关于金属板屏蔽法弱化杂散电流干扰.docx
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关于金属板屏蔽法弱化杂散电流干扰
大连彼乡大学DAL!
AN以IVERSITYOFTEO种汉OGY
硕士学位论文
MASTERALDISSERTATION
杂散电流腐蚀防护技术基础研究硕士学位论文
杂散电流腐蚀防护技术基础研究
Stu勿onProtectingTeehniquefortheStrayC叮entCorrosion
作者姓名:
学科、专业:
学号:
指导教师:
完成日期:
赵红梅
船舶与海洋结构物设计制造
20508034
2007.12
大连理工大学
DalianUniversityofTeehnology独创性说明
作者郑重声明:
本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工
作及取得研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,
论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理
工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。
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。
作者签名
:
五鱼显蓦日期、7大连理工大学硕士学位论文
摘要
杂散电流腐蚀是长期困扰国内外造船企业的共性问题。
因此,研究杂散电流腐蚀的
成因,确定有效的解决方案,有着十分重要的实际意义。
大连新船重工46000t系列船舶,在码头修造期间出现了不同程度的杂散电流腐蚀现
象。
本文针对这一具体工程问题,从理论上对杂散电流腐蚀机理进行了深入研究;经过
现场观测、理论分析,查明了杂散电流腐蚀的根本原因,即电流泄漏和电位梯度:
分别
针这两个原因,提出了采用牺牲阳极的阴极保护法及金属板屏蔽法相结合的复合方案防
止船体遭受杂散电流腐蚀。
牺牲阳极阴极保护技术在工程应用中已相对成熟,本文不再
做进一步研究。
对于金属板屏蔽法,本文通过试验室模型试验及数值模拟计算相结合来
验证该方法解决船舶杂散电流腐蚀问题的有效性。
首先,设计并制作了杂散电流环境及试验装置,以研究金属板屏蔽法对杂散电流环
境电场的影响,通过系列试验研究了屏蔽板的材料特性、几何尺寸、接地方式及屏蔽板
相对位置等主要参数对屏蔽效果的影响。
其次,通过数值模拟仿真计算,进一步确认了
金属板屏蔽法防护杂散电流腐蚀的有效性,并对影响屏蔽效果的主要因素进行了定量计
算,得出了一些有意义的规律。
模型试验与数值计算结果表明,金属板屏蔽法可有效地消除或弱化环境电场中本来
存在的电位梯度,使船体免遭杂散电流腐蚀。
同时明确了影响屏蔽效果的主要因素,最
终给出了防护杂散电流腐蚀的合理方案。
关键词:
杂散电流;腐蚀;金属屏蔽;模型试验;数值计算杂散电流腐蚀防护问题基础研究
`StudyonProtectingTechniquefortheStrayCurrentCorrosion
AbstraCt
ThestrayeurrenteormsionhasPuzzledshiPbuildingindustryforalongtimeoverthe
world.Therefore,tostudyeansesofthestraycurrentcorrosion,Putfo,ardasolvingsolution
andavoidunneeessarylosses,hasimPortantPracticalsignificaneeandaPPlieationvalue.
46000DWTvesselsinDalianShiPYardsufferedstrayeurrenteorrosion.Basedonthis
engineeringPraetiee,thisthesisdiseussesthemeehanismofstrayeurrentcorrosionand
eleetrostatiefieldtheoretically,andfindsouttheeausesofthecorrosionbyon一site
observationandtheoretiealanalysis,whiehareeurrentleakandPotentialgradient.Aceording
totheeauses,weProPosemethodsbyinereasingthenumberofsaerifieialanodesandusing
metalfieldPlateresPectivelytoProteetvesselsandoffshorestrueturesfromstraycurrent
eorrosion.SaerifieialanodeeathodieProteetionhasbeenaPPliedwidelyinengineering,50
thisthesisdoesn'tstudyitanymore.ByusingthemodeltestandnumeriealCaleulation
（BEM）,weverifiestheeffectivenessofthesolutionwithametalfieldPlate.
First,wedesignandmaketheequiPmentandestablisheleetriefieldinthelaboratory,
whieh15causesbythestrayeurrentandhavePotentialgradient,andthenobservethe
PotentialehangesbeforeandafterusingthemetalPlate.ByehangingthematerialProPerties,
geometriesize,孚。
undingmodeofthemetalPlate,andthedistaneebetweenthemetalPlate
andPositiveeleetrode,weeonduetseveralgrouPsoftestsinthelaboratoryresPectively.
Seeond,wemodeltheeleetriefield,whiehcoineideessentiallywiththeabovetestsbyusing
BEM,verifytheeffectivenessofthemethodusingmetaishieldPlatetoeliminatethePotential
gradient,andquantitativelyCaleulatetheinflueneingfactorsofthestrayeurrenteortosion.
Theresultsofthemodeltestsandnumeriealcalculationshowthat,usingmetalshield
PlateeaneliminatethePotentialgradientandProtectvesselsfromsufferingstrayeurrent
eorrosion.Andthisthesisalsomakeseleartheinflueneingfaetorsofthestrayeurrent
eorrosion,andProPosestheschemetoavoidstraycurrenteorrosionfinally.
