關(guān)于金屬板屏蔽法弱化雜散電流干擾

1、大連彼鄉(xiāng)大學(xué)DAL!AN以IVERSITYOFTEO種漢OGY碩士學(xué)位論文MASTERALDISSERTATION雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)研究碩士學(xué)位論文雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)研究Stu勿onProtectingTeehniquefortheStrayC叮entCorrosion作者姓名:學(xué)科、專業(yè):學(xué)號:指導(dǎo)教師:完成日期:趙紅梅船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造205080342007.12大連理工大學(xué)DalianUniversityofTeehnology獨(dú)創(chuàng)性說明作者鄭重聲明:本碩士學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得研究成果。盡我所知,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不

2、包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果,也不包含為獲得大連理工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。作者簽名:五魚顯驀日期、7大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要雜散電流腐蝕是長期困擾國內(nèi)外造船企業(yè)的共性問題。因此,研究雜散電流腐蝕的成因,確定有效的解決方案,有著十分重要的實(shí)際意義。大連新船重工46000t系列船舶,在碼頭修造期間出現(xiàn)了不同程度的雜散電流腐蝕現(xiàn)象。本文針對這一具體工程問題,從理論上對雜散電流腐蝕機(jī)理進(jìn)行了深入研究;經(jīng)過現(xiàn)場觀測、理論分析,查明了雜散電流腐蝕的根本原因,即電流泄漏和電位梯度:分別針這兩個(gè)原因,提

3、出了采用犧牲陽極的陰極保護(hù)法及金屬板屏蔽法相結(jié)合的復(fù)合方案防止船體遭受雜散電流腐蝕。犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)在工程應(yīng)用中已相對成熟,本文不再做進(jìn)一步研究。對于金屬板屏蔽法,本文通過試驗(yàn)室模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合來驗(yàn)證該方法解決船舶雜散電流腐蝕問題的有效性。首先,設(shè)計(jì)并制作了雜散電流環(huán)境及試驗(yàn)裝置,以研究金屬板屏蔽法對雜散電流環(huán)境電場的影響,通過系列試驗(yàn)研究了屏蔽板的材料特性、幾何尺寸、接地方式及屏蔽板相對位置等主要參數(shù)對屏蔽效果的影響。其次,通過數(shù)值模擬仿真計(jì)算,進(jìn)一步確認(rèn)了金屬板屏蔽法防護(hù)雜散電流腐蝕的有效性,并對影響屏蔽效果的主要因素進(jìn)行了定量計(jì)算,得出了一些有意義的規(guī)律。模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)

4、算結(jié)果表明,金屬板屏蔽法可有效地消除或弱化環(huán)境電場中本來存在的電位梯度,使船體免遭雜散電流腐蝕。同時(shí)明確了影響屏蔽效果的主要因素,最終給出了防護(hù)雜散電流腐蝕的合理方案。關(guān)鍵詞:雜散電流;腐蝕;金屬屏蔽;模型試驗(yàn);數(shù)值計(jì)算雜散電流腐蝕防護(hù)問題基礎(chǔ)研究StudyonProtectingTechniquefortheStrayCurrentCorrosionAbstraCtThestrayeurrenteormsionhasPuzzledshiPbuildingindustryforalongtimeovertheworld.Therefore,tostudyeansesofthestraycurr

5、entcorrosion,Putfo,ardasolvingsolutionandavoidunneeessarylosses,hasimPortantPracticalsignificaneeandaPPlieationvalue.46000DWTvesselsinDalianShiPYardsufferedstrayeurrenteorrosion.BasedonthisengineeringPraetiee,thisthesisdiseussesthemeehanismofstrayeurrentcorrosionandeleetrostatiefieldtheoretically,an

6、dfindsouttheeausesofthecorrosionbyon一siteobservationandtheoretiealanalysis,whiehareeurrentleakandPotentialgradient.Aceordingtotheeauses,weProPosemethodsbyinereasingthenumberofsaerifieialanodesandusingmetalfieldPlateresPectivelytoProteetvesselsandoffshorestrueturesfromstraycurrenteorrosion.Saerifieia

7、lanodeeathodieProteetionhasbeenaPPliedwidelyinengineering,50thisthesisdoesn'tstudyitanymore.ByusingthemodeltestandnumeriealCaleulation(BEM),weverifiestheeffectivenessofthesolutionwithametalfieldPlate.First,wedesignandmaketheequiPmentandestablisheleetriefieldinthelaboratory,whieh15causesbythestra

8、yeurrentandhavePotentialgradient,andthenobservethePotentialehangesbeforeandafterusingthemetalPlate.ByehangingthematerialProPerties,geometriesize,孚。undingmodeofthemetalPlate,andthedistaneebetweenthemetalPlateandPositiveeleetrode,weeonduetseveralgrouPsoftestsinthelaboratoryresPectively.Seeond,wemodelt

9、heeleetriefield,whiehcoineideessentiallywiththeabovetestsbyusingBEM,verifytheeffectivenessofthemethodusingmetaishieldPlatetoeliminatethePotentialgradient,andquantitativelyCaleulatetheinflueneingfactorsofthestrayeurrenteortosion.Theresultsofthemodeltestsandnumeriealcalculationshowthat,usingmetalshiel

