（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海洋平台阴极保护实时监测与评估系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 钢结构海洋平台是海洋石油开发的重要作业设施。对其阴极保护状态进行有效监 测和评估可保证平台正常生产作业并及时消除安全隐患。目前已应用于部分平台的阴极 保护监测系统尚有不足：( 1 ) 根据国际规定依靠经验所做的腐蚀防护状态评估不够形象具 体；( 2 ) 无法有效的反映海洋平台整体的阴极保护情况；( 3 ) 不具备现场虚拟视景仿真技 术。故本文旨在设计出一套阴极保护实时监测与评估系统，该系统可对海洋平台的阴极 保护电位进行实时有效监测，并能根据监测数据正确评估平台整体的腐蚀防护状态。 阴极保护下的海洋平台表面的保护电位水平直接关系到钢结构的保护效果。本文 开发的v i s u a lo p c p 系统就以实时采集的保护电位为基础，并作出有效的防腐状态判断。 该系统包括四个功能模块：虚拟场景监测模块，实时曲线监测模块，数据采集与管理模 块，防腐云图显示模块。其中，数据采集与管理模块是软件的重要组成部分，本文一方 面应用v i s u a lc + + 数据库访问技术，完成了数据库及表的动态创建；为了验证系统的正 确性，将数据划分成监测数据集和验证数据集，分别对其编制了各自的数据管理操作界 面；另一方面，为了实现从监测数据到防腐知识库中的一种防腐状态的映射，对这一数 据挖掘过程进行了研究，找出合适的算法，并在v i s u a lo p c p 中编制程序实现。同时完 善软件。 为测试和验证开发的v i s u a lo p c p 系统，本文进一步进行了实验室海洋平台缩比模 型实验设计。其中包括半潜式海洋平台模型优化设计，模型牺牲阳极阴极保护系统的设 计，参比电极的选型与布置，数据传输转换设备选型。通过平台模型实验，测试了v i s u a l o p c p 系统和硬件采集与传输设备的实用性，验证了系统实时监测的可靠性和阴极保护 前期软件防腐云图显示的正确性。 关键词：海洋平台；阴极保护监测：防腐状态评估；模型实验 海洋平台阴极保护实时监测与评估系统研究 s t u d yo nr e a l t i m em o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o ns y s t e mf o rt h ec a t h o d i c p r o t e c t i o ns t a t u so fo f f s h o r ep l a t f o r m a b s tf a c t o f f s h o r ep l a t f o r m1 sa l li m p o r t a n to p e r a t i o nf a c i l i t yo fo f f s h o r eo i ld e v e l o p m e n t t h e e n v i r o n m e n to fi t sl o c a t i o ni se x t r e m e l ys e v e r e ，a n di t ss e r v i n gt i m ei sv e r yl o n g t h e r e f o r ei t i sv e r yi m p o r t a n tt oe f f e c t i v e l ym o n i t o ra n de v a l u a t et h ec a t h o d i cp r o t e c t i o ns t a t u so fo f f s h o r e p l a t f o r mf o rg u a r a n t e e i n gt h en o r m a lo p e r a t i o na n dp r o d u c t i o no fp l a t f o r ma n da v o i d i n gt h e h i d d e nd a n g e r t h e r ei ss e v e r a ls h o r t a g e so fs o m ee x i s t e n tm o n i t o r i n gs y s t e m sa p p l i e dt ot h e c a t h o d i cp r o t e c t i o no fs e v e r a lp l a t f o r m s ：o ) t h ec o r r o s i o np r o t e c t i o ne v a l u a t i o nf r o me x p e r t s a c c o r d i n g t ot h ei n t e r n a t i o n a lr u l e si sn o tc o n c r e t e ；( 2 ) t h es y s t e mc a n n o te f f e c t i v e l ys h o wt h e w h o l ec a t h o d i cp r o t e c t i o ns