几种金属在海水中阴极保护数值计算及瞬态激励影响研究

论文摘要

对于阴极保护下海洋钢结构物(如海洋环境中的管线、船体、储油罐和油气平台等)的电位分布情况,国内外已有较多研究报道。其研究主要集中在稳态下海洋钢结构物的电位和电流分布特征,外加条件通常只有阴极保护而没考虑其它附加激励影响。海洋工程结构的阴极保护系统设计和监、检测较复杂,实海工程造价成本高、工作量大、周期长。数值模拟方法能够减少或避免经验估算法造成的局部区域过保护和欠保护状态,能够计算预测监、检测过程中遗漏的数据和实验手段无法测试的数据。本论文采用理论分析、预实验、模拟计算、实验验证等研究流程,分别对铝基牺牲阳极阴极保护Q275钢、Q275钢保护紫铜、缝隙腐蚀、小尺度激励实验模拟、大尺度激励实验模拟进行了研究。主要工作如下:1、设计了海水中铝基牺牲阳极保护Q275钢的电极电位分别处于保护范围内、过保护、欠保护状态下的物理模型,推导Laplace方程的弱形式方便了有限元程序设计。利用Kriging网格化插值法比较了有限元计算和实验数据。结果表明,有限元法模拟计算三种保护状态下的电位分布接近测量值。2、在海水中使用Q275钢作为牺牲阳极保护紫铜,建立了6个二维物理模型。用有限元法模拟计算了各物理模型阴极保护体系的电位分布,并进行实验验证。结果表明,二维有限元法能很好地模拟该阴极保护体系的电位分布。在小范围内Q275钢和紫铜电偶对的距离远近对电位分布影响不大。各模型中具有代表性的X轴、Y轴方向的电位模拟计算值与实测值接近。Q275钢阴极保护紫铜具有可行性,有限元法计算能够为其阴极保护设计提供依据。3、研究建立了薄、窄缝隙内的化学反应机理模型,该稳态模型细致的描述了缝隙内溶解氧、氢离子反应。模型包括了缝隙内六个平行的电化学反应:多电极反应(Fe、Cr、Ni的溶解氧化反应)和三个阴极反应(氧还原反应、氢还原、水解离)。计算中认为阳极金属反应对腐蚀过程的影响与金属中各元素成分的摩尔比成正比。计算得到了缝隙内pH值、电压、电流密度和氧浓度分布,并进行了实验验证。经分析,计算值和实验验证值接近。4、提出了阴极保护下海洋钢结构物电化学瞬态响应研究,探讨了在附加恒电量瞬态激励下,钢结构物表面的电位和电流密度分布的响应变化规律。研究介质为海水,分别建立了304不锈钢和Q235钢在不同几何结构、尺寸等边界条件下电位和电流密度随时间的变化响应数值模型。用自制矩阵电极和多通道腐蚀监测器进行了相应的测试实验。进行了附加电化学瞬态激励钢结构物的电位分布实验,并对各模型进行数值模拟。5、完成了海水中大尺度钢架在有或无阴极保护下,受附加电化学瞬态激励后的电位响应实验。分别建立不同瞬态激励实验模型,通过模拟计算,初步研究了各模型的钢架表面电位和电流密度分布随时间延迟的响应变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 阴极保护的发展
• 1.1.2 阴极保护数值计算方法研究现状
• 1.1.3 数值计算方法用于防腐蚀领域的产生背景
• 1.1.4 数值计算方法的优点
• 1.2 铜的腐蚀与防护
• 1.2.1 铜的性能和腐蚀影响因素
• 1.2.2 铜的腐蚀失效分析
• 1.2.3 铁基牺牲阳极保护紫铜的可行性
• 1.3 缝隙腐蚀的研究意义
• 1.3.1 缝隙腐蚀机理
• 1.3.2 缝隙腐蚀模拟研究进展
• 1.3.3 涂层破损形成的缝隙腐蚀
• 1.3.4 缝隙腐蚀的影响因素
• 1.4 大尺度金属结构物外加瞬态激励信号研究
• 1.4.1 瞬态激励介绍
• 1.4.2 恒电量激励研究进展
• 1.5 本论文的选题背景和研究内容
• 1.5.1 选题背景
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 海水中铝阳极阴极保护Q275 钢的有限元计算研究
• 2.1 引言
• 2.2 实例分析
• 2.2.1 物理模型建立
• 2.2.2 预实验和验证实验测试
• 2.2.3 电化学极化
• 2.3 建立数值计算模型
• 2.3.1 数学模型建立
• 2.3.2 弱形势推导
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 正常保护状态的模拟计算和实验验证
• 2.4.2 过保护状态的模拟计算和实验验证
• 2.4.3 欠保护状态的模拟计算和实验验证
• 2.4.5 模拟计算和验证实验数据比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 海水中Q275 钢阴极保护紫铜的有限元计算研究
• 3.1 引言
• 3.2 建立模型
• 3.2.1 数学模型建立
• 3.2.2 数学模型的弱形式推导
• 3.3 应用算例
• 3.3.1 物理模型建立
• 3.3.2 实验测试
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 模型Ⅰ的计算和验证
• 3.4.2 距离的影响
• 3.4.3 阳极位置和数量的影响
• 3.4.4 模型计算和实验值比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 氯化钠溶液中304 不锈钢的缝隙腐蚀数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 缝隙模型
• 4.2.1 模型描述和假设
• 4.2.2 数学模型
• 4.3 计算结果与讨论
• 4.3.2 pH 值的计算
• 4.3.3 电位分布的计算
• 4.3.4 不同电流密度的计算
• 4.3.5 氧浓度的计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 海水中304 不锈钢和Q235 钢恒电量瞬态激励的响应研究
• 5.1 引言
• 5.2 恒电量瞬态激励
• 5.3 瞬态激励实验
• 5.3.1 实验材料
• 5.3.2 电化学测试
• 5.4 测试结果与讨论
• 5.4.1 1000μF 电容放电的瞬态测试
• 5.4.2 4700μF 电容放电的瞬态测试
• 5.4.3 1F 电容放电的瞬态测试
• 5.5 本章小结
• 第六章 海水中Q235 钢架对电化学瞬态激励的响应研究
• 6.1 引言
• 6.2 大尺度钢架的恒电量激励实验
• 6.3 二维模型的模拟计算
• 6.3.1 二维网格划分
• 6.3.2 计算结果与讨论
• 6.4 三维模型的模拟计算
• 6.4.1 三维网格划分
• 6.4.2 牺牲阳极对钢架电位影响
• 6.4.3 有牺牲阳极保护的瞬态激励测试
• 6.4.4 无牺牲阳极保护的瞬态激励测试
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新点
• 7.3 对今后工作的建议和展望
• 参考文献
• 博士期间发表论文、申请专利目录
• 致谢