介質(zhì)流速對(duì)海洋金屬結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)電位的影響.docx

1、Vol.38,No.4Jul.1998繞流速度關(guān)鍵伺陰極魅分類(lèi)號(hào)_?734杰大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofDalianUniversityofTechnology介質(zhì)流速對(duì)海洋金屬結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)電位的影響（大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，大連116024）（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，大連116012）摘要將流場(chǎng)分析和電位場(chǎng)分析結(jié)合起來(lái)，分析繞流速度對(duì)海洋金屬結(jié)構(gòu)K'表面陰極保護(hù)電位的影響，從而為給出更合理的陰極保護(hù)電位的計(jì)算方法提供依據(jù).利用邊界元法研制了流場(chǎng)分析和電位場(chǎng)分析通用程序一PCBE.可計(jì)算有限域、無(wú)限域或半無(wú)限域同題.對(duì)貿(mào)柱繞成問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算.不同方案計(jì)算結(jié)果表明.表面介質(zhì)凌速對(duì)

2、陰極保護(hù)電位的影響是明顯的.在應(yīng)用陰極保護(hù)防止海洋金屬結(jié)構(gòu)物腐蝕破壞的過(guò)程中，必須注意“欠保護(hù)”和“過(guò)保護(hù)”，因?yàn)榍繁Ｗo(hù)仍然造成腐蝕，而過(guò)保護(hù)則會(huì)造成涂層脫落、氫脆等損壞.因此，有效地應(yīng)用陰極保護(hù)才能達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)的目的.結(jié)構(gòu)表面的電位是評(píng)價(jià)陰極保護(hù)效果的依據(jù)；在進(jìn)行電位計(jì)算時(shí)，極化曲線(xiàn)是最基本的因素.因介質(zhì)流速是影響極化曲線(xiàn)的重要因素之一，只有根據(jù)流速正確地選用極化前線(xiàn)才能保證計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性.對(duì)于處在靜止流體中的結(jié)構(gòu)物,不存在上述問(wèn)題.當(dāng)結(jié)構(gòu)處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如海上航行的船舶），結(jié)構(gòu)物處在運(yùn)動(dòng)的流體中（如海洋平臺(tái)安裝在具有海流的區(qū)域），由于在結(jié)構(gòu)物表面的介質(zhì)存在繞流速度，在電位計(jì)算時(shí),如果能根據(jù)

3、繞流速度選用相應(yīng)的極化曲線(xiàn)，將更好地反映實(shí)際情況.、Q在以往的分析計(jì)算中，只是把介質(zhì)流速作為一個(gè)整體因素進(jìn)行考慮，在整個(gè)電位場(chǎng)計(jì)算中，結(jié)構(gòu)表面每一點(diǎn)上的極化曲線(xiàn)都按同一個(gè)流速選取.實(shí)際上結(jié)構(gòu)表面每一點(diǎn)處的介質(zhì)流速各不相同，更合理地選用極化曲線(xiàn)的方法，應(yīng)該是在結(jié)構(gòu)表面每一點(diǎn)上選用和表面流速相對(duì)應(yīng)的極化曲線(xiàn).這就需要在電位場(chǎng)計(jì)算之前.進(jìn)行流場(chǎng)的速度計(jì)算，確定介質(zhì)在物體表面的流速分布.1基本原理11電化學(xué)腐蝕問(wèn)題在電化學(xué)腐蝕電位場(chǎng)中，當(dāng)電解質(zhì)內(nèi)部電荷無(wú)源無(wú)匯時(shí)，電位夕滿(mǎn)足Laplace方程:<p=o,在a中*中國(guó)科學(xué)院腐蝕科學(xué)升放研究實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目收稿日期：1997-12-16；修訂日期：19

4、98-03-15周美：女.1958年生，BJ教授其中：。為介質(zhì)的區(qū)域；夕在邊界n、n和n中分別滿(mǎn)足基本邊界條件、自然邊界條件和電極表面的極化條件.電位)的參比電極取甘汞電極.伊=彳，在n上q=Ijp制贏=在n上(2)q=f(初在3上式中：P為介質(zhì)的電阻軍，本文假定為常數(shù)；«為區(qū)域邊界的外法線(xiàn)方向;/<)為反映電流密度和電位之間關(guān)系的已知函數(shù)，即極化曲線(xiàn)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定；。和0分別為已知電位和已知電流,密度.根據(jù)加權(quán)殘值法.引入基本解作為權(quán)函數(shù)，利用Green第二公式可導(dǎo)出如下邊界積分方程(3)-(5)：3+Jyd=J*(p,Q)dP此處P為域內(nèi)源點(diǎn)Q為場(chǎng)點(diǎn).當(dāng)P-P成為邊界點(diǎn)時(shí)，式

5、(3)成為CpA+伊挈£也=一pjw(P,Q)dP(4)其中：O為只與邊界幾何形狀有關(guān)的系數(shù).式(4)適用于有限域；對(duì)無(wú)限域間題，因?yàn)殡娢皇窍鄬?duì)參比電極定義的，無(wú)窮遠(yuǎn)處的電位務(wù)=0,所以式(4)成為(5)(5)(6)C冊(cè)+伊冬dP=p眇,dP+務(wù)Jr(fnJr式(5)中務(wù)是未知常數(shù)，因此需要補(bǔ)充方程q.dP=0上式表示從陰極和陽(yáng)極流入和流出的電流之和為零.將邊界P離散為N個(gè)單元，在每個(gè)單元。上對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和各物理量進(jìn)行插值，例如a=CAD(gJ,(伊=可(斜,等等.本文采用三角形和四邊形兩種單元，把相應(yīng)的插值公式代入式(5)得Cp%+Cp%+既答心團(tuán)驀(一必,N0dP+角(7)式(7)