10、dPlateeaneliminatethePotentialgradientandProtectvesselsfromsufferingstrayeurrenteorrosion.Andthisthesisalsomakeseleartheinflueneingfaetorsofthestrayeurrenteorrosion,andProPosestheschemetoavoidstraycurrenteorrosionfinally.KeyWords:strayeurrent:corrosion;metalshield;modeltest:numeriealealeulation大連理工大

11、學(xué)碩士學(xué)位論文目錄摘要.IAbstract.,.111緒論.,.11.1課題的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.11.2國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢.11.3本文的研究內(nèi)容.4參考文獻(xiàn).62船舶雜散電流腐蝕基礎(chǔ)研究.72.1雜散電流基本性質(zhì)研究.72.1.1雜散電流的危害.72.1.2雜散電流產(chǎn)生的原因.82.1.3雜散電流腐蝕的防護(hù)方法.92.2船舶雜散電流腐蝕研究.···.·················&#

12、183;···················n2.2.1船舶雜散電流腐蝕的實(shí)驗(yàn)研究.n2.2.2船舶雜散電流腐蝕的原因.142.2.3船舶雜散電流腐蝕防護(hù)研究.,.162.3本章小結(jié).17參考文獻(xiàn).183靜電屏蔽基本理論.··.···,··········&

13、#183;··193.1靜電屏蔽的物理性質(zhì).·.··········································193.2靜電屏蔽

14、唯一性定理.·······································一213.2.1導(dǎo)體殼不接地.,.·······&

15、#183;··213.2.2導(dǎo)體殼接地.,.···········223.3靜電屏蔽的性質(zhì).、.·····.·············233.3.1電場屏蔽.233.3.2電位屏蔽.243.4靜電屏蔽實(shí)質(zhì).··.··253.5本章小結(jié).25參考文獻(xiàn).

16、,.274雜散電流腐蝕防護(hù)問題的試驗(yàn)研究.28雜散電流腐蝕防護(hù)問題基礎(chǔ)研究4.1.1試驗(yàn)?zāi)康?284.1.2試驗(yàn)設(shè)備及原理.28實(shí)驗(yàn)操作.314.2.1試驗(yàn)示意圖.31,4O叮O自匕成UO沙沙Q戶了”凡、片片J嶺峙內(nèi)月月月月、曰J一Of.J4.2.24.2.3試驗(yàn)方法及步驟.試驗(yàn)過程及測量數(shù)據(jù)4.3本章小結(jié).5雜散電流腐蝕防護(hù)問題的數(shù)值模擬.5.1計(jì)算模型.,.5.2數(shù)值計(jì)算.5.3本章小結(jié).,.結(jié)論.攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況.致謝.,.,.大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書.61大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論1.1課題的理論意義和應(yīng)用價(jià)值碩士論文研究課題來源于大連新船重工有限公司。船

17、舶在大連新船重工有限公司5號和6號海區(qū)修造期間,出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象。如:尾部陰極保護(hù)區(qū)嚴(yán)重銹蝕;焊縫區(qū)出現(xiàn)坑狀;腐蝕坑內(nèi)有黑色粉末鐵銹等。經(jīng)過一系列分析研究和現(xiàn)場觀測,知道了造成腐蝕的主要原因是雜散電流。船舶在其修造期間,需要較長時(shí)間?？吭诖a頭,所以容易遭受雜散電流腐蝕。因?yàn)榇霸诮ㄔ旌托蘩磉^程中,需要使用一些用電設(shè)備,如電焊機(jī)等。這些用電設(shè)備由于一些原因會(huì)有電流泄露出來,這部分泄露的電流會(huì)引起船體的腐蝕;另外由于在碼頭附近也同時(shí)存在著一些用電設(shè)備(或帶電體),即岸電,這些岸電會(huì)在船體所在海區(qū)產(chǎn)生電場,電場的電位分布是不均勻的,因此在電位梯度的作用下,電場內(nèi)部的導(dǎo)體(船體)就很容易產(chǎn)生雜散

18、電流,進(jìn)而遭受腐蝕。雜散電流腐蝕是電化學(xué)腐蝕的一種。腐蝕過程不僅導(dǎo)致材料變質(zhì)破壞也會(huì)造成環(huán)境污染,甚至使設(shè)備構(gòu)件喪失其全部或局部的技術(shù)體系功能,對人身安全和國家財(cái)產(chǎn)造成巨大威脅。雜散電流腐蝕一般很難通過實(shí)驗(yàn)確定,計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算是一種比較理想的研究雜散電流的方法。采用先進(jìn)的數(shù)值模擬仿真技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)全壽命期內(nèi)可控制和有預(yù)見性的復(fù)合防腐系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.2國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢目前,地鐵、輕軌、地下管道等城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及船舶及海洋工程領(lǐng)域中,都出現(xiàn)了不同程度的雜散電流腐蝕現(xiàn)象,引起了國內(nèi)外專家、學(xué)者的重視。通過研究,現(xiàn)在已經(jīng)基本確定了雜散電流腐蝕的各種形式以及一些基本的性質(zhì)。雜散電流主要有三