t a t u so fo f f s h o r ep l a t f o r m ；( 3 ) t h es y s t e md o e s n ts u p p o r tt h e t e c h n o l o g yo fv i r t u a ls c e n es i m u l a t i o n t h e r e f o r e ，t h ea i mo ft h i st h e s i si s t od e v e l o pa r e a l - t i m em o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o ns y s t e mw h i c hi n c l u d e st h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n d h a r d w a r ee q u i p m e n t t b j ss y s t e mc a r le f f e c t i v e l ym o n i t o rt h ec a t h o d i cp r o t e c t i o np o t e n t i a lo f o f f s h o r ep l a t f o r m ，a n dc a nc o r r e c t l ye v a l u a t et h ew h o l ec o r r o s i o np r o t e c t i o ns t a t u so f p l a t f o r mb a s e do nt h em o n i t o r i n gd a t a n el e v e lo ft h ep r o t e c t i o np o t e n t i a la tt h ee x t e r i o ro ft h eo f f s h o r ep l a t f o r mw i t ht h e c a t h o d i cp r o t e c t i o ns y s t e mh a sad i r e c tr e l a t i o n s h i pw i t hp r o t e c t i v ee f f e c to ft h es t e e ls t r u c t u r e t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p e dv i s u a lo p c ps y s t e mp l a n st oc o l l e c tt h ep r o t e c t i o np o t e n t i a la n d g i v ea ne f f e c t i v e l ye v a l u a t i o no ft h ew h o l ec o r r o s i o np r o t e c t i o ns t a t u s t h es y s t e mh a sf o u r f u n c t i o nm o d u l e s ：v i r t u a ls c e n es i m u l a t i o nm o n i t o r i n gm o d u l e ，r e a l t i m ec u r v em o n i t o r i n g m o d u l e ，d a t ac o l l e c t i o na n dm a n a g e m e n tm o d u l e ，a n dc a t h o d i cp r o t e c t i o ne v a l u a t i o nm o d u l e a m o n gt h e s em o d u l e s ，d a t ac o l l e c t i o na n dm a n a g e m e n tm o d u l ei sav e r yi m p o r t a n tp a r to f t h e s y s t e m i no n eh a n d ，u s i n gt h ev i s u a lc + + d a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g y , t h es y s t e mc a n d y n a m i c a l l yc r e a t ead a t a b a s ea n dt a b l e s i no r d e rt op r o v et h ec o r r e c t n e s so f t h es y s t e m ，t h e d a t aw a sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n ei sm o n i t o r i n gd a t a s e t s ，a n dt h eo t h e ri sv e r i f i e dd a t a s e t s e a c hd a t a s e th