船舶與海洋工程防腐系統數值模擬及優化方法
2023-11-04 03:24:57
專利名稱：船舶與海洋工程防腐系統數值模擬及優化方法
技術領域：
本發明屬於船舶與海洋工程防腐技術領域，涉及到複雜耦合防腐系統的數值模擬及設計方法。
背景技術：
陰極保護系統的數值模擬計算方法研究始於上個世紀七十年代末，研究者們起初選擇犧牲陽極陰極保護系統作為計算對象，嘗試了有限差分法、有限元法和邊界遠法。經過二十多年的發展，針對海洋工程防腐系統的數值模擬計算問題，邊界元法顯示出了最強的適應性，也獲得了最好的發展。在犧牲陽極陰極保護系統、外加電流陰極保護系統、電偶腐蝕以及雜散電流腐蝕等數值模擬計算研究方面均有學術論文發表了相應的研究成果。在英國的「BEASY Software」公司推出的工程模擬計算軟體「BEASY Software」中， "BEASY Corrosion Control 」部分能夠提供基於數值模擬計算的陰極保護系統優化設計功能，其中集成了國外在船舶與海洋工程防腐系統數值模擬計算方法研究方面的最新研究成果。在『『BEASY Software"公司網頁『『http //www. beasy. com」中，介紹了陰極保護系統數值模擬計算方法研究的代表性學術論文。①船舶與海洋工程犧牲陽極陰極保護系統的數值模擬計算技術，趨於成熟，可以用於求解電偶體系導致的腐蝕問題，但針對船舶或浮式海洋結構物中的壓載水艙防腐系統的數值模擬計算尚存在局限性。②船舶與海洋工程外加電流陰極保護系統的數值模擬計算技術，能夠針對由單一外加電流陰極保護裝置(直流電源、參比電極、輔助陽極)構成的防腐系統實施數值模擬計算，但針對由多個外加電流陰極保護裝置構成的複雜防腐系統，在計算方法的論述中，只體現了電流平衡條件，而未體現外加電流陰極保護裝置之間的耦合問題，所以不能期待實現正確的數值模擬計算。本發明針對船舶或浮式海洋結構物中的壓載水艙防腐系統的數值模擬計算問題， 採用分塊邊界元法，使得「屏蔽效應」問題獲得完美解決；不僅能夠針對由單一外加電流陰極保護裝置(直流電源、參比電極、輔助陽極)構成的防腐系統實施數值模擬計算，而且針對由多個外加電流陰極保護裝置構成的複雜防腐系統，在考慮了電流平衡條件的同時，解決了外加電流陰極保護裝置之間的耦合問題，所以能夠實現正確的數值模擬計算；在基於邊界元法建立的方程系統中，列入了每一個獨立的結構(或防腐)系統的電流平衡條件，同時解決了各獨立防腐系統所產生的子電場之間的幹涉耦合問題，因此可以期待確切地求解複雜海洋工程中的雜散電流腐蝕問題。通過建立一整套陰極保護體系的邊界元數值計算模型，可實現數值模擬計算與仿真，得到陰極保護電位和保護電流密度等有關結果。
發明內容
本發明提供了一種海洋結構物防腐系統數值模擬仿真計算方法，能夠綜合考慮環境、防腐塗層損傷狀態等因素的變化，考慮由電偶體系、雜散電流體系、犧牲陽極系統以及外加電流陰極保護系統等共同形成的複雜耦合體系問題，真實反應海洋結構物的實際防腐狀態，以環境參數等為變量，通過邊界元分析計算，形成複雜海洋工程防腐系統數值模擬設計的核心技術。本發明數值模型的基本要素包括(1)網格是對陰極(被保護對象)和陽極(犧牲陽極或外加電流輔助陽極)表面進行離散後的邊界元網格模型；(2)電流流經的體系周圍介質的電性能參數；(3)邊界條件主要是陰、陽極的電化學特性(極化曲線描述)。對於均一、各向同性的體系而言，域內滿足Laplace方程，用域內方程去逼近邊界條件，並經格林公式降階以及對研究對象網格劃分後，即可得到陰極表面電位、陽極表面電位、陰極表面電流密度以及陽極表面電流密度的相關的方程組。因此，該數值模型的計算過程分為兩個階段。第一階段利用邊界元法形成離散化的邊界積分方程組，可表示為[H] {Φ} = [G] {0}式中，[Φ] = {Φ 1，Φ 2，…Φη，Φ⑴}，表示複雜海洋結構物溼表面(陰極)及陽極的η個網格節點上的電位，以及距離複雜海洋結構物足夠遠處的電位；⑷]={ql，q2^·· qn}表示η個網格節點上的電流密度；[H]、[G]為在此階段中計算出來的係數矩陣，與網格模型的幾何特徵有關。