19、種類型:(l)直流雜散電流腐蝕。電流來源于直流電流源,例如軌道傳輸系統(tǒng)、陰極保護(hù)系統(tǒng)等。根據(jù)雜散電流幅值和電流流經(jīng)路徑是否隨著時(shí)間發(fā)生變化,直接雜散電流將進(jìn)一步分為靜態(tài)雜散電流和動(dòng)態(tài)雜散電流兩種。(2)交變雜散電流腐蝕。電流來源于交變電流源。例如高架交流電線等。侈)地球場的影響。屬于自然界的一種現(xiàn)象,由于地球磁場而引起雜散電流。目前工程中比較常規(guī)的解決雜散電流腐蝕的方法主要是“排流”和“截流”,就是采用疏導(dǎo)和堵截的方法。例如,我國上海軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)的明珠線,在建設(shè)過程中,就采用了這兩種方法來解決雜散電流的腐蝕問題。美國側(cè)chardw技術(shù)主管對美國的數(shù)千條雜散電流腐蝕防護(hù)問題基礎(chǔ)研究地下管道,

20、由于陰極保護(hù)系統(tǒng)造成的雜散電流腐蝕問題也做了分析研究,解決方法也基本相同。在數(shù)值計(jì)算方面,目前普遍認(rèn)為應(yīng)用邊界元方法進(jìn)行數(shù)值模擬仿真是一種比較理想的確定雜散電流腐蝕的方法。例如J.Trevelyan&H.P.hac等對船舶由于外加電流的陰極保護(hù)而引起的雜散電流腐蝕問題做了一定的研究和數(shù)值計(jì)算。雜散電流腐蝕和其它腐蝕一樣,對工程建設(shè)以及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的危害,因此現(xiàn)在許多發(fā)達(dá)國家都投入了大量的人力、物力,對此問題進(jìn)行了長期深入的研究l3!,取得了一些成果。雜散電流的防護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,目前設(shè)計(jì)中的防護(hù)方法大致可歸納為3類l'71:(l)控制和減小雜散電流的根源,隔離所有可能

21、的泄漏雜散電路的途徑,叫做“堵”;(2)為雜散電流提供一個(gè)暢通的低電阻通路,叫做“排”;(3)檢測雜散電.流的大小以便超標(biāo)時(shí)及時(shí)采取措施,叫做“測”。上述雜散電流腐蝕問題的解決方法需要建立在電位測量的基礎(chǔ)上。因此電位的測量對解決雜散電流腐蝕問題具有十分重要的意義。結(jié)構(gòu)物的電位以及電位梯度是影響腐蝕的關(guān)鍵因素,但是測量結(jié)果往往受到電阻和測量時(shí)間等因素的影響。在一個(gè)電解質(zhì)環(huán)境中,雜散電流引起的電場,無論在時(shí)間上,還是在空間上,都是十分不確定的,它的變化是很隨意的。Ferenc通過在地下設(shè)置了一系列的電極,測出不同的電位值,得到了電流和地下電場的方向Park.在地鐵雜散電流的研究中,建議分別獨(dú)立測量

22、地鐵軌道的電位和附近各種管線的電位,通過所測的電位值和它的標(biāo)準(zhǔn)差,決定雜散電流腐蝕的程度。同時(shí)該作者還著重指出,雜散電流在影響其它結(jié)構(gòu)物的過程中,結(jié)構(gòu)物和鐵軌的電位改變是相互平衡的。BaZ:zoni和Uzzari提出了一種外推的方法來獲得結(jié)構(gòu)物上的電位。他們使用了兩個(gè)便攜式的電極,在測量的過程中,其中一個(gè)設(shè)置在管線上方,另外一個(gè)和它保持一定的距離而使它的所測的電位值在2壓一3OmV的范圍內(nèi),通過幾分鐘的測量,得到結(jié)構(gòu)物的電位以及垂直于它方向上的電位梯度。然后通過外推的方法獲得結(jié)構(gòu)物上的電位。他們認(rèn)為通過這種方法得到的電位值可以消除環(huán)境因素的千擾,是比較精確的。另外,Martin和Brinsme

23、ad等其他學(xué)者也都采用了一些數(shù)學(xué)的方法來獲得比較精確的電位值。雜散電流是一個(gè)非靜態(tài)的現(xiàn)象,它的電位以及標(biāo)準(zhǔn)差是隨著時(shí)間而改變的,因此對于測量結(jié)果的分析應(yīng)該采取一種非靜態(tài)的方法1221。KDarowicki、K.zakowskil叨提出了一種瞬時(shí)傅立葉變換(shorttim。Fouricrtransformation)的方法,能夠在頻域范圍內(nèi)分析測量的結(jié)果,同時(shí)得出瞬時(shí)的功率譜密度函數(shù),使對電壓的分析變成對能量的分析,消除時(shí)間對結(jié)果的影響。普通的傅立葉變換是針對不變的數(shù)據(jù)(不隨時(shí)間的變化而變大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文化),而雜散電流是變化的,所以如果直接應(yīng)用傅立葉變換,求出來的是平均值。上述兩人提