a si t so w n m a n a g e m e n to p e r a t i o ni n t e r f a c e i nt h eo t h e rh a n d ，i no r d e rt of i n da c o r r o s i o np r o t e c t i o ns t a t u sf r o mt h ee x p e r tk n o w l e d g eb a s e do nt h em o n i t o r i n gd a t a s e t s ，t h i s p a p e rg i v e sas t u d yo ft h ep r o c e s so fd a t am i n i n g , a n da na p p r o p r i a t ea l g o r i t h mw a s e s t a b l i s h e d ，t h e nt h ea l g o r i t h mw a sr e a l i z e db yp r o g r a m m i n g i no r d e rt o t e s ta n dp r o v et h ed e v e l o p e dv i s u a lo p c ps y s t e m ，t h es e a l e dm o d e lt e s ti n l a b o r a t o r yw a sc a r r i e do u t t h ed e s i g np r o c e s so ft h em o d e lt e s ti n c l u d e st h eo p t i m i z a t i o n i i 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g no fs e m i s u b m e r s i b l eo f f s h o r ep l a t f o r ma n d i t sc a t h o d i cp r o t e c t i o ns y s t e m ，t h es e l e c t i o n a n dd i s p o s a lo fr e f e r e n c ee l e c t r o d e ，a n dt h es e l e c t i o no fs i g n a lc o l l e c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o n e q u i p m e n t t h r o u g ht h em o d e lt e s t ，t h ep r a c t i c a l i t yo f v i s u a lo p c ps y s t e mw a st e s t e d ，a n d t h er e l i a b i l i t yo fr e a l - t i m em o n i t o r i n gw a sp r o v e d f u r t h e r m o r e ，t h ec o r r e c t n e s so fe v a l u a t i n g t h ec o r r o s i o np r o t e c t i o ns t a t u sa tt h ee a r l ys t a g ew a sp r o v e d k e yw o r d s ：o f f s h o r ep l a t f o r m ；c a t h o d i cp r o t e c t i o nm o n i t o r i n g ；c o r r o s i o np r o t e c t i o n e v a l u a t i o n ：m o d e lt e s t 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文 作者签名 导师签名 大连理工大学硕士研究生学位论文 1绪论 1 1 研究背景及意义 海洋平台是海上石油资源开发的重大基础性设施，造价极高，所处环境又极度恶劣， 服役时间长，其可靠性和耐久性受到了严峻挑战。由于海洋环境腐蚀的特殊性，其水下 部分结构长期受到海水及海生物的侵蚀、冻融损坏、碱集料反应和化学物质侵袭、地基 冲刷、环境载荷等的作用，不仅造成材料的浪费，更有可能导致灾难性事故，导致人员 伤亡。因此，必须对海洋结构物进行腐蚀防护。目前广泛采用的腐蚀防护方法是防腐涂 层和阴极保护的联合方法，阴极保护中通常采用牺牲阳极保护系统。 在保护周期内海洋平台的复合防腐系统处于一个动态过程【l 】： ( 1 ) 防腐涂层的防腐效能蜕化导致所需要的保护电流密度增大： ( 2 ) 牺牲阳极被消耗，体积减小导致提供保护电流的能力降低； ( 3 ) 海洋结构物的表面电位正移使保护率降低。 因此，在联合防腐系统保护下，海洋平台表面的保护状态可由一些参数来表征，主 要包括保护电位，保护电流密度，阳极电流和阳极电压的测量皿3 。保护电位的大小直接 关系到钢结构的保护效果的好坏，随着时间的推移，保护电位会发生变化。