基于COMSOL的钻井平台模拟海水腐蚀保护仿真分析
摘要：随为了减缓金属在海水中的因腐蚀而损坏的过程，人们期盼能广泛运用耐蚀性能优秀的材料或者其他缓蚀的方法。但比较典型的几种常规金属对孔蚀和缝隙腐蚀都非常敏感。其中部分金属还有相当严重的副作用，例如铜在海水中特别是硫化物较多的海水区易生成硫化铜;铝在海水中易产生局部腐蚀，电偶腐蚀。相比较近些年来，通过表面镀保护金属来减缓腐蚀，牺牲外部的保护金属，来使内部的承重金属保持较好的力学性能这一方法被大家更广泛的使用和接受。
COMSOL Multiphysics是一个新普及的多物理场耦合仿真软件，通过参数化建模，可以耦合多物理场在同一环境下对研究主体造成的影响并进行有效分析。本文将应用COMSOL模拟石油钻井通过牺牲电极进行腐蚀保护。模拟过程将以金属铝为阳极牺牲极，来保护主体钢架结构（阴极），同时海水作为电解质（液），吸氧腐蚀为主要诱因，通过计算电位分布，以图象的形式展现整体钢架结构不同电位区的腐蚀程度。从而为维护监测人员提供有效的腐蚀参考，同时也证明通过软件模拟钻井平台通过牺牲电极进行腐蚀保护是有实际意义的。
关键词：COMSOL Multiphysics 牺牲阳极 吸氧腐蚀 电位
国内外同类研究概况： 由于海水腐蚀的特殊性，不同海域不同浸泡时间以及不同的海洋综合因素都会对整个海水腐蚀的定性研究造成很大的困难，因此对于相关的金属的海水腐蚀的研究论文并不是特别多。同时对于这一块的研究方法、目的不同，选取的暴露时间有很大差别。试验室试验，一般在1个月内，不超过2个月，实海试验则是金属暴露在海水里1年、2年的较多[2]。长期暴露的腐蚀相对较少，随着金属在海水中浸泡时间的增加，其腐蚀产物、海洋生物污损及腐蚀机理会发生相当大的变化。较短暴露时间或一个较长暴露阶段的腐蚀结果的不同的，所以目前对海水腐蚀的研究都有一定的局限性。目前，还缺少对金属从浸入海水到长期（10-20年）暴露的腐蚀和生物污损导致腐蚀损坏的系统研究[3]。只有一些针对海水腐蚀某一单方面或者少数方面作为腐蚀主因进行系统研究的相关文献。
2.2.1挂片法。该方法是通过挂片试验、极化曲线分布的方式来实验分析了钢材在自配比海水中的腐蚀过程[4]。实验结果显示，在模拟海水中C1- 对整体腐蚀的影响是最严重的，而且腐蚀的速率是受Cl-浓度的影响的。具体影响是随着Cl-浓度的的增大先腐蚀速率加重后腐蚀速率减小。同时腐蚀的主要表现形式为局部腐蚀和;电极部分的表现为整体阳极反应不剧烈，阳极本身的极化程度很小，但是整个阴极的腐蚀过程的速率受氧浓度影响，同时也受O2的扩散左右所影响，腐蚀的主因是O2的去极化的过程所导致的[4]。
钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所的黄桂桥研究员长期是通过使用钢挂片在实体海水内（国内多处临海地区作为实验站）暴露的研究方法，分别测量出不同的钢挂片在各个实验站暴露一定长的时间后金属表面的腐蚀程度(腐蚀深度，定性测量平均损失厚度）和局部点蚀的程度(选局部参反应腐蚀程度，20个点蚀坑深度值的平均值，3个试样区域的每个金属钢片表面取7个表面积最大的点蚀坑深度)[5]。
国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所白荣明研究员腐蚀试验采用重量法，试片为A3钢标准试片;试验温度为50`C, 80`C;试验时间168小时。
2.2.2失重法与电化学法。失重法是目前研究人员最常用也是最方便相对精准的腐蚀速率的定性测量方法之一[6]。但同时特的缺点也非常的明显，因为失重法和挂片法相同，需要长期的户外浸泡，导致测量的周期明显增长，获得的有效信息偏少，消耗人力财力以及时间，并且不能用于长期监测现场腐蚀的过程。对比之下，电化学腐蚀研究法能有更大的优势，因为该方法测量速度相对快，能从该腐蚀过程获得的更多的有效信息，能够达到对现场腐蚀程度的快速监测和定性测量，该方法已经逐渐成为各种复杂环境中被研究人员广泛认可并大规模使用的测试金属腐蚀过程的重要方式。但是，与失重法相比，腐蚀电化学法仍是一种间接对腐蚀速度进行测量的方式，所以该方法需要在研究人员完全了解整体加局部各部分腐蚀原理的条件下，才能使用。研究人员一般会使用相对应的精确方法再根据监测结果数据计算出腐蚀过程速率相关的参数。因此，在精准监测锈层金属下整个电化学腐蚀过程时会存在一定的困难，造成测量数据与真实数据的偏差。电化学腐蚀方法可以用于测量表面光洁的金属，在这种状况下，测量得到的钢铁腐蚀速度是与失重法精准测量得到结果大致相同的，但如果测定的是带锈钢铁时，对于锈层下的监测就会有误差，所以最后得出的腐蚀速度会偏离失重法测定的结果。
中国海洋大学化学化工学院的邹妍教授和中国科学院金属研究所的王佳研究员通过电化学腐蚀研究法对海水中碳钢的短期（7周）腐蚀行为进行了研究。把电化学方法得到的结果与失重法进行了对比，发现在短期浸泡，腐蚀时间较短的情况下，两种方法得到的腐蚀速率，总体变化趋势基本相同。电化学方法是用铂片辅助电极和甘汞参比电极组成的三级的电极体系，用电位仪对电位进行监测。
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