24、出了這種特殊的傅立葉變換方法,在積分式里引入了一個(gè)窗口函數(shù)(windowfunetion)。窗口函數(shù)有很多種,作者推薦使用Gausswindow。目前,部分學(xué)者和專家專門對船舶的雜散電流腐蝕問題做了一些研究,也取得了一些成果。比如大連理工大學(xué)化工學(xué)院的任厚眠、李淑英l5等人通過現(xiàn)場的觀測,以及在實(shí)驗(yàn)室做模擬試驗(yàn),能夠?qū)Υw周圍的電場進(jìn)行粗略的定性的描述。他們認(rèn)為修造船期間船體易受雜散電流腐蝕,是由于船上雖然有外加電流陰極保護(hù)裝置但未能正常運(yùn)行,或者可以利用的犧牲陽極不能提供足夠的保護(hù)。同時(shí)在碼頭或船上使用各種用電器,如電焊機(jī)泄漏出的電流流經(jīng)水線以下的船體時(shí),使該部位成為陰極或陽極。如果是陰極,

25、船殼和表面涂層之間的模成為堿性,超過一定的負(fù)電位將在陰極產(chǎn)生析氫,加上電滲透吸水會(huì)使涂層剝離,起泡或者破損。如果船殼是陽極,則鐵融解使基體和涂層之間的貓著力破壞,而形成鐵銹,損壞涂層。這與電解時(shí)的情況基本類似,即陽極是正極,進(jìn)行氧化反應(yīng);陰極是負(fù)極,進(jìn)行還原反應(yīng)。此時(shí)需要重新防腐,耽誤生產(chǎn),造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失【20。根據(jù)法拉第定理可以得到船體因雜散電流腐蝕引起的金屬失重:忿材_伴-1.Fn二二式中,W為t秒內(nèi)融解的金屬克數(shù);M是金屬的原子量;n是金屬原子的電荷(即腐蝕作用的原子價(jià));F是法拉第常數(shù);I是腐蝕電流(安培);由上式看出,腐蝕程度與電流密度的大小成正比I5。船舶雜散電流腐蝕也是電化學(xué)

26、腐蝕的一種,產(chǎn)生雜散電流腐蝕應(yīng)同時(shí)具備:(1)電源(2)電解質(zhì)(3)兩個(gè)電極以電焊機(jī)為例,船舶在系泊期間,進(jìn)行電焊時(shí),有些電焊機(jī)采用了錯(cuò)誤的接線法:將電焊機(jī)負(fù)極接在碼頭上,而不是直接接在被焊船體上,這樣形成兩條電流的通路。一條是電焊機(jī)正極一一船體鋼纜一一剛碼頭電焊機(jī)負(fù)極;另一條是電焊機(jī)正極一一船體一一海水一一碼頭一電焊機(jī)負(fù)極e。這樣就構(gòu)成了產(chǎn)生雜散電流的條件,第二條回路產(chǎn)生的電流就是雜散電流6目前對于船體受雜散電流腐蝕問題,很多專家也給出了一些解決的方法。(1)直接排流雜散電流腐蝕防護(hù)問題基礎(chǔ)研究從雜散電流腐蝕的原理得知,只要破壞產(chǎn)生雜散電流腐蝕的三個(gè)條件中的任意一個(gè),就可以防止雜散電:流產(chǎn)生

27、。船舶系泊期間焊接施工時(shí),將電焊機(jī)放在船上,使得電焊機(jī)負(fù)極與碼頭完全絕緣,從而徹底切斷引起雜散電流腐蝕得電流回路。船舶系泊期間焊接施工時(shí),因某些原因電焊機(jī)不能上船時(shí),應(yīng)將電焊機(jī)負(fù)極通過電纜直接與焊接船舶連接,即堅(jiān)持在哪條船上進(jìn)行焊接就把地線直接接在哪條船上。這樣就不存在雜散電流得陰陽極了。從而切斷了產(chǎn)生雜散電流得回路。(2)犧牲陽極排流位于電場的船體部分,分別被雜散電流陰極極化和陽極極化;雜散電流腐蝕則在陽極區(qū)發(fā)生,如果雜散電流電場較強(qiáng),船體水下部分就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。若水域存在雜散電流電場,應(yīng)在原設(shè)計(jì)的陽極數(shù)量上適當(dāng)增加一些。所以,系泊期間,對于上述雜散電流,可以用犧牲陽極法排流。所謂犧牲陽極

28、法保護(hù),是在一定的電解質(zhì)中用一種比所要保護(hù)的金屬電位更負(fù)的金屬或合金與被保護(hù)的金屬連接在一起,依靠電位比較負(fù)的金屬不斷地溶解所產(chǎn)生的電流來保護(hù)其他金屬的方法。而這種自身腐蝕的金屬就叫做犧牲陽極。采用犧牲陽極保護(hù)時(shí),鋼質(zhì)船舶最小保護(hù)電位達(dá)到一0.85V(相對銅/硫酸銅參比電極),最大保護(hù)電位不超過一1.0V。犧牲陽極排流效果的好壞的關(guān)鍵在于犧牲陽極的質(zhì)量和導(dǎo)線的連接。達(dá)不到保護(hù)電位時(shí),應(yīng)及時(shí)更換。陽極采用懸掛式,必須與船體實(shí)現(xiàn)良好的電性連接,陽極數(shù)量視雜散電流的大小而定。1.3本文的研究內(nèi)容雜散電流腐蝕問題是長期困擾國內(nèi)外造船業(yè)的一個(gè)共性問題。分析雜散電流腐蝕成因,確定有效的解決方案,具有重要的

