在石油化工行业中，采用工业水对工艺物料冷却的热交换设备称为水冷器，随着装置运行周期的延长和再生水的回用[1]，盐浓度、悬浮物、微生物数量也逐渐增加，碳钢或低合金钢水冷器设备内的电化学腐蚀越来越严重，尤其是靠近管箱侧的换热管段经常发生腐蚀泄漏。随着阴极保护应用领域不断扩大，也会采用牺牲阳极来延缓水冷器腐蚀，阴极保护对水冷器的防腐蚀效果得到王巍[2]的验证。通常认为管箱阴极保护能为邻近的部分换热管提供保护，但关于保护效果及保护范围则没有明确结论。石油化工冷换设备多属压力容器，出于完整性考虑一般不会设置专门的参比电极检测口，采用数值模拟法探讨水冷器换热管的保护范围具有可行性。笔者使用英国BEASY专业数值模拟软件对上海某石化厂某型号水冷器管箱设计牺牲阳极阴极保护，在可视化阶段列出前/末期的阴极保护范围，以期为类似水冷器的保护提供参考。

1. 阴极保护数值模拟方法

数值模拟技术可用于求解阴极保护系统中电位、电流密度、电场分布问题，同时将被保护金属结构界面的电位以可视化云图的方式完整呈现，以辅助设计人员对方案进行讨论、验证。自DOIG等[3]将阴极保护的数值计算工作扩展到三维模型，使用有限差法（FDM）来求解电解质中电极的电位分布以来，很多学者基于电化学理论与数值模拟计算模拟阴极保护体系的效果，崔淦等[4]使用BEASY软件比较了牺牲阳极阴极保护、外加电流阴极保护、牺牲阳极和外加电流联合阴极保护3种保护方式对某一站场的保护效果；黄亮等[5]运用COMSOL软件确定辅助阳极或牺牲阳极的布置，确保阴极保护电位，优化核电海水管道阳极的布置、电位监测等。

阴极保护数学模型研究的是阴极保护电位和电流密度的分布及其相互关系，对于已经达到稳态的阴极保护系统，其环境介质为均匀、单一导体，即阴极电流及极化行为已不随时间改变，采用静态场理论来处理。稳态阴极保护体系中稳定电流场满足静态场理论，无场源存在时，被保护体表面和腐蚀介质中的电位分布可用Laplace方程和相应的边界条件来描述：

式中：V为计算区域；S1和S2分别表示计算区域的边界；E代表计算区域各点的电位；N为边界外法线方向；f1（E）为电流密度函数。对于绝缘表面，f1（E）=0；对于导电体，其表示极化电流密度和电位之间的关系，即电极表面的极化曲线，σ表示介质电导率。

2. 牺牲阳极设计

2.1 设计背景

E1901水冷器为浮头式换热器，介质：壳程/管程、烃/冷却水，管程进出口温度为28 ℃/33 ℃，压力0.6 MPa，冷却水pH为8，电导率约3.5 mS/cm。结构如图1所示，二管程管箱位于图左侧，内径2 200 mm，长1 220 mm，中间有隔板，隔板与管箱内壁采用双面连续埋弧焊接，最小焊脚尺寸为3/4隔板厚度，管箱右侧有换热管3 402根，与管板的连接方式为强度焊加贴胀接，换热管以隔板为对称面，上下各有1 701根，单根换热管直径为19 mm，长8 900 mm，厚2 mm。设备各部位材料主要为碳钢及低合金钢，管箱腐蚀裕量为3 mm，换热管无腐蚀裕量。

图 1E1901水冷器的主体结构

Figure 1.Main structure of E1901 water cooler

2.2 牺牲阳极计算

根据GB/T 17731-2015《镁合金牺牲阳极》和GB/T 16166-2013《滨海电厂海水冷却水系统牺牲阳极阴极保护》，E1901水冷器选用AZ63B镁合金牺牲阳极，化学成分见表1，电化学性能见表2，阳极质量为22.8 kg，尺寸为429 mm×（178+160）mm×178 mm。

根据式（4）计算阴极保护电流共需要1.39 A。

式中：J为平均保护电流密度，裸钢取65 mA/m2；Sp为保护面积，计算值21.39 m2。

按式（5）计算牺牲阳极接水电阻（3.0 Ω）。

式中：L为阳极长度，cm；B为阳极宽度，cm；H为阳极高度，cm；ρ为介质阻率，Ω·cm。

按式（6）计算牺牲阳极发生电流。其中ΔE为工作电位与保护电位差，取0.65 V，If为单支阳极发生电流，计算值为0.22 A。

按式（7）计算牺牲阳极需要量，计算需要6支阳极（N=6）。

式中：I为阴极保护电流，A。

按式（8）计算阳极使用寿命为16 a，满足现场检修周期。

式中：Y为牺牲阳极使用寿命，a；Q为牺牲阳极实际电容量，（A·a）/kg；g为单只牺牲阳极质量，kg；Im为平均发生电流，取0.8If；1/K为阳极利用系数，取0.85。

