介质流速对海洋金属结构物阴极保护电位的影响.docx

1、Vol.38,No.4Jul.1998绕流速度关键伺阴极魅分类号_?734杰大连理工大学学报JournalofDalianUniversityofTechnology介质流速对海洋金属结构物阴极保护电位的影响（大连理工大学船舶工程学院，大连116024）（大连理工大学化工学院，大连116012）摘要将流场分析和电位场分析结合起来，分析绕流速度对海洋金属结构K'表面阴极保护电位的影响，从而为给出更合理的阴极保护电位的计算方法提供依据.利用边界元法研制了流场分析和电位场分析通用程序一PCBE.可计算有限域、无限域或半无限域同题.对贸柱绕成问题进行了计算.不同方案计算结果表明.表面介质凌速对

2、阴极保护电位的影响是明显的.在应用阴极保护防止海洋金属结构物腐蚀破坏的过程中，必须注意“欠保护”和“过保护”，因为欠保护仍然造成腐蚀，而过保护则会造成涂层脱落、氢脆等损坏.因此，有效地应用阴极保护才能达到保护结构的目的.结构表面的电位是评价阴极保护效果的依据；在进行电位计算时，极化曲线是最基本的因素.因介质流速是影响极化曲线的重要因素之一，只有根据流速正确地选用极化前线才能保证计算结果的真实性.对于处在静止流体中的结构物,不存在上述问题.当结构处在运动状态（如海上航行的船舶），结构物处在运动的流体中（如海洋平台安装在具有海流的区域），由于在结构物表面的介质存在绕流速度，在电位计算时,如果能根据

3、绕流速度选用相应的极化曲线，将更好地反映实际情况.、Q在以往的分析计算中，只是把介质流速作为一个整体因素进行考虑，在整个电位场计算中，结构表面每一点上的极化曲线都按同一个流速选取.实际上结构表面每一点处的介质流速各不相同，更合理地选用极化曲线的方法，应该是在结构表面每一点上选用和表面流速相对应的极化曲线.这就需要在电位场计算之前.进行流场的速度计算，确定介质在物体表面的流速分布.1基本原理11电化学腐蚀问题在电化学腐蚀电位场中，当电解质内部电荷无源无汇时，电位夕满足Laplace方程:<p=o,在a中*中国科学院腐蚀科学升放研究实验室资助项目收稿日期：1997-12-16；修订日期：19

4、98-03-15周美：女.1958年生，BJ教授其中：。为介质的区域；夕在边界n、n和n中分别满足基本边界条件、自然边界条件和电极表面的极化条件.电位)的参比电极取甘汞电极.伊=彳，在n上q=Ijp制赢=在n上(2)q=f(初在3上式中：P为介质的电阻军，本文假定为常数；«为区域边界的外法线方向;/<)为反映电流密度和电位之间关系的已知函数，即极化曲线，由实验测定；。和0分别为已知电位和已知电流,密度.根据加权残值法.引入基本解作为权函数，利用Green第二公式可导出如下边界积分方程(3)-(5)：3+Jyd=J*(p,Q)dP此处P为域内源点Q为场点.当P-P成为边界点时，式

5、(3)成为CpA+伊挈£也=一pjw(P,Q)dP(4)其中：O为只与边界几何形状有关的系数.式(4)适用于有限域；对无限域间题，因为电位是相对参比电极定义的，无穷远处的电位务=0,所以式(4)成为(5)(5)(6)C册+伊冬dP=p眇,dP+务Jr(fnJr式(5)中务是未知常数，因此需要补充方程q.dP=0上式表示从阴极和阳极流入和流出的电流之和为零.将边界P离散为N个单元，在每个单元。上对节点坐标和各物理量进行插值，例如a=CAD(gJ,(伊=可(斜,等等.本文采用三角形和四边形两种单元，把相应的插值公式代入式(5)得Cp%+Cp%+既答心团蓦(一必,N0dP+角(7)式(7)

6、经积分处理，可得如下代数方程组;3。=pG必+缶(8)式中：3为元素全为1的列向蛰.将式(6)进行同样的离散，可得CLg=0(9)代入边界条件，联立(8)、(9)两式可解出(0、<?和务.但是由于非线性边界条件的存在，必须迭代求解本文采用分段线性化的计算方法”收敛快且能保证精度，在q=g的第，个线段上q=1/R(乎_Q)(10)对电极上的每一个节点，.假设一个初始的可得与的关系，连同其他边界条件代入(8)、(9)两式可求得破。>,由此可得和研、迭代下去，一般五六次即可收敛.482大连理工大学学报第38卷1.2绕流问题理想流体的速度势夕在流场中也满足Laplace方程(11)(11)

7、V=0在域内。满足如下边界条件:(12)8=0在无穷远处部/孙=v在物体表面上，式中："为区域外法线方向，牝是物体表面速度在”方向的分虽.求得速度势。之后，就可得到流场中的速度分布，速度与速度势的关系为v=(13)势流场和电位场的数学描述是相似的.速度势和电位势满足同样的控制方程，流速和电流密度、流体的质最密度和电解质的电阻率一一对应.所不同的是位势的参比点不同.因此角尹0,而陌=0.因此绕流问题和电化学问题可以用统一的边界元程序系统进行数值分析.2算例与结论如图1所示，一垂直放置的圆柱体，直径0=1m,长L=40m；两块阳极的分布如图中(a)、(b)两种情况.阳极是lOcmXIOc

8、m的铅块.来流速度5.14m/s,在相同的模型几何尺寸、相同来流速度的条件下，本文进行了以下三个方案的计算：阳极分布如图1(a),计入绕流速度的影响.阳极分布如图1(b),计入绕流速度的影响.阳极分布如图1(a),不计入绕流速度的影响.方案1方案2方案3阳极置于最小速度点(b)阳极置于帔大速度成1计算模型图2阴极极化曲线阴极极化曲线取涂装的旧船体表面的极化曲线，如图2所示.在不同速度下的极化曲线根据实验结果插值获取.表1给出横断面上最高电位沿轴向分布的计算结果.通过方案1、3的比较可以明显地看出在相同阳极分布情况下，速度对电位的影响是明显的.方案1、2的比较说明同样计入流速的影响，阳极分布不同

9、对电位的影响也是明显的.所以将流场分析和电位场分析结合起来，进行阴极保护电位场的数值模拟计算是有意义的，具有进一步研究的价值.继本文之后，将对船体等其他海洋结构物进行更详细的计算.表Y横断面最高电位沿轴向的分布mV注：比电极为甘汞电极I表甲r表示到原点的距离方案r/m051020301一821.9-781.2-780.0777.8777.72-887.9-841.0-839.0一836.3-836.03一868.2一822.4-820.6-818.5-818.1参考文献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.电化学研究方法，北京，科学出版社，1984.5美国腐蚀工程莎协会.腐蚀与附护技术基础.朱日影等译,北京：冶金工业出版社，1987.EffectofelectrolytevelocitydistributiononcathodicprotectionofmarinestructuresZhouMei»(SchoolofNavalArchil,andMar.Eng.,DalianUniv,ofTechnol.,China)LiShuying(SchoolofChem.Eng.,DalianUniv,ofTechnol.,China)AbstractTheeffectofelectrolytevelocityonelectro-potentialdistributiononmarinestructuresundercathodicprotectionisinvestigatedbyusingboundaryelementmethod.AboundaryelementprogramPCBEhasbeendevelopedfortheanalysisofinfiniteandsemi-infiniteproblems.Numericalanalysisofcylinderdiffractionpro