由於電位Φ和電流密度q之間通過邊界條件存在一定的關係，因此可以將Φ① 設為0以作為參考電位，然後對方程組進行求解。這是計算過程的第二階段。在邊界條件為材料極化曲線描述的部位，Φ和q之間的關係是非線性的。為了有效地求解這個非線性方程組，可採用分段擬線性方法來處理非線性邊界條件。即將極化曲線分為若干區段，對每一區段進行線性擬合，從而求得相應的線性關係。在求解方程組時， 首先根據當前的電位值來判斷其所在的區間，然後用該區間的線性關係帶入線性方程組， 對方程組進行求解得到待求的電位，並對求出的電位進行判斷，如果與求解前所在區間不同，則重複上述步驟直至區間完全相同為止。為了實現上述目的，本發明的技術方案包括以下步驟A、幾何建模採用計算機對所要計算的結構進行幾何建模，利用計算機進行建模所使用的建模軟體包括ANSYS、PANTRAN等商用軟體；B、建立邊界元模型對建立的幾何模型進行網格劃分，根據實際項目，對陽極屏， 開孔附近進行加密；每一個網格是一個單元，然後確立模型各單元與網格節點的編號和空間坐標；如果需要加入螺旋槳，則需要利用建模軟體導出螺旋槳節點和單元數據文件。C、在邊界元模型的基礎上加載數位化後的犧牲陽極信息，如如犧牲陽極材料、相關幾何數據等；首次加載依據經驗公式，以後均根據下述計算結果進行調整計算係數矩陣，初始化各節點電位和電流密度之間的分段線性關係，求解線性方程組，判斷各節點處電位和電流密度是否符合分段線性的極化曲線，是否存在不符合原線性關係的節點，並調整這些電位和電流密度，最終得到陽極輸出電流等整體計算結果，以及各節點處的點位和電流密度等；E、以雲圖或曲線的形式可視化計算結果；F、將犧牲陽極等重新布置，得到最優的陰極保護系統。本發明的有益效果是通過本發明可以計算得出被保護對象表面上的保護電位、保護電流的分布狀態及其隨時間變化情況、犧牲陽極的消耗狀態和隨時間變化情況、外加電源的容量及控制參數等信息，可以更加全面地說明海洋結構物的總體防腐性能，從而全面評估海洋結構物在役期間的生存能力，並給出優化設計方案，以使被保護對象表面上的保護電位分布在全保護周期內始終處於所要求的基準範圍內，從而提升海洋結構物的使用壽命；同時根據此計算方法編制軟體，使其在短時間能完成所有的計算，實現整個計算過程的全自動化，使這一方法具有實際工程使用意義。
圖1是本發明的邊界元算法流程圖。圖2是本發明的系統結構圖。圖3陰極保護體系的邊界條件示意圖。圖4. 1是半潛平臺外加電流陰極保護系統示意圖。圖4. 2是邊界元網格劃分示意圖。
圖4. 3是優化後的1至4號陽極位置示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖以某一半潛式鑽井平臺為例對本發明進行進一步地描述。計算對象及初始設計主要參數某半潛平臺的主尺度如下浮體長115.4m浮體寬18m浮體高10m工作吃水19m平臺浮體以及動力定位系統等水下部分採用了外加電流陰極保護系統。該系統的初始設計在每個浮體上布置了 4個輔助陽極，在立柱上各布置2個輔助陽極，共16 (8 X 2) 個陽極，陽極屏半徑均為細。平臺結構溼表面模型及陽極布置如圖4. 1所示。網格劃分根據對稱性，取一半建立模型。劃分邊界元網格後，共有68716個三角形單元和 34964個節點。整體網格劃分、陽極以及螺旋槳局部網格劃分如圖4. 2所示。邊界條件及介質參數半潛平臺防腐塗層損傷表面(S。)、外加電流輔助陽極表面(Sa)以及螺旋槳表面 (Sp)的電位狀態和電流狀態之間的關係滿足極化曲線；在水線面處為海水電解質區域邊界 (Sw)，在垂直方向上滿足電流密度為「0」的邊界條件；距離海洋結構物足夠遠處(S00)為物理模型的外邊界，電位設為常數，電流密度為「0」。其中，S。