一种简单有效的船体外加电流阴极保护设计方法
发布时间：2021-10-08 02:47
目的提出一种简单确定外加电流大小和辅助阳极位置的方法。方法 对阳极的位置进行离散处理,通过Matlab中的脚本程序,控制COMSOL有限元软件的运行,交替地调整电流大小和阳极位置,经过搜索,找到最佳阳极布局和相应的最小输入电流。采用这一方案进行有限元计算。结果船体表面全部得到了保护,保护率为100%,每个阳极所需电流只有0.057 26 A,最高保护电位为0.84 V左右,过保护现象不严重。结论提出的方法能够较好地解决外加电流阴极保护设计中遇到的难题,具有简单、易操作的优点,并具有普适性。
【文章来源】：表面技术. 2019,48(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
船体几何模型
变成离子状态，在水分子这种极性分子的作用下，很容易溶解到水中，从而导致了船体的腐蚀。为了阻止腐蚀的发生，必须抑制反应（1）的进行。外加电流阴极保护，就是采用外电源向船体表面注入电流，以代替反应（1）向反应（2）提供电子。注入的电流使船体表面产生阴极极化，当极化电位达到800mV时（参比电极为Ag/AgCl/Seawater），表面就会得到保护。当外电源向船体注入电流时，由于海水是强电解质，具有导电性，因此会在船体周围的一块水体里产生电场，存在电位分布。如果围绕船体周围划分出一块适当大小的水体Ω，如图2a所示，则当水体中电位处于稳态时，其分布满足Laplace方程：2222220xyz(3)式中：为电解液电势；x,y,zΩ。图2边界条件与有限元离散Fig.2BoundaryconditionsandFEMdiscretization:a)Boundaryconditions;b)Geometrydiscretization1.2边界条件1.2.1电化学反应界面边界①上发生电化学反应(1)和(2)，其电流和电势关系分别遵循Tafel公式：FeFeFe0Aaiie(4)O2O22O0Aciie(5)
.8mA/m2。船体被保护面积为11.564m2，因此所需要的总电流为：I=0.1943A。因为有四个电极供电，所以每个电极的供电电流约为0.05A。1.2.3无限远处边界条件所谓无限远不是空间位置的无限远，而是指电场强度很弱，近乎为0的地方，如图2a中的表面③，此处表面电流可看作为0：10n(9)式中：n为表面法向方向。1.3几何模型离散及求解设置完边界条件后，对几何模型进行离散，得到有限元模型，如1.1小节中图2b所示。然后对模型求解，得到船体表面电位分布云图和等值线图（如图3所示）。由图3可见，靠近电极的地方电位较高，电极中间区域的电位较低。总体来看，船体表面电位均小于保护电位0.8V，可见整个船体都没有得到保护，说明先前估算的电流偏低，应适度增加电流供应。图3计算结果Fig.3Calculationresults:a)cloudmapofpotentialdistribution;b)contourlinesofpotential2最优设计方案2.1思想概述一个最优的保护方案，应达到这样的效果：在最小的输入电流下，船体表面的保护面积达到最大。1.2节中的电极布局显然不是最佳布局，因为表面电位没有达到0.8V的保护电位，大部分处于未保护状态，需要增大电流，并且要调整电极位置。如果只是增大电流，则对布局的要求有所下降，即当电流增大到一定程度后，不管电极如何布置，船体表面都会得到保护。这种设计理念是粗放的，是以增大耗电量为代价的，不符合现代设计要求，所以必须确定合理的电流输入，以尽量小的电流，达到尽量大的保护面积。
【参考文献】：
期刊论文
[1]辽河油田土壤中溶解氧对X70管线钢腐蚀的影响[J]. 谢飞,王月,王兴发,王军,郭大成,姜锦涛,赵鑫. 表面技术. 2018(10)
[2]X65和X80管线钢在大港模拟土壤溶液中的阴极保护参数研究[J]. 陈迎春,王新华,王翠,王祖全,郑刚. 表面技术. 2018(06)
[3]基于数值模拟的海上平台阴极保护系统的技术研究[J]. 余晓毅,赵赫,常炜,宋世德,黄一. 装备环境工程. 2017(02)
[4]沿海及盐渍地区输电杆塔混凝土钢筋阴极保护技术研究[J]. 王弯弯,张胜寒,张秀丽,王熙俊. 华北电力技术. 2016(08)
[5]外加电流阴极保护电流屏蔽与阴极干扰研究[J]. 尚兴彬,胡乃科,张守峰,张建宾,胡威. 石油化工腐蚀与防护. 2015(06)
[6]沙钢取水船阴极保护技术的应用[J]. 孙斌,王广,赵文革,施成荣. 城市建筑. 2013(22)
[7]海洋结构物牺牲阳极阴极保护设计方法探讨[J]. 刘存,赵增元,马永青,朱玉婷,孔爱民. 全面腐蚀控制. 2011(09)
[8]阴极保护数值模拟计算边界条件的确定[J]. 郝宏娜,李自力,王太源,丁延鹏,衣华磊. 油气储运. 2011(07)
[9]船体外加电流阴极保护的应用[J]. 朱万武,许杨溢. 广东造船. 2011(01)