29、學(xué)術(shù)意義和工程實(shí)用價(jià)值。針對本文提到的工程實(shí)際問題,論文提出犧牲陽極陰極保護(hù)法與金屬板屏蔽法相結(jié)合的復(fù)合防護(hù)方案。根據(jù)現(xiàn)場觀測分析,明確了雜散電流產(chǎn)生的兩個(gè)主要原因,電流泄漏和電位梯度。對于電流泄漏,采用犧牲陽極的陰極保護(hù)法,通過數(shù)值計(jì)算得出增加的犧牲陽極數(shù)量;對于電位梯度,采用金屬板屏蔽法,通過模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)研究解決方案.為確認(rèn)金屬板屏蔽法的有效性,分別采用模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算模擬存在電位梯度的電場環(huán)境。具體的實(shí)現(xiàn)過程如下:一模型試驗(yàn)。制作雜散電流電場環(huán)境。在6米長1米深1米寬的試驗(yàn)水槽中加入深0.5米的人工海水并稀釋,形成電解質(zhì)環(huán)境;由置于絕緣木板上的多個(gè)小銅片作為正極板,銅板作為負(fù)

30、極大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文板,通過教研室研制的電位分布測量儀向正負(fù)極板施加5v電壓,模擬存在電位梯度的電場環(huán)境。通過參比電極測得正負(fù)極板間標(biāo)定好的十個(gè)測量點(diǎn)的電位值。為了驗(yàn)證金屬板屏蔽方法的有效性并探討影響屏蔽效果的主要因素,實(shí)施相關(guān)參數(shù)的系列試驗(yàn):(1)在不采用金屬屏蔽板的情況下,直接測量正負(fù)極板間的電位分布狀態(tài);(2)加金屬銅板作為屏蔽板;(3)改變屏蔽板的幾何尺寸;(4)改變屏蔽板的材料特性(導(dǎo)電性);(5)改變屏蔽板的相對位置。二.數(shù)值計(jì)算。采用邊界元法建立存在電位梯度的電場環(huán)境的數(shù)值仿真模型,針對存在電位梯度的雜散電流腐蝕問題進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。所采用的數(shù)值模擬計(jì)算模型考慮了如下相關(guān)因

31、素:(1)不加金屬屏蔽板的計(jì)算模型;(2)加金屬銅板作為屏蔽板的計(jì)算模型;(3)改變屏蔽板的幾何尺寸(大小)的系列模型;(4)改變屏蔽板相對位置的系列模型。模型建立后,通過邊界元計(jì)算,得出電位分布結(jié)果云圖,觀察正負(fù)極板間的電位分布情況。論文通過試驗(yàn)室模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算對雜散電流腐蝕問題進(jìn)行模擬,確定解決雜散電流腐蝕問題的可行方案,并且針對大連船舶重工的5號和6號海區(qū)存在的雜散電流腐蝕環(huán)境提出解決方案,期望消除或大幅度弱化環(huán)境中的電位梯度,從而解決造船生產(chǎn)過程中的雜散電流腐蝕問題。雜散電流腐蝕防護(hù)問題基礎(chǔ)研究參考文獻(xiàn)1J.Trevelyan&H.P.卜aekAnalysisofstr

32、ayeurrenteorrosionproblemsusingboundaryelementmethod.2G.E.Strong,R.A.AdeyandRudasComputerpredietion。fstrayeurrenteorrosion.3Riehard砰.Bond,P.f:.Strayeurrenteffeetsonduetileironpipe.4楊清勇,黃一雜散電流腐蝕問題的基礎(chǔ)研究.【5任厚眠,張振邦,梁成浩,李淑英.船體受雜散電流腐蝕時(shí)的電力線分布.【6王文杰.船體雜散電流腐蝕的檢測與防止措施.【7焦玉斌,朱文博.外加電流的陰極保護(hù)在德國集裝箱船上的應(yīng)用.【8李貴年,孫明先等

33、.犧牲陽極材料在淡海水介質(zhì)中電化學(xué)性能的研究.9許立坤,權(quán)兆安,董克賢,王朝臣.船舶外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析與預(yù)計(jì).【1。周學(xué)秋,葉愛自,環(huán)坤,張波.電學(xué)問題的邊界元法及計(jì)算機(jī)模擬,【11唐達(dá)培.三種數(shù)值方法的對比性研究.【1幻孫志海,袁庚,朱斌,張延武.陰極保護(hù)在“引碧入連”供水工程中的應(yīng)用.【13馬宏儒,必須重視城市軌道交通雜散電流的腐蝕問題.城市管理與科技.2001.314李相怡,翁永基.石油學(xué)報(bào),1998,19(3):98【15蔣敏志,玄兆林,船舶物理場的信號檢測與測童研究.【16汪園園.雜散電流檢測方案的探討.電氣化鐵道.2001.1【17汪園園,李相怡,翁永基.石油學(xué)報(bào),19

34、98,19(3):98雜散電流“源處理”方法的研究與探討.城市軌道交通研究.【18張有天.邊界元法及其在工程中的應(yīng)用.【19巴斯著.工程分析中的有限元法。【2的陳光章.船舶的電腐蝕及防止措施.1979年腐蝕與防護(hù)論文集.科學(xué)出版社.【21WV貝克曼等著,胡士信等譯.陰極保護(hù)手冊.北京:人民郵電出版社,1990,42722K.Darowieki,K.Zak.)wskiAnewtime_frequeneydeteetionmethodofstrayeurrentfieldinterfereneeonmetalstruetures.CorrosionSeienee46(2004)1061一1070.

