张 鹏，苏林海，王 贵

(广东海洋大学工程学院，广东 湛江 524088)

滨海电厂凝汽器水室和管束处于温度变化的严酷腐蚀环境中，腐蚀泄漏会引起凝结水及整个系统水品质恶化，造成水室壁等金属表面的腐蚀、结垢等，严重时会造成电厂锅炉腐蚀爆管和汽轮机的效率降低［1-3］。目前常采用涂层加牺牲阳极的阴极保护法和外加电流阴极保护法对凝汽器进行联合防护，但腐蚀问题仍然严重。凝汽器腐蚀的突出原因是阴极保护系统设计的不合理及经验设计方法本身的缺陷。目前，国内凝汽器阴极保护普遍是采用经验设计法［4-6］，而通过经验公式无法获得阳极最佳安装位置和所需的电流密度［7］，更加无法考虑温度的变化对阴极保护电位分布的影响。通常采用经验设计法阴极保护电位分布是不均匀的，容易导致过保护或欠保护状况的发生［8-9］，甚至有时根本不能预测保护的效果。

近年来，随着数值方法和计算机科学技术的飞速发展，数值仿真技术在阴极保护领域得到了广泛的应用，包括有限差分法、有限元法和边界元法等［10］，成为电厂凝汽器等复杂结构阴极保护设计最有效的手段之一。与传统的经验设计方法相比，数值模拟优化设计在设计阶段就可预测阴极保护系统保护效果、辅助阳极位置与数量，使阴极保护电位分布均匀，无过保护和欠保护现象的发生［11］。因此利用数值模拟方法优化温度变化对电厂凝汽器水室电位分布的影响具有重要意义。

1 数学模型

1.1 控制方程

针对阴极保护系统的特点，作了以下假设:(1)电位场为稳态场;(2)在求解区域内遵循欧姆定律;(3)研究区域内电解质中任一点的静电荷为零(无源项)。根据假设条件，阴极保护系统达到稳态时阴极电流及其极化行为不随时间变化，可以用静态场理论来研究，其电位基本方程为泊松方程［12］:

式中:▽为Laplace 算子;i 为电流密度，A/cm2;σ 为溶液电导率，S/m;l 为电解质;φ 为表面电位，V;Q 为源项。

已知假设研究系统内没有电流的得失，即Q为零，在稳态的情况下电位分布的控制方程:

当计算范围内介质均匀，电解质电导率为常数，则方程(2)可以简化为:

1.2 边界条件

从数学角度来讲，满足控制方程的解有很多，要得到定解，必须对研究区域进行限制和确定相应的边界条件。通常阴极保护系统是由阳极、阴极和绝缘面组成的。与之相对应的边界条件有三类。

(1)边界电位已知，φ(x，y，z)=φA，这属于数理方程的第一类边界条件。

在凝汽器水室内表面，阳极和阴极反应同时存在。阳极的半电池反应:

腐蚀电流密度用Tafel 方程表示:

式(5)中:φs为碳钢水室表面电位，V为交换电流密度，A/cm2为平衡电位，V;bFe为碳钢塔菲尔斜率，V/dec。

对于非酸性电解质中，最主要的阴极半电池反应为氧的还原反应:

其Tafel 方程为:

式(7)中:φs为碳钢水室表面电位，为氧交换电流密度，A/cm2为氧交换平衡电位，V;bO2为氧还原塔菲尔斜率，V/dec。

2 电化学试验方法与结果

将Q235B 加工成尺寸为10 mm ×10 mm ×5 mm。表面处理根据GB5776-86 标准规定:用水磨砂纸对工作面依次采用240 号、360 号、600 号、800 号和1000 号进行逐级打磨去除表面层氧化膜，经超声波清洗，丙酮中进行脱脂除油，再用去离子水彻底清洗干净，用电吹风吹干，并放入干燥器中备用。

采用动电位扫描法对凝汽器水室材料Q235B钢在天然海水中不同温度下进行极化曲线测量。Q235B 水室实验温度分别为20，30，40 和50 ℃，采用恒温水浴锅进行温度控制。温度的选择主要是考虑到国内不同海域温度的差异和冷却水进入凝汽器内水温的变化也会对极化曲线产生影响。实验测得不同温度下Q235B 的极化曲线见图1。

图1 不同温度下Q235B 的极化曲线

根据图1 中所测的Q235B 在不同温度下的极化曲线，可以得到在不同温度下Q235B 的电化学腐蚀参数，见表1。

表1 不同温度下Q235B 电化学参数

从表1 中可知随着温度的升高，Q235B 的腐蚀电位呈下降趋势，腐蚀电流密度逐渐增加，腐蚀速率逐渐增大，Q235B 水室腐蚀越严重。

3 应用算例

3.1 物理模型

以某滨海电厂凝汽器为例，设计在海水介质中外加电流阴极保护简化凝汽器模型，见图2。即建立一个尺寸为280 mm ×280 mm ×300 mm 的矩形Q235B 水室，为简化计算，将钛管束简化为5 根φ19 mm ×1 mm ×300 mm 的圆形TA2 钛管，通过管板与水室相连。在水室内安装1 根金属氧化物辅助阳极，尺寸为φ7 mm ×80 mm。辅助阳极竖直放置，布置在水室中远离管板处。

图2 凝汽器阴极保护简化物理模型

3.2 数值模拟和实验验证

为了解循环冷却水温度对凝汽器水室阴极保护电位的影响，利用仿真软件COMSOL 对不同温度下Q235B 水室管板阴极保护电位分布进行了数值模拟，结果见图3。

从图3 中可知，温度位于20～50 ℃时，随着温度的升高Q235B 水室管板处变化趋势基本一致。20 ℃时，管板电位为-825.6～-836.9 mV;30 ℃时，管板电位为-816.6～-827.2 mV;40 ℃时，管板电位为-806.6～-817.5 mV;50 ℃时，管板电位为-796.8～-807.6 mV。分析可知，随着温度的升高对Q235B 水室阴极保护电位分布总体趋势影响不大，但外加电流阴极保护的效果不断降低。

图3 不同温度时水室管板电位分布

为了验证数值仿真软件计算凝汽器水室阴极保护电位数据的正确性，利用图2 所示室内阴极保护系统模拟实验平台作验证实验，用高阻抗万用表对管板中线进行分段均匀测试，数值模拟结果与实验测试结果见图4。

实验测得管板中线电位比模拟值要偏正些，偏差范围在3%以内，其结果与实验结果较吻合，证明所建模型的可靠性和准确性，因而可以用该方法对凝汽器水室电位分布规律进行探讨。

图4 数值模拟结果与实测结果对比

4 结论

(1)随着温度的升高，Q235B 的腐蚀电位呈下降趋势，腐蚀电流密度逐渐增加，腐蚀速率逐渐增大，Q235B 水室腐蚀越严重。

(2)通过建立合理的数学模型可以准确地模拟出凝汽器水室阴极保护电位分布，证明所建模型的可靠性和准确性，因而可以用该方法对凝汽器水室电位分布规律进行探讨。

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