Коррозия - злейший враг металлоконструкций: только в США она ежегодно наносит ущерб, оцениваемый примерно в 170 млрд долл. Существенная часть этого ущерба приходится на объекты нефтегазовой промышленности, где многие сложные элементы рассчитаны на суровые природные условия. Как избежать потерь, вызванных коррозией?
Коррозия металлоконструкций, будь то эксплуатационная платформа или колонна для добычи нефти, начинается уже с момента отливки стали, поэтому стратегия защиты нужна с самого начала. Морские сооружения, находящиеся под водой, можно предохранить от коррозии с помощью катодной защиты. Наиболее эффективна такая форма защиты для конструкций типа нефтяных платформ, которые из-за приливно-отливных изменений находятся то под водой, то над водой, поскольку воздействие соленой воды и воздуха ускоряет вызванное коррозией разрушение. Существуют различные методы катодной защиты, в том числе наложенным электрическим током или протекторными анодами, причем во многих случаях предпочтение отдается именно анодной защите в силу ее простоты.
Катодная защита протекторными анодами
Сталь, по сути, представляет собой неустойчивое состояние железа, а коррозия — это процесс, в ходе которого железо возвращается в свое естественное состояние. Коррозия возникает при прохождении тока (потока электронов) от анода с высоким потенциалом до катода с более низким потенциалом. Катодная защита протекторными анодами основана на простом принципе: металлоконструкция (например, нефтяная платформа) имеет электрический контакт с более электроотрицательным металлом, например, алюминием. После погружения в морскую воду, которая выступает в качестве электролита, происходит анодная поляризация протекторного анода, приводящая к катодной поляризации металлоконструкции. В результате анодного растворения металла аноды растворяются, а на поверхности металлоконструкции происходит восстановление кислорода.
На рис. 1 приведен пример конфигурации нефтяной платформы, на относительно близком расстоянии вокруг которой размещены 40 цилиндрических протекторных анодов.
Реакции поляризации анодов и восстановления кислорода, протекающие на поверхности металлоконструкции, показаны на графике на рис. 2 красная кривая показывает поляризацию поверхности металла, а синяя кривая — поляризацию протекторных анодов. Токи в металлоконструкции (обозначена красным цветом) и анодах (обозначены синим цветом) показаны на графике как функции электрического потенциала, измеренного относительно общей исходной точки.
Защита от коррозии обеспечивается в точке, где катодный ток (обозначен красным цветом) равен по величине анодному, но с противоположным знаком. Форма синей кривой поляризации определяется количеством и конфигурацией анодов в системе, а плотность тока для восстановления кислорода ограничена подачей кислорода. В результате получается практически постоянный, ограниченный при переносе ток с диапазоном в несколько сотен милливольт и разностью электрических потенциалов на поверхности конструкции.
Пока реакция восстановления кислорода на поверхности металла протекает в диапазоне защиты от коррозии, предельный катодный ток вызывает коррозию протекторного анода и обеспечивает нужную степень защиты конструкций нефтяной платформы.
Моделирование защиты от коррозии
Для полной защиты платформы от коррозии инженеры-разработчики должны убедиться в том, что различные части конструкции находятся в диапазоне защиты от коррозии. Другими словами, создаваемое анодами напряжение должно быть достаточным для того, чтобы вызвать реакцию восстановления кислорода на поверхности металла для компенсации тока.
Эта модель входит в полную библиотеку моделей, которая устанавливается вместе с программным пакетом COMSOL Multiphysics®. Эти модели, снабженные подробными пошаговыми инструкциями, знакомят пользователя с основами мультифизического моделирования.
Первый шаг при разработке системы защиты заключается в определении потенциала металлоконструкции при условии постоянного катодного тока (восстановление кислорода). Это гарантирует генерацию анодами потенциала, необходимого для поддержания заданного тока. Значение потенциала должно лежать строго в требуемом диапазоне, который обеспечивает защиту конструкции за счет восстановления кислорода и исключения водородной деполяризации (см. рис. 3).
Для прогнозирования потенциала электролита на поверхности анодов и металлоконструкции (катода) можно использовать мультифизическое моделирование. На графике поверхности на рис. 4 показаны изменения потенциала на несколько сотен милливольт в зависимости от положения анодов. Чем ниже потенциал электролита на поверхности раздела, тем положительнее разность потенциалов между нефтяной платформой и морской водой - закономерный результат, поскольку ток в электролите протекает от анодов к катоду.
На рис. 4 справа показана одна из опор конструкции в увеличенном масштабе. Внутренняя нижняя часть опоры имеет наименьший потенциал, следовательно, именно эта часть конструкции будет наиболее подвержена коррозии.
Понимание процессов коррозии
Среду моделирования COMSOL Multiphysics® удобно использовать для того, чтобы лучше понять распределение тока и напряжения в электрохимических системах.
В этой модели потенциал электролита сначала получили путем аппроксимации, исходя из допущения, что плотность тока в катодной конструкции является постоянной. Как показывает модель, чем ниже потенциал электролита, тем ниже степень защиты конструкции от коррозии. Объясняя это взаимоотношение, модель позволяет дать четкое представление о менее защищенных и, следовательно, критических узлах нефтяной платформы.
Модель можно легко расширить с учетом дополнительных воздействий, например, перенапряжения или градиентов концентрации, которые можно использовать для более глубокого понимания процессов коррозии.