电位只有在 一定数值范围以内才能使海洋平台受到有效的保护，电位过正( 欠保护) 和电位过负( 过 保护) 都是应该避免的。根据船级社的规定，在海上平台建成之后必须对平台的阴极保 护系统定期进行常规检测和特别检测。因此，采用监测手段进行监测分析，根据平台表 面的保护电位分布情况进行腐蚀防护状态评估对保证海洋平台安全运行以及预防平台 失效事故的发生具有重大意义。 该监测系统是根据阴极保护技术的发展方向，结合生产实际和市场需求研制开发 的，能科学的评价海洋平台阴极保护效果。与传统的检测模式相比，减小了操作人员的 劳动强度，省时省力，实时监测降低了偶然性的影响，能反映出平台全寿命周期内的整 个阴极保护过程，为管理者提供了科学的决策依据。由于阴极保护监测技术目前在国内 各平台的应用刚刚起步，因此具有十分广阔的应用前景。 1 2阴极保护监测技术的研究现状及发展趋势 目前许多创新研制的适用于深海开发的新型海上石油浮式生产处理装置不断涌现， 如张力腿平台( t l p ) 、半潜式平台( s 砌f p s ) 、单柱式平台( s p a r ) 、浮式生产储卸装置 f f p s o ) 等，这些设施在海洋环境中运行都需要布置阴极保护。国内开展海洋平台阴极保 护监测工作始于2 0 世纪7 0 年代，传统的阴极保护电位监测方式采用人工方式测量，不 海洋平台阴极保护实时监测与评估系统研究 能及时反映区域阴极保护的整体质量和效果。从早期的现场挂片、潜水检测，到现在的 与计算机和自动化技术的广泛结合，如在线监测和r o v 检测等，海洋防腐检测与监测技 术已发展成一个涉及多学科的技术。但有关海洋结构物阴极保护监测及评估技术的报道 仍不多。 国外方面，随着信息高速公路的建设和发展，大型结构物状态监测与安全评定网络 化已成为现实。例如，斯坦福大学和麻省理工学院已合作开发了基于i n t e m e t ( 因特) 网的 新一代远程检测示范系统【3 】。 美国腐蚀工程师协会曾专门召开过“计算机在腐蚀中的应用研讨会”，并出版过论 文集【4 1 。1 9 9 5 年它所召集的腐蚀会议征文5 项议题中有一项是关于腐蚀自动监测的。 英国s a t a m a t i c s ，l t d 公司 5 改进远程检测设备，通过全球范围内卫星通信技术来远程 监测海底管道的腐蚀防护，实时报告其检测状态。美国c o r t e s t 公司和m e t a ls a m p l e s 公 司都是专门从事腐蚀监测产品开发和销售的公司【6 。主要产品有e r 电阻探针腐蚀测量 仪、l p r 线性极化腐蚀测量仪、m i c r o c o r 快速腐蚀监测仪( 磁感法) 、h p 渗氢监测仪。 s h e l lo i lc o 。s 公司将阴极保护连续监测系统安装在靠近加利福尼亚南岸的太平洋 海域中运行的平台e l l e n ，证实了它是一个可靠的，有价值的系统。随后，在墨西哥海 湾，1 3 5 0 英尺深的b u l l w i n l d e 平台设计安装运行了一套阴极保护监测系统，通过阴极保 护设计状态和在深水中阴极保护电流密度设计值的增量与平台自身状态进行数据对比 分析，检验季节变化和风暴侵袭对阴极保护的影响。能估计阳极寿命，观察极化过程， 筹划远程r o v 检测并更新r o v 数据，验证实验室阳极测试结果与在役阳极性能之间的 相关性【刀。 国内方面，我国v r 技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在 已引起国家有关部门和科学家们的高度重视。 中船重工七二五研究所海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室的邓春龙等开发了多 层分布式海洋腐蚀与防护数据库，此中数据库采用多层分布式c s 结构，数据信息包括 材料性能数据、环境参数数据、试验数据、数据代码和用户信息【8 】。保证了腐蚀与防护 数据的完整性。在大量材料自然腐蚀数据的基础上，将金属材料电化学性能数据，以及 海洋环境中的阴极保护案例及保护参数收入到数据库中，形成了一套较完整的材料腐蚀 与防护综合数据库，为海洋环境腐蚀与防护工程技术人员提供参考依据。 上世纪9 0 年代，在珠江口东南深水海区和北部湾油气田推广使用的由中国科学院福 建物质结构研究所和中国科学院南海海洋研究所的熊信勇，严涛等人研制开发的海洋平 台阴极保护系统蹲1 。此系统通过不问断地自动巡回测量平台导管架不同部位的阴极保护 系统主要运行参数，及时提供平台水下钢结构阴极保护状态的信息。该系统由双电极电 大连理工大学硕士研究生学位论文 位测量探头、牺牲阳极输出电流测量探头、信号传输电缆系统和微机数据采集系统组成 ，。双电极电位测量探头是用来测量平台水下钢结构关键节点部位的阴极保护电位。每 个探头由a g a g c l 电极和z n 电极组成。它具有长效和防污损生物附着的功能，且具备抗 强烈冲击和振动的能力，并能承受平台水深相应的压力。牺牲阳极输出电流测量探头是 用于检测牺牲阳极输出电流的大小。信号传输电缆系统将探头信号传输到微机数据采集 系统，它由电缆、电缆套管、分线盒和接线盒等组成。微机数据采集系统由接线箱、信 号调理器、a d 转换板、微机、打印机及相应的软件组成，用来贮存、显示和记录水下 探头的测量结果。