6、經(jīng)積分處理，可得如下代數(shù)方程組;3。=pG必+缶(8)式中：3為元素全為1的列向蟄.將式(6)進(jìn)行同樣的離散，可得CLg=0(9)代入邊界條件，聯(lián)立(8)、(9)兩式可解出(0、<?和務(wù).但是由于非線(xiàn)性邊界條件的存在，必須迭代求解本文采用分段線(xiàn)性化的計(jì)算方法”收斂快且能保證精度，在q=g的第，個(gè)線(xiàn)段上q=1/R(乎_Q)(10)對(duì)電極上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，.假設(shè)一個(gè)初始的可得與的關(guān)系，連同其他邊界條件代入(8)、(9)兩式可求得破。>,由此可得和研、迭代下去，一般五六次即可收斂.482大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)第38卷1.2繞流問(wèn)題理想流體的速度勢(shì)夕在流場(chǎng)中也滿(mǎn)足Laplace方程(11)(11)

7、V=0在域內(nèi)。滿(mǎn)足如下邊界條件:(12)8=0在無(wú)窮遠(yuǎn)處部/孫=v在物體表面上，式中："為區(qū)域外法線(xiàn)方向，牝是物體表面速度在”方向的分雖.求得速度勢(shì)。之后，就可得到流場(chǎng)中的速度分布，速度與速度勢(shì)的關(guān)系為v=(13)勢(shì)流場(chǎng)和電位場(chǎng)的數(shù)學(xué)描述是相似的.速度勢(shì)和電位勢(shì)滿(mǎn)足同樣的控制方程，流速和電流密度、流體的質(zhì)最密度和電解質(zhì)的電阻率一一對(duì)應(yīng).所不同的是位勢(shì)的參比點(diǎn)不同.因此角尹0,而陌=0.因此繞流問(wèn)題和電化學(xué)問(wèn)題可以用統(tǒng)一的邊界元程序系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析.2算例與結(jié)論如圖1所示，一垂直放置的圓柱體，直徑0=1m,長(zhǎng)L=40m；兩塊陽(yáng)極的分布如圖中(a)、(b)兩種情況.陽(yáng)極是lOcmXIOc

8、m的鉛塊.來(lái)流速度5.14m/s,在相同的模型幾何尺寸、相同來(lái)流速度的條件下，本文進(jìn)行了以下三個(gè)方案的計(jì)算：陽(yáng)極分布如圖1(a),計(jì)入繞流速度的影響.陽(yáng)極分布如圖1(b),計(jì)入繞流速度的影響.陽(yáng)極分布如圖1(a),不計(jì)入繞流速度的影響.方案1方案2方案3陽(yáng)極置于最小速度點(diǎn)(b)陽(yáng)極置于帔大速度成1計(jì)算模型圖2陰極極化曲線(xiàn)陰極極化曲線(xiàn)取涂裝的舊船體表面的極化曲線(xiàn)，如圖2所示.在不同速度下的極化曲線(xiàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果插值獲取.表1給出橫斷面上最高電位沿軸向分布的計(jì)算結(jié)果.通過(guò)方案1、3的比較可以明顯地看出在相同陽(yáng)極分布情況下，速度對(duì)電位的影響是明顯的.方案1、2的比較說(shuō)明同樣計(jì)入流速的影響，陽(yáng)極分布不同

9、對(duì)電位的影響也是明顯的.所以將流場(chǎng)分析和電位場(chǎng)分析結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行陰極保護(hù)電位場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算是有意義的，具有進(jìn)一步研究的價(jià)值.繼本文之后，將對(duì)船體等其他海洋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行更詳細(xì)的計(jì)算.表Y橫斷面最高電位沿軸向的分布mV注：比電極為甘汞電極I表甲r表示到原點(diǎn)的距離方案r/m051020301一821.9-781.2-780.0777.8777.72-887.9-841.0-839.0一836.3-836.03一868.2一822.4-820.6-818.5-818.1參考文獻(xiàn)1 IwalaM,NagaiK.Numericalanalysisofpotentialdistributiontnstruc

10、turesundercathodicprotectioniApplicationof2-DBEM.JKansalSocNavArchUJapan.1988,210:97HuangY,IwataM.Numericalanalysisofelectropoienlialdistributiononthesurfaceofmarinestructureundercathodicprotection.JSocNavArchitJapan>1990*16S：5932 BrebbiaCA.TheBoundaryElementMethodforEngineers.London:PentechPress

11、»1978.4田昭武.電化學(xué)研究方法，北京，科學(xué)出版社，1984.5美國(guó)腐蝕工程莎協(xié)會(huì).腐蝕與附護(hù)技術(shù)基礎(chǔ).朱日影等譯,北京：冶金工業(yè)出版社，1987.EffectofelectrolytevelocitydistributiononcathodicprotectionofmarinestructuresZhouMei»(SchoolofNavalArchil,andMar.Eng.,DalianUniv,ofTechnol.,China)LiShuying(SchoolofChem.Eng.,DalianUniv,ofTechnol.,China)AbstractTheeffectofelectrolytevelocityonelectro-potentialdistributiononmarinestructuresundercathodicprotectionisinvestigatedbyusingboundaryelementmethod.AboundaryelementprogramPCBEhasbeendevelopedfortheanalysisofinfiniteandsemi-infiniteproblems.Numericalanalysisofcylinderdiffractionpro