随着海洋经济迅猛增长,海上工业活动日益频繁,在全球经济一体化高速发展的今天,世界各国对海洋能源的需求不断扩大,使得海洋油气资源开发高潮迭起。随着海上油气田开发与生产的快速发展,海底管线作为联系海洋油气生产、运输的纽带,其发挥的重要作用与日俱增。海底管线所处海洋环境严苛,严重影响了海底管线的使用寿命和安全。由于管线多数埋置于海底的海泥环境中,这就给海管的检测保养和维修带来了重重困难。通过海管水下运行时阴极保护的电位分布可了解涂层的破损情况,及时发现腐蚀倾向,以便采取措施加以修复,从而消除安全隐患,延长海管的使用寿命。目前,数值计算在阴极保护领域已得到广泛应用,数学模型在解决阴极保护电位场分布计算方面已取得成功,成为了优化阴极保护设计的重要手段,并已在海上平台和陆地输油(气)管线的阴极保护中获得较好的实施。但在海底输油、气管线的阴极保护工程,特别是针对海底管线涂层发生破损时海管水下阴极保护电位的分布,在数学模型和数值计算方法等方面还有待于进一步的研究。因此,有必要针对海底管线涂层破损时阴极保护过程进行研究,并建立适用于海管涂层破损时阴极保护的数学模型,通过正确计算获得阴极保护电位分布。这对于了解海管真实运行时涂层的破损情况；及时发现腐蚀倾向,采取措施加以修复；消除安全隐患,延长海管的使用寿命等方面具有较为重要的参考意义。本文针对海底管线真实运行时所存在涂层易发生破损的问题,根据相似论和因次分析的理论,选用0273 mm×12000 mm的实际海管,管段加Al-Zn-In-Si手镯式牺牲阳极组成阴极保护体系,设计海底管线水下阴极保护实验装置,进行现场大尺寸模拟实验,获得了海管涂层不同破损程度时,阴极保护电位分布情况。并得到海管及牺牲阳极的极化参数,从而获得了对数学模型进行数值计算所需的边界条件。测量所得电位分布数据可用于验证所建立的数学模型的合理性与正确性；所得边界条件可进一步为使用数学模型计算海管涂层不同程度破损电位分布提供基础条件,为后续数学模型数据库的建立提供数据支持。在拉普拉斯(Laplace)方程的基础上结合海管涂层破损时所需的边界条件,建立适用于海管涂层破损时阴极保护的数学模型。将边界条件中涂层表观面电阻率分别取不同值,进行有限元法计算,得到了当海管涂层完好区域表观面电阻率取2000 k Ω.·cm2时,有限元计算结果是合理的,并且实验测量电位分布与数值计算结果具有较好的吻合性,从而证明了所建立的数学模型的正确性,可以用来评价所研究情况下的阴极保护效果。通过对数学模型有限元计算中,阳极因素、阴极因素、表观面电阻率取值、有限元计算方法四个方面的分析,解决了数学模型计算所产生的误差来源。实验测量值和数值计算结果具有较好的吻合性,充分说明所建立的数学模型适用于海底管线涂层发生破损时的阴极保护电位分布计算。根据海管的相关参数和边界条件,通过有限元计算获得了海管涂层不同破损率、不同破损形状的电位场分布,并进行了计算结果的对比,得到了各种破损状况下,海管的阴极保护效果和电位场分布规律,为进一步建立海底管线涂层破损阴极保护电位分布数值计算数据库提供了基础。