此系统中牺牲阳极输出电流的监测结果只是从另一个角度证实电位。 因此可以视为冗余数据。 2 0 0 6 年投产运行的阿拉山口输油站两座5 x 1 0 4 m 3 原油储罐【1 0 】实现了对原油罐罐外 底板网状阳极阴极保护系统的监测，但只通过参比电极将保护电位信号传输回来，并没 有完成一套完整的集电位采集、存储及分析显示于一体的系统。 随着石油工业的发展，中国石化胜利油田公司针对油田站场的区域阴极保护开发了 a c p si i 阴极安全保护智能监测系统【1 1 1 。 胜利浅海钢结构石油平台腐蚀防护及自动监测系统研究始于1 9 9 8 年5 月，该项目 与中国科学院海洋研究所共同进行联合研究。1 9 9 9 年1 1 月，他们完成了p m 1 型多通 道数据采集仪的研制，该仪器可以对最多1 6 路腐蚀电位信号进行同时自动监测。具有 自动数据采集、自动存储、自动打印及报警等特点。2 0 0 1 年1 1 月，又展开了p m 2 型 腐蚀监测系统研究，主要针对p m 1 进行优化研究，包括探头布点位置优化计算。 目前的海洋平台防腐监测需要人员登平台，并采取一年一小检，五年一大检的方式。 未来海洋平台阴极保护检测与监测技术的发展，可归纳为以下几个特点 1 2 】： ( 1 ) 随着海洋石油开发向深海进军，人们越来越重视研究和开发新的检测和监测系 统； ( 2 ) 计算机与传感技术的应用，加大了采集的信息量，加快了监测速度； ( 3 ) 监测系统由单一功能发展到多功能系统； ( 4 ) 遥控潜水器的应用和发展使水下检测变得容易实现，不久将来水下机械手代替 人工作业。 虽然现有阴极保护监测系统在海洋平台上已经广泛应用，但还存在诸多不足之处。 首先，现有监测系统的可视化程度不高，大都通过监测曲线来反应海洋平台的监测 位置的保护电位的发展趋势，不够直观，形象。仅仅通过监测曲线无法形象的为用户展 示被监测的海洋平台的几何形状，所处环境以及各种监测信息对应于海洋平台的哪些具 体部位。长期以来人们一直致力与突破一种纯数字化的交互方式，以获取一种图文并茂、 海洋平台阴极保护实时监测与评估系统研究 生动形象，并使人有身临其境之感的人机交互环境，也正是在这种需求的推动之下，虚 拟视景仿真技术迅速发展起来，并取得令人瞩目的成就。因此，可以运用虚拟视景仿真 技术在计算机上仿真被监测海洋平台的三维监控场景，形象的表达海洋平台的腐蚀防护 状态信息。 其次，目前对海洋平台腐蚀防护状态的评估主要是根据采集到的保护电位是否在国 际规定的保护电位的范围内来判断。对于超出范围的保护电位，无法判断腐蚀防护系统 的失效范围，以及海洋平台整体的腐蚀防护状态。大多数实际腐蚀防护问题的解决，不 是仅仅依靠查询腐蚀数据，更主要的是依靠腐蚀专家的实际知识、以往的经验和分析判 断能力，来寻求最好的解决方案。因此我们可以根据专家的经验和知识建立数据库，通 过设计专家系统来对海洋平台的腐蚀防护状态评估。这样就可以解决当前评估方法的不 足。同时利用科学可视化技术对评估结果进行可视化显示，就可以形成专家和普通用户 都可以理解的评估结果。 阴极保护监测与评估系统能y 。l 伯p ( 好地克服了人工检测方式费时、费力和偶然性等缺点， 与传统的检测模式相比，减小了操作人员的劳动强度，提高了自动化管理水平，为平台 阴极保护的安全有效运行提供保障，是阴极保护技术发展的方向。 海洋平台安全保护监测有很多方面，如海洋平台结构健康监测、海洋平台生产设备 运行状态监测、海洋平台危险化学气体泄漏监测和海洋平台阴极保护监测等，这些方面 越来越受到重视，也发展出很多监测手段。我们研究的阴极保护监测系统关键技术对于 其他不同的监测目标也同样适用。可以结合工程实际需求合理开发应用型监测软件。 1 3 研究目标和内容 1 3 1 研究目标 针对以上分析，结合成功案例的优势并针对其不足之处，本论文主要研究目标是： 开发一套海洋平台阴极保护实时监测与评估系统，实现如下几个功能： ( 1 ) 用户操作导航功能：由一系列向导页组成的系统初始化过程，提示用户要进行 下一步的操作。提供用户软件帮助信息及系统参数的更改和保存。 ( 2 ) 虚拟视景仿真功能：在软件中虚拟平台所处场景，阴极保护措施及监测点所处 位置，将各监测点采集的电位信息如实反映在场景中，并实现平台模型在场景中的移动， 缩放，旋转和复位操作。 ( 3 ) 动态创建数据库及数据表功能：用户在软件提示界面中直接输入数据库名和数 据表名，系统在后台自动创建对应的数据库及表，实现系统的独立性和完整性。 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 数据采集存储功能：设计并选择合适的保护电位信号采集设备和信号传输转换 设备，实现硬件设备与软件的接口功能，将采集的电位信息存储到数据库中。 ( 5 ) 实时曲线监测功能：软件即可根据采集到的电位信息绘制实时监测曲线，也可 将用户要求的一段历史电位信息绘制成电位曲线。提供可调节多样化显示风格，警戒线， 并实现曲线上各点信息的直接读取功能。 ( 6 ) 数据分析与处理功能：软件提供对采集的监测数据进行查询，修改，删除，导 出功能。查询条件与实际需求紧密结合，提醒用户超出临界值的数据。 ( 7 ) 防腐云图显示功能：可实时显示当前状态下的防腐效果云图，用以判断防腐状 态。