船舶與海洋結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)電位數(shù)值仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著我國(guó)船舶工業(yè)的迅速發(fā)展,船舶與海洋結(jié)構(gòu)物日漸趨于大型化和復(fù)雜化,這對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)有效性也提出了更高的要求。因而尋求實(shí)用有效的船舶與海洋結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)電位預(yù)報(bào)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)船舶與海洋工程的發(fā)展具有重要意義。
　　在傳統(tǒng)的陰極保護(hù)工程設(shè)計(jì)中,大多采用實(shí)際測(cè)量或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)來(lái)獲得保護(hù)電位分布。實(shí)際測(cè)量雖然直觀、可靠性高,但由于時(shí)空、環(huán)境等因素的限制往往施工困難,費(fèi)用昂貴,依靠經(jīng)驗(yàn)估計(jì)也在某種程度上不能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。近年來(lái)計(jì)算

2、機(jī)的出現(xiàn)和數(shù)值仿真技術(shù)的興起,為科學(xué)預(yù)報(bào)、評(píng)估和優(yōu)化船舶與海洋結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)系統(tǒng)提供了全新的技術(shù)手段。數(shù)值仿真方法具有快捷、經(jīng)濟(jì)、獲得數(shù)據(jù)全面、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn),因此本文研究船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的陰極保護(hù)電位數(shù)值仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　本文首先研究了應(yīng)用傳統(tǒng)公式進(jìn)行船舶與海洋結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)方案的初步設(shè)計(jì)方法。根據(jù)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、營(yíng)運(yùn)環(huán)境和材料的電化學(xué)特性,選取陰極保護(hù)方法和主要設(shè)計(jì)參數(shù)——保護(hù)電位

3、和保護(hù)電流密度,由結(jié)構(gòu)圖紙或計(jì)算公式得出保護(hù)面積,進(jìn)而確定輔助陽(yáng)極或犧牲陽(yáng)極的類(lèi)型和數(shù)量,最終得出滿(mǎn)足腐蝕防護(hù)目標(biāo)要求的陰極保護(hù)初步方案。為后續(xù)章節(jié)的陰極保護(hù)電位數(shù)值仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
　　本文采用三維邊界元方法求解陰極保護(hù)數(shù)學(xué)模型,通過(guò)引入分段擬線(xiàn)性化方法處理邊界條件的非線(xiàn)性問(wèn)題,建立線(xiàn)性方程組并求解,最終應(yīng)用FORTRAN語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)自主開(kāi)發(fā)陰極保護(hù)電位數(shù)值仿真軟件。該軟件克服了以往商業(yè)軟件中存在的仿真模型建立方式唯一和模型

4、不具有通用性的缺陷,仿真結(jié)果輸出形式多樣,可對(duì)多種陰極保護(hù)方法的保護(hù)電位進(jìn)行數(shù)值仿真,便于操作和工程實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)將軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較,驗(yàn)證了軟件計(jì)算方法的可行性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。應(yīng)用該軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的9200TEU集裝箱船外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)和400ft自升式鉆井平臺(tái)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電位進(jìn)行仿真預(yù)報(bào),可得出詳細(xì)準(zhǔn)確全面的電位分布計(jì)算結(jié)果。本文根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),提出仿真計(jì)算的建模流程和邊界條件設(shè)定方法。在9200T

5、EU集裝箱船外加電流陰極保護(hù)電位仿真過(guò)程中,采用在極化曲線(xiàn)中保持電位不變,改變電流密度的方法實(shí)現(xiàn)模擬涂層破損率。在400ft自升式鉆井平臺(tái)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)電位仿真過(guò)程中,采用分塊邊界元方法解決計(jì)算中電解質(zhì)不一致問(wèn)題,提出分區(qū)域建模方法解決電解質(zhì)不連續(xù)問(wèn)題,通過(guò)將模型整體電位分布計(jì)算中獲得的內(nèi)面電位值作為邊界條件加載到計(jì)算結(jié)構(gòu)相貫區(qū)域電位分布模型中相對(duì)應(yīng)的內(nèi)面節(jié)點(diǎn)上,得到自升式平臺(tái)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)保護(hù)電位分布。分析計(jì)算結(jié)果得出:400ft自升式鉆

6、井平臺(tái)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)初步方案合理可行,9200TEU集裝箱船外加電流陰極保護(hù)初步方案還需進(jìn)行優(yōu)化。
　　鑒于大型船舶根據(jù)計(jì)算公式設(shè)計(jì)外加電流陰極保護(hù)方案時(shí)在細(xì)節(jié)方面易存在不足,導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)保護(hù)不足和過(guò)保護(hù),本文分別以保護(hù)電位均勻分布和陽(yáng)極輸出電流最小為優(yōu)化目標(biāo),以陽(yáng)極輸出電流為優(yōu)化參數(shù),將模擬退火算法與邊界元方法相結(jié)合,編寫(xiě)陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。通過(guò)控制冷卻進(jìn)度表,該軟件實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化過(guò)程可控。通過(guò)將船舶優(yōu)化后保護(hù)電位分布與優(yōu)化