物施加陰極保護的電位應負于-0.85 V（相對于Cu/CuSO4參比電極）[6]，若采用Ag/AgCl參比電極，則系統陰極保護的電位應負于-0.80 V。
前文設計時默認水冷器管箱內壁處于裸露狀態，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)
在犧牲陽極安裝區域加設涂層可以擴大陰極保護范圍。數值模擬中假設對管箱內壁區域增加防腐蝕涂層，換熱管仍保持裸露，根據現場經驗初始涂層破損率取0.02，根據模擬計算工具內置邏輯，施加涂層后邊界條件中，極化電位對應的極化電流應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%，但已經完全覆蓋了換熱器經常出現冷卻水腐蝕泄漏的區域。
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
根據公式（9），采用數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。
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. 結論
（1）裸鋼狀態下，在水冷器管箱內布置犧牲陽極，管箱內壁區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）在管箱內壁增加涂層，管箱內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，可已經完全覆蓋了換熱管易發生腐蝕失效的部位。
（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。
（4）對于增設犧牲陽極的水冷器管箱，想要保護鄰近換熱管，必須增加內涂層，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
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