也可从防腐数据库调出任一采集时刻下的数据，显示其防腐状态，具有良好的重现 性，为用户对平台的阴极保护过程提供清晰的认识。 程志平同学的硕士论文与计算机技术紧密结合，实现了虚拟视景仿真界面下的三维 模型显示与操作控制，数值分析及显示等关键技术。为系统软件开发的前期工作做出了 突出贡献。 1 3 2 研究内容 在实验室中，针对一半潜式海洋平台缩比模型，对其采取一定的阴极保护措施并模 拟海洋环境，利用先进的数据采集设备，全天候、不间断地监测平台整体防腐保护性态， 将监测结果自动地存入历史数据库中。在计算机硬件和软件系统的支持和控制下，通过 对采集的数据进行处理和分析，自动地评定和显示平台防腐状态的整体效果。为了检验 系统开发思路的正确性，在软件中补充添加一个验证数据库。此验证数据库不作为系统 最后发布的一部分，而是在前期实验阶段的一个论证手段。将验证探针采集的数据与系 统评定防腐状态下对应的数据进行对比，检验评定效果的正确性。 为了达到以上各目标，论文的研究思路和系统开发原理及实现框架图如图1 1 所示： 阴极保护下的海洋平台 0工上 l 平台三维仿真模型 监测点信息数据采集传感设备与接口 平台防腐知识库 1 l 计算机 r ， 上0上上 虚拟场景仿真曲线监控卜i 数据库管理 防腐云图显示f j上 验证监测数据c 考防腐云图数据 图1 1 系统开发与实现框架图 f i g 1 1 f r a m e w o r ko ft h es y s t e md e v e l o p i n ga n di m p l e m e n t i n g 海洋平台阴极保护实时监测与评估系统研究 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 监测与评估系统开发与设计 完善面向对象的在线监测软件v i s u a lo p c p ( o f f s h o r ep l a t f o r mc o r r o s i o n p r o t e c t i o n ) 。包括系统初始化设置编制，并完成用户动态创建数据库及数据表功能，同 时为验证软件的正确性，编制动态创建验证数据表，并绘制验证数据操作界面；分析监 测电位信息与腐蚀防护知识库的映射关系，寻找合适的映射算法，并编制算法绘制与监 测数据对应的防腐云图可视化显示功能；虚拟视景仿真模块中平台的3 d m a x 建模和探针 坐标位置文件设计；实时曲线显示功能的属性表单设计；并完善软件各个界面辅助功能， 实现个性化选择和方便用户操作的设计。 系统的主要组成设计，包括软硬件设备及其连接，如监测主控系统v i s u a lo p c p 、 电位测量探头、信号传输系统等。 ( 2 ) 模型实验 针对一所给的半潜式平台二维c a d 平面图纸，绘制其三维仿真模型，并设计计 算实验缩比模型，完成模型的制作。 针对实验缩比模型，设计与实施牺牲阳极阴极保护方案，并根据阴极保护情况 选择合适的监测探头，即参比电极，进行设计、布置与安装。 选择合适的软硬件接口设备，连接各实验部件，开始实验。将采集的电位信号 传输到v i s u a lo p c p 中进行存储，通过防腐云图与验证数据的对比分析，验证软件的可 行性及正确性。将最终的系统编译与发行。 1 4 本章小结 本章主要阐述了课题的研究背景，与海洋平台的工程实际紧密结合，具有良好的实 用性。概述了国内外目前对这一课题研究的现状以及发展趋势，从阐述中可以看出，当 前的阴极保护监测与评估系统还存在很多不足之处，本论文研究的监测系统从继承其他 技术的优势，并改善其不足的着眼点出发，确定了本论文的研究目标和内容，设计了系 统开发的基本思路和方法。 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 系统设计原理和技术路线 2 1系统基本原理 所谓阴极保护，就是让被保护的物体成为电化学体系中的阴极，进行阴极极化，从 而使其受到保护的一种电化学保护方法。根据所选用的方法不同，又可将其分为如下两 类： 外加电流阴极保护：利用外加直流电源，将被保护的金属设备或设施等与电源的负 极相连，使之成为阳极，当电化学体系工作时，金属设备或设施由于发生阴极极化作用 从而受到了保护。 牺牲阳极保护：不利用外加电源，而是在被保护的金属上连接一种电极电位更负的 金属或合金。当两种连接的金属处于电解质中就构成了一个腐蚀大电池，电位更负的金 属或合金就成为腐蚀电池的阳极( 称为牺牲阳极) ，而被保护的金属构造物就成为腐蚀电 池的阴极，由于发生阴极极化，从而受到了保护。 上述两种阴极保护方法，虽然有利用外加电源和不利用外加电源的区别，但在保护 原理方面，两者是相同的。本次用于验证监测与评估系统的模型实验采用牺牲阳极的阴 极保护方式。 2 1 1阴极保护原理 以金属铁为例来说明阴极保护的工作原理。 e ( v ) l 图2 1 简化的f e h 2 0 体系的电位p h 图 f i g 2 1 t h ep o t e n t i a l p hd i a g r a mo ff e - h 2 0s y s t e m 图2 1 是简化了的f e h 2 0 体系的电位p h 图。