35、23ForsythM,BultJ氣,CherryBW:The100mvdeeayeriterion:Theeffeetofoxygendiffusion,13thICC,l通elbourne,Australia,1996,189【24郭興蓬.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),1989,1(2):6大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2舟臺(tái)舶雜散電流腐蝕基礎(chǔ)研究2.1雜散電流基本性質(zhì)研究2.1.1雜散電流的危害雜散電流的定義是“Eleetricaleurrentthroughapathotherthantheintendedpath”。這個(gè)定義比較客觀而生動(dòng)的闡述了雜散電流的特點(diǎn)?？梢赃@樣理解:只要是沒有按照期望的路徑流

36、動(dòng)的電流,都可以叫它雜散電流。例如在軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)中(如圖2.1)。在理想狀態(tài)下,由牽引變電站送出的電流經(jīng)過架空線進(jìn)入列車,然后由鐵軌回到變電站,可以形成一個(gè)封閉的回路。但是,在實(shí)際運(yùn)行過程中若鐵軌之間聯(lián)結(jié)不好,接頭處電阻過大,或者軌道與地面絕緣不良等因素都會(huì)造成電流的泄漏,這些泄漏的電流就是雜散電流14。供電系統(tǒng)接觸軌輸送電流I列車走行軌計(jì)雜散電流,l管線從尹廠圖2.1軌道運(yùn)輸系統(tǒng)中雜散電流示意圖樹92.1RailwayTransPortationSystem按照產(chǎn)生雜散電流的電流源,可以把雜散電流分為三類:第一類:直流雜散電流。雜散電流由直流電流源產(chǎn)生。主要出現(xiàn)在地鐵,直流電焊機(jī)和陰極保

37、護(hù)系統(tǒng)當(dāng)中。第二類:交流雜散電流。主要發(fā)生在高壓輸電線中。雜散電流腐蝕防護(hù)問題基礎(chǔ)研究第三類:由于地球自身的磁場而引起的。雜散電流會(huì)加速金屬的腐蝕。例如上面介紹的軌道交通傳輸系統(tǒng)(圖2.1)。當(dāng)在鐵軌附近埋有自來水管、煤氣管、輸油管線等其它結(jié)構(gòu)物時(shí),都容易引起這些結(jié)構(gòu)物的腐蝕。金屬遭受腐蝕損失的數(shù)量和從金屬釋放出雜散電流的數(shù)量成比例。用法拉第定律可以得到物體因雜散電流腐蝕而失去的金屬的重量。tM_沙.么Fn(2.1)W為金屬溶解的克數(shù);M是金屬的原子量;n是金屬離子的電荷(腐蝕作用中金屬的原子價(jià));F是法拉第常數(shù)(%,500庫侖);人為腐蝕電流(安培)o2.1.2雜散電流產(chǎn)生的原因雜散電流容易

38、受到周圍環(huán)境的各種因素的影響,是一個(gè)不穩(wěn)定的物理量。產(chǎn)生它的原因很復(fù)雜,種類也很多,但一般都可以歸結(jié)為以下兩點(diǎn)。第一,電流泄漏。電流泄漏是產(chǎn)生雜散電流的一個(gè)主要原因。電流泄漏主要是由于接觸或者絕緣不好等原因造成的。因?yàn)橐坏┯须娏餍孤?在這些泄漏電流的作用下,會(huì)導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)物中的自由電子發(fā)生定向移動(dòng),造成電子與金屬陽離子的分離。如果這些金屬結(jié)構(gòu)物的周圍是電解質(zhì)環(huán)境,那么結(jié)構(gòu)物中的金屬陽離子就會(huì)脫離金屬,進(jìn)入電解質(zhì)中去,這樣金屬就遭受了腐蝕。仍然以軌道運(yùn)輸系統(tǒng)(圖2.1)來進(jìn)一步說明這樣的雜散電流腐蝕過程。在軌道運(yùn)輸系統(tǒng)中,采用走行軌回流的直流牽引供電系統(tǒng),接觸網(wǎng)與牽引變電站的正母線連接,牽引變電

39、所輸出的直流電經(jīng)導(dǎo)電軌和架空線送入電動(dòng)車組,流經(jīng)電機(jī)電器后經(jīng)走行軌回流,再經(jīng)連接在走行軌上的導(dǎo)線回流到變電所負(fù)母線。走行軌具有縱向電阻,因此從運(yùn)行車輛至變電站負(fù)母線之間的回流走軌上就產(chǎn)生電壓降,車量附近的走行軌電位相對高一些,形成軌道陽極區(qū),就有正向泄漏電流流入大地鐵隧道混凝土結(jié)構(gòu)中電阻較低的鋼筋,電流就沿著鋼筋向低電位的區(qū)域流動(dòng)。接近回流點(diǎn)附近的地區(qū)軌道電位比較低,為軌道陰極區(qū),結(jié)構(gòu)鋼筋中的雜散電流又可能再回流走行軌。因?yàn)榈叵侣裨O(shè)的鋼筋,管道周圍總有比較潮濕的電解質(zhì)物質(zhì),雜散電流在金屬與電解質(zhì)之間流動(dòng)就加速了金屬失去電子游離成金屬離子,形成了類似于電解過程的腐蝕現(xiàn)象。第二,電位梯度。電位梯度