[10]船体外加电流阴极保护系统设计中问题的探讨[J]. 曾晓燕. 中国航海. 2009(04)
博士论文
[1]几种金属在海水中阴极保护数值计算及瞬态激励影响研究[D]. 王巍.中国科学院研究生院（海洋研究所） 2011
本文编号：3423276
【文章来源】：表面技术. 2019,48(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
船体几何模型
变成离子状态，在水分子这种极性分子的作用下，很容易溶解到水中，从而导致了船体的腐蚀。为了阻止腐蚀的发生，必须抑制反应（1）的进行。外加电流阴极保护，就是采用外电源向船体表面注入电流，以代替反应（1）向反应（2）提供电子。注入的电流使船体表面产生阴极极化，当极化电位达到800mV时（参比电极为Ag/AgCl/Seawater），表面就会得到保护。当外电源向船体注入电流时，由于海水是强电解质，具有导电性，因此会在船体周围的一块水体里产生电场，存在电位分布。如果围绕船体周围划分出一块适当大小的水体Ω，如图2a所示，则当水体中电位处于稳态时，其分布满足Laplace方程：2222220xyz(3)式中：为电解液电势；x,y,zΩ。图2边界条件与有限元离散Fig.2BoundaryconditionsandFEMdiscretization:a)Boundaryconditions;b)Geometrydiscretization1.2边界条件1.2.1电化学反应界面边界①上发生电化学反应(1)和(2)，其电流和电势关系分别遵循Tafel公式：FeFeFe0Aaiie(4)O2O22O0Aciie(5)
.8mA/m2。船体被保护面积为11.564m2，因此所需要的总电流为：I=0.1943A。因为有四个电极供电，所以每个电极的供电电流约为0.05A。1.2.3无限远处边界条件所谓无限远不是空间位置的无限远，而是指电场强度很弱，近乎为0的地方，如图2a中的表面③，此处表面电流可看作为0：10n(9)式中：n为表面法向方向。1.3几何模型离散及求解设置完边界条件后，对几何模型进行离散，得到有限元模型，如1.1小节中图2b所示。然后对模型求解，得到船体表面电位分布云图和等值线图（如图3所示）。由图3可见，靠近电极的地方电位较高，电极中间区域的电位较低。总体来看，船体表面电位均小于保护电位0.8V，可见整个船体都没有得到保护，说明先前估算的电流偏低，应适度增加电流供应。图3计算结果Fig.3Calculationresults:a)cloudmapofpotentialdistribution;b)contourlinesofpotential2最优设计方案2.1思想概述一个最优的保护方案，应达到这样的效果：在最小的输入电流下，船体表面的保护面积达到最大。1.2节中的电极布局显然不是最佳布局，因为表面电位没有达到0.8V的保护电位，大部分处于未保护状态，需要增大电流，并且要调整电极位置。如果只是增大电流，则对布局的要求有所下降，即当电流增大到一定程度后，不管电极如何布置，船体表面都会得到保护。这种设计理念是粗放的，是以增大耗电量为代价的，不符合现代设计要求，所以必须确定合理的电流输入，以尽量小的电流，达到尽量大的保护面积。
【参考文献】：
期刊论文
[1]辽河油田土壤中溶解氧对X70管线钢腐蚀的影响[J]. 谢飞,王月,王兴发,王军,郭大成,姜锦涛,赵鑫. 表面技术. 2018(10)
[2]X65和X80管线钢在大港模拟土壤溶液中的阴极保护参数研究[J]. 陈迎春,王新华,王翠,王祖全,郑刚. 表面技术. 2018(06)
[3]基于数值模拟的海上平台阴极保护系统的技术研究[J]. 余晓毅,赵赫,常炜,宋世德,黄一. 装备环境工程. 2017(02)
[4]沿海及盐渍地区输电杆塔混凝土钢筋阴极保护技术研究[J]. 王弯弯,张胜寒,张秀丽,王熙俊. 华北电力技术. 2016(08)
[5]外加电流阴极保护电流屏蔽与阴极干扰研究[J]. 尚兴彬,胡乃科,张守峰,张建宾,胡威. 石油化工腐蚀与防护. 2015(06)
[6]沙钢取水船阴极保护技术的应用[J]. 孙斌,王广,赵文革,施成荣. 城市建筑. 2013(22)
[7]海洋结构物牺牲阳极阴极保护设计方法探讨[J]. 刘存,赵增元,马永青,朱玉婷,孔爱民. 全面腐蚀控制. 2011(09)
[8]阴极保护数值模拟计算边界条件的确定[J]. 郝宏娜,李自力,王太源,丁延鹏,衣华磊. 油气储运. 2011(07)
[9]船体外加电流阴极保护的应用[J]. 朱万武,许杨溢. 广东造船. 2011(01)
[10]船体外加电流阴极保护系统设计中问题的探讨[J]. 曾晓燕. 中国航海. 2009(04)
博士论文
[1]几种金属在海水中阴极保护数值计算及瞬态激励影响研究[D]. 王巍.中国科学院研究生院（海洋研究所） 2011
本文编号：3423276
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