邊界的極化曲線根據陰極保護系統到達10年設計壽命時的塗層破損情況選取。電解質(海水)的電阻率取為0.25Ωπι。計算結果當通過外加電流裝置給輔助陽極與被保護對象之間施加的電壓為13. 5V時，計算得到的保護電位範圍為823. ImV 1106. 5mV。最低保護電位出現在浮體底部靠近螺旋槳的區域，最高保護電位則出現在立柱上靠近7號陽極屏下端的區域。保護電位均值和方差為別為 930. 925mV 和 2；352. 512mV2。被保護對象表面的平均電流密度為-12. 366mA/m2。1 8號陽極輸出電流為 {13649，13648，13635，13636，13494，13474，13477，13489}，單位=A0 總的陽極輸出電流為 108501mA，外加電流裝置輸出功率為1. 465kW。從數值模擬計算的結果來看，該半潛平臺ICCP系統的初始設計能夠基本滿足10 年設計壽命的使用要求。但由於其陽極屏的總面積太大、整體保護電位水平過高、保護電位分布較不均勻等問題的存在，針對該初始設計還可以做進一步的優化。陽極位置優化若選擇每個陽極在三維方向上的位置作為優化變量，則變量的個數達到3X8 = M個。根據實際情況對優化變量的個數進行簡化，可大大提高優化效率。在本問題中，考慮到陽極屏的覆蓋面積和屏蔽效果，立柱上的陽極的可移動範圍有限，故將其位置固定。浮體上的四個陽極在船高方向上不便於做調整，但在船長方向是可以靈活布置。因此可選擇 1 4號陽極的χ方向位置作為優化變量，則將優化變量簡化為P = Ix1, x2, X3, X4I。針對可能對保護電位分布影響較大的陽極分布區域，選擇坐標值的合理可變範圍為=Pmin = {10，85，10，85}，Pmax = {30，105，30，105}，Pmin 彡 P 彡 Pmax (單位:m)。本問題相應的優化模型為Min
權利要求
1. 一種船舶與海洋工程防腐系統數值模擬及優化方法，其特徵包括以下步驟A、幾何建模採用計算機對所要計算的結構進行幾何建模，利用計算機進行建模所使用的建模軟體包括ANSYS、PANTRAN等商用軟體；B、建立邊界元模型對建立的幾何模型進行網格劃分，根據實際項目，對陽極屏，開孔附近進行加密；每一個網格是一個單元，然後確立模型各單元與網格節點的編號和空間坐標；如果需要加入螺旋槳，則需要利用建模軟體導出螺旋槳節點和單元數據文件。C、在邊界元模型的基礎上加載數位化後的犧牲陽極信息，如如犧牲陽極材料、相關幾何數據等；首次加載依據經驗公式，以後均根據下述計算結果進行調整計算係數矩陣，初始化各節點電位和電流密度之間的分段線性關係，求解線性方程組， 判斷各節點處電位和電流密度是否符合分段線性的極化曲線，是否存在不符合原線性關係的節點，並調整這些電位和電流密度，最終得到陽極輸出電流等整體計算結果，以及各節點處的點位和電流密度等；E、以雲圖或曲線的形式可視化計算結果；F、將犧牲陽極等重新布置，得到最優的陰極保護系統。
全文摘要
本發明屬於船舶與海洋工程防腐技術領域，涉及一種船舶與海洋工程防腐系統數值模擬及優化方法。其特徵是先進行幾何建模，然後建立邊界元模型，對建立的幾何模型進行網格劃分；在邊界元模型的基礎上加載數位化後的犧牲陽極信息；計算係數矩陣，初始化分段線性關係，求解線性方程組，通過相關判斷最終得到計算結果；以雲圖或曲線的形式可視化計算結果；將犧牲陽極等重新布置，得到最優的陰極保護系統。本發明的有益效果是通過本發明可以更加全面地說明海洋結構物的總體防腐性能，並給出優化設計方案，從而提升海洋結構物的使用壽命；同時編制軟體實現整個計算過程的全自動化，使這一方法具有實際工程使用意義。
文檔編號G06F17/50GK102214255SQ20111012040
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月10日 優先權日2011年5月10日
發明者黃一 申請人:大連理工大學