该图是以平衡金属离子浓度等于 1 0 6 m o l l 作为金属发生腐蚀与否的分界线的【”】。图上有以下三个区域： 海洋平台阴极保护实时监测与评估系统研究 ( 1 ) 不敏感区：在此区域包括的p h 值和电位范围内，金属处于热力学稳定状态， 不发生腐蚀。 ( 2 ) 腐蚀区：在此区域包括的p h 值和电位范围内，稳定存在可溶性离子、络离子， 这时金属处于不稳定状态，可能发生腐蚀。 ( 3 ) 钝化区：在此区的p h 和电位范围内，生成稳定的固态氧化物、氢氧化物等。 金属处在钝化区，是否发生腐蚀取决于所生成的固态膜是否具有保护性，即是否能阻碍 金属的进一步溶解。 从对f e h 2 0 体系的电位p h 图进行分析可以看到，要保护铁在水溶液中不受腐蚀， 可以采取以下两种措施： ( 1 ) 使f e 的电极电位向负方向变化，进入不敏感区。这时f e 就处在热力学稳定状 态，从而达到防止腐蚀的目的。要将铁的电极电位降低j 可以用一种在电解质中更活泼， 即电位更低的金属，如锌，镁或铝等金属或合金与铁相偶联，或把铁与以外加直流电源 的负极相连，使铁作为阴极而被保护。 ( 2 ) 使铁的电极电位向正方向变化，进入钝化区，形成保护性钝化膜，从而达到防 止金属铁发生腐蚀的目的。 其中，第一种措施，使金属电极电位负移进入不敏感区从而防止金属腐蚀的方法称 为牺牲阳极阴极保护法。 2 1 2 保护电位 当采用阴极保护法时，总希望金属得到完全的保护，为了判断金属是否达到了完全 保护，就要了解和掌握阴极保护体系的主要参数，以便作为判断的依据。施加阳极保护 后的结构物电位( 即保护电位) 是判断阳极保护系统有效性及保护程度的一个及其重要 的参数。 保护电位值有一个范围，通常阴极保护电位准则给出了这一指标。最小保护电位就 是使金属腐蚀达到最低程度时的电位最小值。很显然，如果保护电位比该数值更负，也 可以起到完全保护的作用，但电位负的过多就会有电能的浪费，同时也会出现“过保护 问题。为了避免出现“过保护乃现象，有时也规定一个允许使用的最大电位值，也就是 将通电点处的电位控制在比析氢电位稍正一些的位置，这个电位就叫做最大保护电位。 许多测量表明，最小保护电位值也与金属和介质的性质有关。根据过去积累的经验， 许多人认为，只要外加阴极极化使金属的腐蚀电位负移2 5 0 - - 3 0 0 m v ，就可以达到完全 保护，虽然这一数值有时不很准确，但还是经常被用来作为判断标准【1 4 1 。 一8 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 保护电位的大小直接关系到钢结构的保护效果的大小。当保护电位偏正，则达不到 设计要求的保护效果。当保护电位偏负时，捎耗的电量加人不经济。且保护电位过负时， 还可能由于表面析氢ji 起被保护体表面涂层的剥落，或引起氢脆等不良后果。医此，保 护电位应选取在一个适当的范围内。我国将海洋钢结构的保护电位定为。o7 7 1o s v ( - 柞t 对于饱和甘汞参比电极1 _ ”】。相对于海水a g a 酊l 参比电极则为坩07 8 10 6 v 。相对于 饱和c u c u s 0 4 参比电极的最小保护电位是一08 5 v 。 22 系统运行原理 监测系统充分利用丁通讯技术和计算机技术，实现了对正在服役的海洋平台阴极儡 护电位的自动在线监测，长期不间断的对监测部位进行有效监测，及时发现阴极保护系 统存在的问题并及时采取修正措施，从而实现最佳的阴极保护效果。监测系统的投入使 用大大减轻了操作人员的劳动强度，对于保障海洋平台阴极保护安争、高效及稳定运行， 具有重要意义。 奉论文研究的阴极保护监测与评估系统是套整合了各模块硬件设各和配套处理 软件能综合系统，将对各模块进行理论研究，提出上程解决方案和实验室模拟方案，并 编制相应的应用软件。系统的框架设计如下： 摄”l q 信 ：一 ! 堂! ! ! ! + 拣* 3 t 口 一 匿 审 i ! 塑! ! ! ! 一 兰堕墨璺堡曼耵，j 鏊堡堡堡! 垦量 算机局敦件， 图22 系缋红成示意图 f i g22 t h ec o n s t i m t e so f t h es y s t e m 硬件采集设备负责从海洋平台的监测点采集保护电位信息。软硬件接口设备负责将 采集的模拟信号进行处理后转换为数字信号，传送到计算机中。而v i s u a lo p c p 应用软 件则面向用户实现了对数据全方位的分析与应用。 v i s u a lo p c p 系统的机理是在平台建造来投入使用阶段就将监测系统预制在海洋平 台上，待安装完成后通过传输系统将实时采集的数据直接传送至在甲板控制室的监删软 唾 几川引二】 匦 几引目 海洋平台阴极保护实时监测与评估系统研究 件进行分析处理，以便清楚了解平台各个阶段的阴极保护效果。目前监测硬件采集与传 输设备随着计算机水平和通信技术的提高，已趋成熟，并不断更新。本文的亮点是自主 开发的v i s u a lo p c p 应用软件部分，为验证软件的正确性，在实验室模拟实际海洋环境， 制作缩比模型，选择适于实验室条件下的监测探头与信号传输设备，针对阴极保护电位 进行监测，将监测结果连接到应用软件中。由软件对监测的数据进行存储，管理与分析， 绘制实时监测曲线，及时查看保护电位信息，并计算绘制某一时刻的腐蚀防护云图，根 据结果来判断阴极保护效果。 