经计算管箱内加装6支选定尺寸的镁合金牺牲阳极，可以满足管箱内阴极保护电流需求，阳极布置均匀分布，以隔板为界上下空间内各布置3支。

若考虑涂层因素，根据DNV-RP-B401Cathodic Protection Design标准，涂层破损率计算公式采用式（9），其中fc是涂层破损率，常数a和b是依赖于涂层和环境的常数，数值依据具体涂层体系在特定环境中的实践经验，根据现场使用涂层体系以及该体系在冷却水管箱的使用经验，a值取0.02，b值取0.05，t为涂层服役时间。

3. 数值模拟

3.1 极化曲线

以牺牲阳极和水冷器在冷却水中的极化曲线为边界条件，Al/AlCl为电极，通过数值模拟方法评价阴极保护效果，见图2。

图 2AZ63B镁合金牺牲阳极试样水冷器在30 ℃试验溶液中的极化曲线

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

根据设计方案建立管箱的牺牲阳极保护仿真模型，管箱是对称结构，为减少计算时间只构建一半管箱结构，图3为管箱及换热管仿真模型，图4为模型边界元网格划分，共划分了27 262个三角形网格单元。

图 3水冷器牺牲阳极保护仿真模型

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

图 4水冷器牺牲阳极保护仿真模型网格划分

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

3.3 阴极保护电位分布云图

牺牲阳极阴极保护系统中，对钢铁构筑物施加阴极保护的电位应负于-0.85 V（相对于Cu/CuSO4参比电极）[6]，若采用Ag/AgCl参比电极，则系统阴极保护的电位应负于-0.80 V。

前文设计时默认水冷器管箱内壁处于裸露状态，仿真迭代计算后，阴极保护电位分布云图如图5所示，管箱保护电位为-1.593~-0.842 V，根据阴保电位判断准则，管箱受到良好的保护；而换热管保护电位为-0.782~-0.689 V，所有换热管的保护电位均正于-0.80 V，说明换热管没有得到有效阴极保护。

图 5阳极保护电位分布云图（管箱内壁裸钢）

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

在牺牲阳极安装区域加设涂层可以扩大阴极保护范围。数值模拟中假设对管箱内壁区域增加防腐蚀涂层，换热管仍保持裸露，根据现场经验初始涂层破损率取0.02，根据模拟计算工具内置逻辑，施加涂层后边界条件中，极化电位对应的极化电流应为裸钢电流乘以涂层破损率。仿真迭代计算后保护电位分布如图6所示，管箱阴保电位为-1.8~-1.1 V，管箱受到良好保护，由于前期涂层的高绝缘性，模拟所得过负电位不会造成负面影响，可以忽略；而换热管的阴保电位为-0.84~-0.65 V，且长约0.75 m换热管的阴保电位负于-0.80 V，说明这部分管段得到良好保护，虽然这仅占换热管总长度的8%，但已经完全覆盖了换热器经常出现冷却水腐蚀泄漏的区域。

图 6阴极保护电位分布云图（初期）

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

根据公式（9），采用数值模拟测得检修周期末期管箱的阴保电位分布如图7所示。管箱阳极保护电位为-1.587~-0.878 V，管箱仍得到良好保护，但换热管阴保电位为-0.778~-0.676 V，未在阴极保护范围内。

图 7阳极保护电位分布云图（末期）

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

4. 结论

（1）裸钢状态下，在水冷器管箱内布置牺牲阳极，管箱内壁区域能得到良好的保护，但很难对换热管起到阴极保护作用。

（2）在管箱内壁增加涂层，管箱内阴极保护范围能扩展到邻近换热管，虽然扩展保护范围有限，可已经完全覆盖了换热管易发生腐蚀失效的部位。

（3）随着管箱涂层的老化破损，管箱阴极保护范围逐渐退出换热管，在末期，换热管已不再处于阴极保护范围之内。

（4）对于增设牺牲阳极的水冷器管箱，想要保护邻近换热管，必须增加内涂层，而涂层体系的完整与否，决定了管箱阴极保护对邻近换热管的保护范围。

文章来源——材料与测试网