Numerical modeling of corrosion and design of cathodic protection systems

Abstract

Corrosion is a major threat to structures in all sectors, such as energy, oil and gas, transportation, chemistry, civil engineering, pharmaceuticals, machinery etc. Corrosion threatens the structural integrity of offshore structures, steel reinforcement, pipelines transporting water and hydrocarbons, chemical plants, power plants and nuclear reactors etc. Corrosion forms are divided into two main categories, depending on the damage they cause; (a) generalized corrosion, which occurs on the whole surface in contact with the electrolyte and (b) localized corrosion. Localized corrosion occurs due to non-homogeneous conditions either on the metal or the electrolyte composition. Forms of localized corrosion are galvanic corrosion, pitting corrosion, crevice corrosion, stray current corrosion etc. Currently, the economic factor is a very important motivation for much of the current research in corrosion. A recent study by NACE estimates the global cost of corrosion to be US$2.5 trillion. The use of corrosion prevention and protection methods such as corrosion inhibitor injection, selecting corrosion-resistant materials and cathodic protection, can reduce the corrosion cost by 15-35%. Several methodologies for corrosion prevention and protection have been used in the industry, such as corrosion inhibitors, coating systems, corrosion-resistant materials selection, cathodic protection etc. According to standards (e.g. ISO 15589, ISO 24656, DNV RP-0416) cathodic protection is mandatory for the submerged surfaces of offshore structures and ships, aboveground tank bottoms, and buried pipeline networks. Cathodic protection systems are divided in two categories (a) impressed current cathodic protection (ICCP) and (b) sacrificial anode cathodic protection (SACP) systems. Standards (e.g. ISO 15589, ISO 24656, DNV RP-0416) recommend that ICCP design should be carried out using numerical simulations, while SACP design is carried out using the Ohm’s and Faraday laws. Furthermore, if from the resulting design anode interference may occur, standards recommend the use of numerical simulation to carry out the SACP design. Although the first developed model was a finite differences (FD) scheme one, BEM is used extensively the past 40 years, due to the advantages it offers, in comparison with the finite element method (FEM), and finite volume method (FVM). More precisely, BEM offers the advantages of high solution accuracy, especially in the computation of potential gradients (current density), as well as reducing the problem dimensionality by one. The latter advantage is very pronounced, especially for infinite and semi-infinite electrolytes, since only the boundary surfaces must be discretized. The aim of the present work is to study, galvanic, macro-cell, and stray current induced corrosion problems, in order to design effective cathodic protection systems, that protect structures from corrosion and extend their service life, utilizing computational methods. To this end boundary element methods are developed. More precisely, a local domain BEM has been developed to solve corrosion problems, and the ACA/BEM has been extended for solving galvanic, macro-cell, and stray current induced corrosion, and cathodic protection problems of large-scale structures. Then the above-described methods are utilized to design effective cathodic protection systems.

