船舶與海洋結構物陰極保護電位數(shù)值仿真與優(yōu)化設計.pdf

1、隨著我國船舶工業(yè)的迅速發(fā)展,船舶與海洋結構物日漸趨于大型化和復雜化,這對陰極保護系統(tǒng)的防護有效性也提出了更高的要求。因而尋求實用有效的船舶與海洋結構物陰極保護電位預報與優(yōu)化設計方法對船舶與海洋工程的發(fā)展具有重要意義。
　　在傳統(tǒng)的陰極保護工程設計中,大多采用實際測量或經(jīng)驗估計來獲得保護電位分布。實際測量雖然直觀、可靠性高,但由于時空、環(huán)境等因素的限制往往施工困難,費用昂貴,依靠經(jīng)驗估計也在某種程度上不能保證結果的準確性。近年來計算

2、機的出現(xiàn)和數(shù)值仿真技術的興起,為科學預報、評估和優(yōu)化船舶與海洋結構物陰極保護系統(tǒng)提供了全新的技術手段。數(shù)值仿真方法具有快捷、經(jīng)濟、獲得數(shù)據(jù)全面、結果直觀等優(yōu)點,因此本文研究船舶與海洋結構物的陰極保護電位數(shù)值仿真和優(yōu)化設計具有重要的理論意義和工程實用價值。
　　本文首先研究了應用傳統(tǒng)公式進行船舶與海洋結構物陰極保護方案的初步設計方法。根據(jù)船舶與海洋結構物結構特點、營運環(huán)境和材料的電化學特性,選取陰極保護方法和主要設計參數(shù)——保護電位

3、和保護電流密度,由結構圖紙或計算公式得出保護面積,進而確定輔助陽極或犧牲陽極的類型和數(shù)量,最終得出滿足腐蝕防護目標要求的陰極保護初步方案。為后續(xù)章節(jié)的陰極保護電位數(shù)值仿真和優(yōu)化設計奠定基礎。
　　本文采用三維邊界元方法求解陰極保護數(shù)學模型,通過引入分段擬線性化方法處理邊界條件的非線性問題,建立線性方程組并求解,最終應用FORTRAN語言實現(xiàn)自主開發(fā)陰極保護電位數(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,仿真結果輸出形式多樣,可對多種陰極保護方法的保護電位進行數(shù)值仿真,便于操作和工程實際應用。通過將軟件計算結果與實驗值比較,驗證了軟件計算方法的可行性和計算結果的準確性。應用該軟件對本文設計的9200TEU集裝箱船外加電流陰極保護系統(tǒng)和400ft自升式鉆井平臺犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)的保護電位進行仿真預報,可得出詳細準確全面的電位分布計算結果。本文根據(jù)工程實際應用經(jīng)驗,提出仿真計算的建模流程和邊界條件設定方法。在9200T

5、EU集裝箱船外加電流陰極保護電位仿真過程中,采用在極化曲線中保持電位不變,改變電流密度的方法實現(xiàn)模擬涂層破損率。在400ft自升式鉆井平臺犧牲陽極陰極保護電位仿真過程中,采用分塊邊界元方法解決計算中電解質不一致問題,提出分區(qū)域建模方法解決電解質不連續(xù)問題,通過將模型整體電位分布計算中獲得的內面電位值作為邊界條件加載到計算結構相貫區(qū)域電位分布模型中相對應的內面節(jié)點上,得到自升式平臺復雜節(jié)點保護電位分布。分析計算結果得出:400ft自升式鉆

6、井平臺犧牲陽極陰極保護初步方案合理可行,9200TEU集裝箱船外加電流陰極保護初步方案還需進行優(yōu)化。
　　鑒于大型船舶根據(jù)計算公式設計外加電流陰極保護方案時在細節(jié)方面易存在不足,導致部分區(qū)域出現(xiàn)保護不足和過保護,本文分別以保護電位均勻分布和陽極輸出電流最小為優(yōu)化目標,以陽極輸出電流為優(yōu)化參數(shù),將模擬退火算法與邊界元方法相結合,編寫陰極保護優(yōu)化設計軟件。通過控制冷卻進度表,該軟件實現(xiàn)了優(yōu)化過程可控。通過將船舶優(yōu)化后保護電位分布與優(yōu)化