2 3 系统开发关键技术 整个应用软件以v i s u a lc + + 6 0 为基础开发工具进行开发。使用c + + 开发语言进行 程序代码编制。结合m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 库，采用单文档多视图结构进 行整个系统开发。在虚拟仿真模块中和防腐状态评估模块中结合o p e n g l ( 开放式图形 库) 技术，实现仿真模拟显示。同时，仿真模型的3 d s 文件可以由三维绘制软件3 dm a x 绘制导出得到。在数据处理模块利用v i s u a lc + + 访问s q l 数据库技术进行数据库及表 的创建，并设计了对数据的管理和显示方式。 2 3 1v is u aic + + 程序开发技术 v i s u a lc + + 6 0 提供了用于开发w i n d o w s 环境下的应用程序，简捷、快速、实用。 v i s u a lc + + 6 0 提供了m f c 类库，开发者只需做少量工作即可得到功能齐全的w i n d o w s 应用程序，具有很高的效率。v i s u a lc + + 的集成化便于程序开发，开发者可以同时在诸 如编辑、建立、调试等不同任务之间快速切换，甚至可以同时执行。由于v i s u a lc + + 6 0 ( 包括所有工具) 是完全基于w i n d o w s 的，因此，w i n d o w s 的所有优越性( 一致性运算、 多任务、多线程以及可嵌入字体等) 它都具备。另外，丰富的文档、样本代码、联机信 息等可以帮助各个层次的开发人员。 v i s u a lc + + 6 o 与以前的版本相比作了许多改进，主要表现在以下几个方面 1 5 - 1 8 3 ： ( 1 ) 编译器和连接器的改进 v i s u a lc + + 6 0 编译器不仅支持c o m ( 对象控件模型) 应用程序开发，还进一步简化 了c o m 应用程序的开发过程v i s u a lc + + 6 o ；编译器在代码生成方面进一步作了优化， 使得目标程序代码更紧凑，运行速度更快；v i s u a l c + + 6 0 增加了对不同微处理器的支持， 在生成应用程序时可以根据微处理器的不同产生不同目标代码，这可通过新增加的编译 开关来实现，增强了v i s u a lc + + 6 0 对异常的处理能力。 ( 2 ) 更加完善的m f c 库 大连理工大学硕士研究生学位论文 与v i s u a lc + + 6 o 捆绑在一起的微软基础类( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ，m f c ) ， 采用m f c 方式编程可以提高w i n d o w s 应用程序的开发效率。m f c 基础类库包括2 0 0 多个类，现在的v i s u a lc + + 应用程序的开发，绝大部分都是使用m f c 类编写出来的【l 6 1 ， m f c 已经是v i s u a lc + + 编程的核心。在对于i n t e m e t 和数据库的支持方面也作了较大改 进。首先v i s u a lc + 十6 0 允许开发典型的基于i n t e m e t 的应用程序，允许异步下载文件和 设置应用程序的属性，并且在任务完成后，应用程序会自动释放系统资源供其他应用程 序使用。总之v i s u a lc + + 6 0 使得用户的应用程序和l _ n t e m e t 紧密地结合在一起：其次 v i s u a lc + + 6 0 的m f c 库增加了对d a o 的支持，并将原来的o d b ca p i 函数进行了封 装，提供了一系列o d b c 类，以支持o d b c3 0 标准。 ( 3 ) 编译功能强大，优化编译效果好。 m f c 类库应用程序几乎与w i n d o w ss d k 一样短，运行速度有时比相应的w i n d o w s s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，软件开发工具包) 程序更快。 ( 4 ) 消息处理机制和m s d n 的使用 简便的消息处理机制和强大的在线帮助能力，给程序的开发带来了极大的方便，使 w i n d o w s 编程不再深奥和晦涩，而是一件有意义并且有趣的事情。所提供的m s d n l i b r a r y 帮助工具相当于程序员的字典，提供了各种类及类成员的介绍和示例。 ( 5 ) 完善的向导功能。 所提供的a p p w i z a r d ，c l a s s w i z a r d 及资源编辑器等极大减小了编程的繁杂程度，提 高了程序的设计效率。高度集成化的基于的v i s u a l - 1 - 作平台使应用程序一些界面特性， 如属性页( 也叫标签对话框) 、打印和打印预览、浮动的和可以定制的工具条，使编程变 得更加的容易。同时给程序设计、调试带来极大的方便【1 9 】。 ( 6 ) 对数据库访问技术的支持是最彻底的。 从o d b ca p i 到m f c 的o d b c 类、d a o 到o l ed b ，以及a d o 的客户数据库访 问技