Η διάβρωση απειλεί τη δομική ακεραιότητα κατασκευών σε όλους τους τομείς, όπως η ενέργεια, η βιομηχανία πετρελαίου και αερίου, οι μεταφορές, η χημική βιομηχανία, οι υποδομές, τα φαρμακευτικά προϊόντα, τα μηχανήματα κ.λπ. Παραδείγματα τέτοιων κατασκευών αποτελούν οι παράκτιες και υπεράκτιες κατασκευές, χαλύβδινοι οπλισμοί σκυροδέματος, αγωγοί μεταφοράς νερού και υδρογονανθράκων, χημική σταθμοί, σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής και πυρηνικοί αντιδραστήρες κ.λπ. Οι μορφές διάβρωσης ανάλογα με τη ζημιά που προκαλούν χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες, (α) την γενικευμένη διάβρωση, η οποία εμφανίζεται σε ολόκληρη την επιφάνεια σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη και (β) την τοπική διάβρωση. Η τοπική διάβρωση λαμβάνει χώρα λόγω μη ομοιογενών συνθηκών είτε στο μέταλλο είτε στη σύνθεση του ηλεκτρολύτη. Μορφές τοπικής διάβρωσης είναι η γαλβανική διάβρωση, η διάβρωση μακρό-κελίου, η διάβρωση λόγω αδέσποτων ρευμάτων κ.λπ. Επί του παρόντος, ο οικονομικός παράγοντας είναι ένα πολύ σημαντικό κίνητρο για μεγάλο μέρος της τρέχουσας έρευνας στη διάβρωση. Μια πρόσφατη μελέτη της NACE εκτιμά το παγκόσμιο κόστος της διάβρωσης σε 2,5 τρισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ. Η χρήση μεθόδων πρόληψης και προστασίας από τη διάβρωση, όπως η έγχυση αναστολέων διάβρωσης, η επιλογή ανθεκτικών στη διάβρωση υλικών και η καθοδική προστασία, μπορεί να μειώσει το κόστος διάβρωσης κατά 15-35%. Στη βιομηχανία έχουν χρησιμοποιηθεί αρκετές μεθοδολογίες για την πρόληψη και την προστασία από τη διάβρωση, όπως αναστολείς διάβρωσης, συστήματα επίστρωσης, επιλογή ανθεκτικών στη διάβρωση υλικών, καθοδική προστασία κ.λπ. Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα (πχ. ISO 15589, ISO 24656, DNV RP-0416) η εφαρμογή συστημάτων καθοδικής προστασίας είναι υποχρεωτική για τις βυθισμένες επιφάνειες υπεράκτιων κατασκευών και πλοίων, πυθμένες υπέργειων δεξαμενών και θαμμένα στο έδαφος δίκτυα αγωγών. Τα συστήματα καθοδικής προστασίας χωρίζονται σε δύο κατηγορίες (α) τα συστήματα καθοδικής προστασίας εφαρμοζόμενου ρεύματος (ICCP) και (β) συστήματα καθοδικής προστασίας θυσιαζόμενων ανοδίων (SACP). Τα διεθνή πρότυπα (πχ. ISO 15589, ISO 24656, DNV RP-0416) συνιστούν ότι ο σχεδιασμός ICCP συστημάτων πρέπει να πραγματοποιείται με τη χρήση αριθμητικών προσομοιώσεων, ενώ ο σχεδιασμός SACP πραγματοποιείται με χρήση των νόμων του Ohm και Faraday. Επιπλέον, σε ορισμένες περιπτώσεις τα πρότυπα συνιστούν τη χρήση αριθμητικής προσομοίωσης για τον σχεδιασμό συστημάτων SACP. Αν και το πρώτο μοντέλο που αναπτύχθηκε ήταν ένα σχήμα πεπερασμένων διαφορών (FD), τα BEM χρησιμοποιούνται εκτενώς για τη μελέτη προβλημάτων διάβρωσης και καθοδικής προστασίας τα τελευταία 40 χρόνια, λόγω των πλεονεκτημάτων που προσφέρουν, σε σύγκριση με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) και τη μέθοδο πεπερασμένου όγκου (FVM). Πιο συγκεκριμένα, τα BEM προσφέρουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής ακρίβειας λύσης, ειδικά στον υπολογισμό των χωρικών παραγώγων του ηλεκτρικού δυναμικού (πυκνότητα ρεύματος), καθώς και μείωση της διάστασης του προβλήματος κατά μια. Το τελευταίο πλεονέκτημα είναι περισσότερο σημαντικό, ειδικά για άπειρους και ημι-άπειρους ηλεκτρολύτες, αφού μόνο οι επιφάνειες των συνόρων είναι απαραίτητο να διακριτοποιηθούν. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να μελετήσει προβλήματα γαλβανικής διάβρωσης, διάβρωσης μακρό-κελίου, καθώς και διάβρωσης που προκαλείται από αδέσποτα ρεύματα, προκειμένου να σχεδιαστούν αποδοτικά συστήματα καθοδικής προστασίας, που προστατεύουν τις κατασκευές από τη διάβρωση και παρατείνουν τη διάρκεια ζωής τους, χρησιμοποιώντας υπολογιστικές μεθόδους. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν μέθοδοι συνοριακών στοιχείων. Πιο συγκεκριμένα, μια LD-BEM έχει αναπτυχθεί για την επίλυση προβλημάτων διάβρωσης καθώς και η ACA/BEM έχει επεκταθεί για την επίλυση προβλημάτων γαλβανικής διάβρωσης, διάβρωσης μακρό-κελίου, καθώς και διάβρωσης που προκαλούνται από αδέσποτα ρεύματα καθώς και προβλήματα καθοδικής προστασίας κατασκευών μεγάλης κλίμακας. Στη συνέχεια, οι μέθοδοι που περιγράφονται παραπάνω χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό αποδοτικών συστημάτων καθοδικής προστασίας.