40、是產(chǎn)生雜散電流的另外一個(gè)主要原因。如果某一金屬結(jié)構(gòu)物置于一個(gè)電場中,而且這個(gè)電場的電位分布是不均勻的,存在電位梯度,這樣這個(gè)金屬結(jié)構(gòu)物就容易遭受雜散電流的腐蝕。具體原因如下。因?yàn)殡妶鲋杏须娢惶荻?會(huì)對放于其中的帶電粒子(金屬中的自由電子)產(chǎn)生電場力,在電場力的作用下,金屬內(nèi)部的自由電子就會(huì)發(fā)生定向移動(dòng),造成電子與金屬陽離子的分離。如果金屬結(jié)構(gòu)物所處的大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文環(huán)境是電解質(zhì)環(huán)境,金屬陽離子就會(huì)脫離金屬結(jié)構(gòu)物而進(jìn)入到電解質(zhì)環(huán)境中去,造成金屬結(jié)構(gòu)物的腐蝕!4】。例如地下管線的陰極保護(hù)系統(tǒng)(圖2.2)。地下管線經(jīng)常使用陰極防護(hù)系統(tǒng)來防護(hù)管線的腐蝕,陰極防護(hù)系統(tǒng)本身會(huì)在它周圍一定范圍的區(qū)域

41、內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電場;如果這時(shí)剛好有另外一根金屬管線通過這個(gè)電場區(qū),金屬管線上離陰極防護(hù)系統(tǒng)較遠(yuǎn)的部位電位比較正,而離陰極防護(hù)系統(tǒng)比較近的部位電位比較負(fù),這樣就在這個(gè)金屬管上產(chǎn)生了電位差。在這個(gè)電位差引起的電場力的作用下,就會(huì)有自由電子在金屬管內(nèi)發(fā)生定向移動(dòng);土壤環(huán)境大多是電解質(zhì)環(huán)境,這樣最終導(dǎo)致金屬陽離子進(jìn)入周圍土壤中,造成金屬管線的腐蝕12。電流/一一一一_/、/滬滬一一-、.附近管線|/電場區(qū)竺/尸,有陰極保護(hù)的管線一_一圖2.2陰極保護(hù)系統(tǒng)引起雜散電流電場區(qū)域示意圖FigZ·2ForeignPIPelinePassing了址OughPOtentiaiGradients戶JOundC

42、athodi。目lyProteCtedBarePIPelin。2.1.3雜散電流腐蝕的防護(hù)方法清楚了雜散電流產(chǎn)生的原因以后,就可以采用一些有針對性的防護(hù)措施。一般來說,雜散電流的防護(hù)是一項(xiàng)比較系統(tǒng)的工程。目前設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的防護(hù)方法大致可以歸納為三類:一,控制和減小雜散電流產(chǎn)生的根源,隔離所有可能的雜散電流的流經(jīng)途徑;二,為雜散電流提供一條暢通的低電阻通路;三,檢測雜散電流大小以便超標(biāo)時(shí)采取一些防護(hù)措施。在這三種防護(hù)方法中,第一種方法是從源頭上進(jìn)行控制,是根本;第二、三種方法只是一種輔助方法。從源頭上控制和減小雜散電流一般認(rèn)為是比較理想的方雜散電流腐蝕防護(hù)問題基礎(chǔ)研究法。為了方便對這些防護(hù)方法

43、的理解,仍然以軌道傳輸系統(tǒng)(圖2.1)為例來具體說明這些方法是怎樣在工程上進(jìn)行實(shí)施的。一縮短供電距離,減小雜散電流。軌道傳輸系統(tǒng)雜散電流的計(jì)算公式為I·rI:.'l,11、一一+一j2、42(2.2)式中,Is:雜散電流I:牽引電流幾:另一牽引變電站至列車的距離以軌道對結(jié)構(gòu)的過渡電阻值r:回流走行軌的縱向電阻由式2.2知,雜散電流和用電列車與供電牽引變電站之間的距離的平方成正比,因此縮短牽引變電所與電車之間的距離可以大大減小雜散電流的值;同時(shí)隨著供電距離的減小,牽引網(wǎng)絡(luò)上的電壓降亦隨之降低,軌道上的電壓降就同時(shí)降低,因此雜散電流也減小,其危害也就降低了。二.提高牽引網(wǎng)壓根據(jù)公

