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  本文關(guān)鍵詞：深海陰極保護(hù)過程研究及其在溫躍層環(huán)境下數(shù)學(xué)模型的建立，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國(guó)海洋大學(xué)》 2014年

深海陰極保護(hù)過程研究及其在溫躍層環(huán)境下數(shù)學(xué)模型的建立

李成杰  

【摘要】：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，陸上及淺海石油資源日趨枯竭，海洋石油開采范圍日益擴(kuò)大。因此，深海石油開發(fā)已經(jīng)成為石油工業(yè)的重要前沿陣地。因深海工程造價(jià)昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，所以在這種新環(huán)境下，海洋工程中廣泛使用的鋼鐵構(gòu)筑物的防腐蝕控制就顯得尤為重要。而作為一種常用的防腐蝕方法，陰極保護(hù)對(duì)深海鋼鐵構(gòu)筑的防腐蝕控制依然非常有效。目前，針對(duì)淺海的陰極保護(hù)規(guī)范已經(jīng)非常成熟，然而深海環(huán)境下的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范依然不甚明確。因此有必要對(duì)深海陰極保護(hù)過程進(jìn)行研究，并對(duì)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而在兼顧到經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，達(dá)到安全系數(shù)最大及重量最小的要求。 （1）本文采用了單因素實(shí)驗(yàn)方法，研究了Q235碳鋼試樣在不同海水溫度、溶解氧（DO）、流速及靜水壓力下的恒電流陰極保護(hù)過程，對(duì)陰極保護(hù)后的試樣進(jìn)行了電化學(xué)阻抗譜（EIS）及線性極化（LPR）分析，得到了陰極保護(hù)后試樣的電化學(xué)特性，提出了保護(hù)因子（Protection factor, Fp）概念，對(duì)試樣表面的陰極保護(hù)產(chǎn)物鈣質(zhì)沉積層的保護(hù)性能進(jìn)行了定量表征。另外，采用表面分析技術(shù)，包括掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散X衍射譜（EDX）及X射線衍射（XRD），對(duì)生成的鈣質(zhì)沉積層進(jìn)行了形貌觀察、元素分析和晶體結(jié)構(gòu)鑒定。 溫度對(duì)陰極保護(hù)過程的影響實(shí)驗(yàn)表明，鈣質(zhì)沉積層的保護(hù)性能隨溫度升高而呈指數(shù)增長(zhǎng)。在15-20℃之間，沉積層中碳酸鈣的晶型會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)溫度高于20℃時(shí)，碳酸鈣主要以文石形態(tài)存在，當(dāng)?shù)陀?5℃時(shí)，碳酸鈣主要以方解石形態(tài)存在。隨溫度升高，沉積層中鈣含量升高。溶解氧的影響實(shí)驗(yàn)表明，鈣質(zhì)沉積層的沉積速度隨著溶解氧濃度的降低而加快。在較低溶解氧濃度下的陰極反應(yīng)在極化初期迅速由吸氧反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲鰵浞磻?yīng)，受此影響，沉積層的保護(hù)性能有所減弱。流速的影響實(shí)驗(yàn)表明，海水流動(dòng)狀態(tài)下的保護(hù)電位呈現(xiàn)出兩次下降過程，分別對(duì)應(yīng)著兩種晶體的沉積過程。沉積層的保護(hù)性能隨流速增大而呈指數(shù)降低。因碳酸鈣晶體粒徑較氫氧化鎂大，導(dǎo)致其在高流速下較難沉積在試樣表面，所以沉積層中碳酸鈣含量隨流速增加而減少。靜水壓力的影響實(shí)驗(yàn)表明，保護(hù)電位的變化受壓力的影響較小，但是鈣質(zhì)沉積層的保護(hù)性能隨著壓力增加先升高后降低，在2Mpa時(shí)沉積層的保護(hù)性能最好。隨著壓力增加，沉積層中鈣含量逐漸減少。壓力高于5MPa時(shí)，因鎂離子參與到碳酸鈣的沉積過程，占據(jù)了部分鈣的晶格位置，導(dǎo)致含鎂方解石(Ca,Mg)CO3晶體的出現(xiàn)。 （2）深海石油開發(fā)中，海洋輸油管線從淺海鋪設(shè)到深海時(shí)會(huì)穿越海洋溫躍層這種不均勻的介質(zhì)環(huán)境，從而對(duì)整條海管的陰極保護(hù)電位及電流分布產(chǎn)生影響。為了對(duì)穿越深海溫躍層環(huán)境的海管陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文采用了數(shù)值模型的方法，建立相應(yīng)的溫躍層物理模型和有限元數(shù)學(xué)模型（FEM）。采用了相應(yīng)的邊界條件對(duì)物理模型中的躍層界面進(jìn)行了描述。為了解決陰極保護(hù)過程中鈣質(zhì)沉積層的覆蓋對(duì)陰極極化曲線造成的影響，采用了一個(gè)基于歐姆定律的動(dòng)態(tài)邊界條件。對(duì)比溫躍層有限元模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩者具有很好的一致性，說明建立的數(shù)值模型是合理可靠的。 通過對(duì)溫躍層數(shù)值模型的有限元分析，研究了不同陽極位置和個(gè)數(shù)時(shí)，海管表面的陰極保護(hù)電位分布。結(jié)果表明：?jiǎn)蝹�(gè)陽極保護(hù)的情況下，當(dāng)陽極位于躍層區(qū)（76.1cm）時(shí)的陰極保護(hù)效果最好，并且在陰極保護(hù)初期的60h內(nèi)，海管的保護(hù)電位最正值達(dá)到了-0.8V（vs. Ag/AgCl）；兩個(gè)陽極時(shí)，陽極分別位于躍層區(qū)和深層區(qū)時(shí)的陰極保護(hù)效果最好；三個(gè)陽極時(shí)，在保護(hù)60h后海管的保護(hù)電位已經(jīng)負(fù)于兩個(gè)陽極保護(hù)120h后的保護(hù)電位值。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：P755.3
【目錄】：