44、式尸·U·I可以知道,提高直流牽引電壓,在相同牽引功率的情況下也可以按相同的比例降低負(fù)荷電流,從而達(dá)到減小雜散電流的目的。三.提供暢通的低電阻回流電路根據(jù)公式知道,減小回流走行軌的縱向電阻(r)也可以達(dá)到減小雜散電流值的目的。在雜散電流的防護(hù)設(shè)計(jì)中,一般利用長軌和加設(shè)電纜的方法減小軌道接縫電阻,同時(shí)利用均流線必要時(shí)設(shè)置加強(qiáng)線來降低回流通路電阻,為雜散電流提供一條低電阻通路,以達(dá)到最大限度的減小雜散電流的目的。四.采用帶有絕緣套的新型絕緣方案.運(yùn)行軌絕緣的好壞是雜散電流大小的根源。但是即使在最初的設(shè)計(jì)階段采用了比較好的絕緣材料,然而隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,雖然絕緣軌墊仍使鋼軌與彈

45、條之間絕緣,橡膠墊板仍使鋼軌與墊板之間絕緣,但因列車運(yùn)行工程中產(chǎn)生的導(dǎo)電粉塵和油污附著鋼軌扣件表面上,并隨列車運(yùn)行所產(chǎn)生的震動(dòng)充滿軌枕所有縫隙,造成了部分回流電流沿構(gòu)件表面及鋼軌與鐵墊板之間的縫隙泄漏,螺紋道釘成為帶電體。加之軌枕施工過程中工藝水平不高,不能完全起到絕緣作用,當(dāng)這部分泄漏電流由道釘通過電解質(zhì)流向其它導(dǎo)體時(shí),便造成腐蝕。為此可以采用一種絕緣套將鋼軌完全與軌枕隔離,基本上可以堵截大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文雜散電流的產(chǎn)生。而且絕緣套損壞后,更換起來比較方便。這種方法投資較大,目前國內(nèi)采用的比較少。五.迫使接觸軌電流與回流軌電流相等的方法根據(jù)交流電氣化鐵路吸流變壓器理論(利用變壓器繞組之

46、間的電磁禍合作用,強(qiáng)制流經(jīng)鋼軌的電流與接觸網(wǎng)中負(fù)電荷相等),通過適當(dāng)變換并應(yīng)用道城市軌道交通牽引供電系統(tǒng),從而減小泄入道結(jié)構(gòu)中的電流。以上是一些在城市軌道運(yùn)輸系統(tǒng)中目前經(jīng)常使用或者比較提倡使用的對于雜散電流的防護(hù)方法。2.2船舶雜散電流腐蝕研究前一節(jié)以軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)等城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為例,介紹了雜散電流的一些基本性質(zhì)。本章主要針對船舶與海洋工程領(lǐng)域出現(xiàn)的雜散電流腐蝕現(xiàn)象,作進(jìn)一步的研究。比較典型的雜散電流腐蝕問題發(fā)生在船舶的修造期間。因?yàn)樵谶@期間,船體要較長時(shí)間的?？吭诖a頭附近,并且需要使用很多用電設(shè)備,因此比較容易遭受雜散電流的腐蝕。例如大連新船重工?？吭谖濉⒘柡^(qū)的46000DwT系列

47、船舶。船舶在修造期間,在碼頭或者在船上要使用各種用電器,例如電焊機(jī)等。這時(shí)如果由于一些原因(在本章后面具體分析),會(huì)產(chǎn)生雜散電流,并且流經(jīng)水線以下的船體部分。如果這時(shí)外加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)沒有正常運(yùn)行,或者可以利用的犧牲陽極不能提供足夠的保護(hù)。就會(huì)使該船體部位成為陰極或者陽極。如果是陰極,船殼和表面涂層之間的膜成為堿性,超過一定的負(fù)電位將在陰極產(chǎn)生析氫,加上電滲透吸水就會(huì)使涂層剝離,起泡或破損。如果船殼是陽極,則鐵溶解使基體和涂層之的枯著力受到破壞,進(jìn)而形成鐵銹,損壞涂層。這與電解時(shí)的情況非常類似,即陽極為正極,進(jìn)行氧化反應(yīng);陰極為負(fù)極,進(jìn)行還原反應(yīng)。這種情況的雜散電流腐蝕的嚴(yán)重程度取決于電壓

48、,電流,水溫,電流逸出路徑的電阻等因素。雜散電流能使船體腐蝕破壞速度加快,使船體出現(xiàn)坑狀,有時(shí)甚至出現(xiàn)穿孔;腐蝕破壞容易發(fā)生在船體水下部分的涂層脫落部位,因此腐蝕比較集中.當(dāng)出現(xiàn)雜散電流腐蝕時(shí),需要對船體重新進(jìn)行防腐,耽誤生產(chǎn),造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。2.2.1船舶雜散電流腐蝕的實(shí)驗(yàn)研究通過前一節(jié)的介紹,我們已經(jīng)知道,雜散電流腐蝕是一個(gè)很復(fù)雜的過程,受到許多因素的影響,因此對于大連新船重工相關(guān)生產(chǎn)作業(yè)區(qū)存在的雜散電流腐蝕問題,可以從試驗(yàn)和計(jì)算分析兩個(gè)方面進(jìn)行。雜散電流腐蝕防護(hù)問題驀礎(chǔ)研究大連理工大學(xué)的任厚眠老師對大連新船重工五,六號海區(qū)停靠的三條被雜散電流腐蝕的船舶進(jìn)行了實(shí)際的電位測量,測量采用了腐蝕電位監(jiān)測法