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4 楊勝龍;張禹;張衡;王棟;張晶;崔雪森;;印度洋黃鰭金槍魚漁場(chǎng)時(shí)空分布與溫躍層關(guān)系[A];漁業(yè)科技創(chuàng)新與發(fā)展方式轉(zhuǎn)變——2011年中國(guó)水產(chǎn)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C];2011年

5 陳韶華;趙冬艷;鄭偉;;垂直信道溫躍層引起的傳播損失分析[A];中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)第十屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2013年

6 劉大禾;;海洋溫躍層特性的激光布里淵散射探測(cè)方法[A];第十屆全國(guó)光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2012年

7 楊勝龍;王棟;張晶;崔雪森;;印度洋大眼金槍魚漁場(chǎng)時(shí)空分布與溫躍層關(guān)系[A];中國(guó)水產(chǎn)學(xué)會(huì)漁業(yè)資源與環(huán)境分會(huì)2011年學(xué)術(shù)交流會(huì)會(huì)議論文（摘要）集[C];2011年

8 宋翔洲;林霄沛;張爽;鄭沛楠;;日本海大和海盆內(nèi)上層特征水淺析[A];第二十一屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨兩岸船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集[C];2008年

9 林洪瑛;韓舞鷹;;南沙群島海域營(yíng)養(yǎng)鹽的分布狀況[A];第六屆廣東海洋湖沼學(xué)會(huì)、第五屆廣東海洋學(xué)會(huì)會(huì)員代表大會(huì)暨學(xué)術(shù)討論會(huì)論文摘要匯編[C];2000年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 李元龍;熱帶西太平洋溫躍層水團(tuán)時(shí)空特征及中小尺度海洋過程的作用[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（海洋研究所）;2012年

2 李成杰;深海陰極保護(hù)過程研究及其在溫躍層環(huán)境下數(shù)學(xué)模型的建立[D];中國(guó)海洋大學(xué);2014年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 翟方國(guó);黃海和東海障礙層研究[D];中國(guó)海洋大學(xué);2009年

2 張瑩;加拿大海盆上層海洋垂向湍擴(kuò)散系數(shù)估計(jì)[D];國(guó)家海洋局第一海洋研究所;2007年

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