KeyWords:
strayeurrent:
corrosion;metalshield;modeltest:
numeriealealeulation大连理工大学硕士学位论文
目录
摘要...............................................................................................................................……I
Abstract...........................................................……,..............................................................……11
1绪论.…,...........................................................................................................................……1
1.1课题的理论意义和应用价值.............................................................................……1
1.2国内外研究概况及发展趋势.............................................................................……1
1.3本文的研究内容.................................................................................................……4
参考文献................................................................................................................……6
2船舶杂散电流腐蚀基础研究........................................................................................……7
2.1杂散电流基本性质研究.....................................................................................……7
2.1.1杂散电流的危害......................................................................................……7
2.1.2杂散电流产生的原因..............................................................................……8
2.1.3杂散电流腐蚀的防护方法......................................................................……9
2.2船舶杂散电流腐蚀研究..........................................···.·····································……n
2.2.1船舶杂散电流腐蚀的实验研究............................................................……n
2.2.2船舶杂散电流腐蚀的原因....................................................................……14
2.2.3船舶杂散电流腐蚀防护研究..................................................……,.......……16
2.3本章小结...........................................................................................................……17
参考文献..............................................................................................................……18
3静电屏蔽基本理论............................................................................··.......···,·············……19
3.1静电屏蔽的物理性质...........................................·.··········································……19
3.2静电屏蔽唯一性定理.............................................·······································一21
3.2.1导体壳不接地...........................................................……,............··········……21
3.2.2导体壳接地.............................……,.............................................···········……22
3.3静电屏蔽的性质........................................……、...........................·····...·············……23
3.3.1电场屏蔽................................................................................................……23
3.3.2电位屏蔽................................................................................................……24
3.4静电屏蔽实质..............................................................................................··.··……25
3.5本章小结...........................................................................................................……25
参考文献..............................……,...............................................................................……27
4杂散电流腐蚀防护问题的试验研究..........................................................................……28杂散电流腐蚀防护问题基础研究
4.1.1试验目的................................................................................................……28
4.1.2试验设备及原理....................................................................................……28
实验操作...........................................................................................................……31
4.2.1试验示意图............................................................................................……31
`,4O叮O自匕成UO沙沙Q户了”︸︸凡︶、片片J岭峙内月月月月、﹃曰`J一Of.J4.2.2
4.2.3
试验方法及步骤..……
试验过程及测量数据
4.3本章小结...........................................................................................................……
5杂散电流腐蚀防护问题的数值模拟..........................................................................……
5.1计算模型..……,..................................................................................................……
5.2数值计算...........................................................................................................……
5.3本章小结...............................................................................……,.....................……
结论............................................................................................................................……
攻读硕士学位期间发表学术论文情况............................................................................……
致谢.............................................................……,............……,.....................................……
大连理工大学学位论文版权使用授权书........................................................................……61大连理工大学硕士学位论文
1绪论
1.1课题的理论意义和应用价值
硕士论文研究课题来源于大连新船重工有限公司。
船舶在大连新船重工有限公司5
号和6号海区修造期间,出现不同程度的腐蚀现象。
如:
尾部阴极保护区严重锈蚀;焊
缝区出现坑状;腐蚀坑内有黑色粉末铁锈等。
经过一系列分析研究和现场观测,知道了
造成腐蚀的主要原因是杂散电流。
船舶在其修造期间,需要较长时间停靠在码头,所以容易遭受杂散电流腐蚀。
因为
船舶在建造和修理过程中,需要使用一些用电设备,如电焊机等。
这些用电设备由于一
些原因会有电流泄露出来,这部分泄露的电流会引起船体的腐蚀;另外由于在码头附近
也同时存在着一些用电设备（或带电体）,即岸电,这些岸电会在船体所在海区产生电
场,电场的电位分布是不均匀的,因此在电位梯度的作用下,电场内部的导体（船体）
就很容易产生杂散电流,进而遭受腐蚀。
杂散电流腐蚀是电化学腐蚀的一种。
腐蚀过程不仅导致材料变质破坏也会造成环境
污染,甚至使设备构件丧失其全部或局部的技术体系功能,对人身安全和国家财产造成
巨大威胁。
杂散电流腐蚀一般很难通过实验确定,计算机数值计算是一种比较理想的研
究杂散电流的方法。
采用先进的数值模拟仿真技术,可以实现全寿命期内可控制和有预
见性的复合防腐系统优化设计。
1.2国内外研究概况及发展趋势
目前,地铁、轻轨、地下管道等城市基础设施建设以及船舶及海洋工程领域中,都
出现了不同程度的杂散电流腐蚀现象,引起了国内外专家、学者的重视。
通过研究,现
在已经基本确定了杂散电流腐蚀的各种形式以及一些基本的性质。
杂散电流主要有三种
类型:
（l）直流杂散电流腐蚀。
电流来源于直流电流源,例如轨道传输系统、阴极保护
系统等。
根据杂散电流幅值和电流流经路径是否随着时间发生变化,直接杂散电流将进
一步分为静态杂散电流和动态杂散电流两种。
（2）交变杂散电流腐蚀。
电流来源于交变
电流源。
例如高架交流电线等。
侈）地球场的影响。
属于自然界的一种现象,由于地球
磁场而引起杂散电流。
目前工程中比较常规的解决杂散电流腐蚀的方法主要是“排流”和“截流”,就是采用
疏导和堵截的方法。
例如,我国上海轨道交通运输系统的明珠线,在建设过程中,就采
用了这两种方法来解决杂散电流的腐蚀问题。
美国侧chardw技术主管对美国的数千条杂散电流腐蚀防护问题基础研究
地下管道,由于阴极保护系统造成的杂散电流腐蚀问题也做了分析研究,解决方法也基
本相同。
在数值计算方面,目前普遍认为应用边界元方法进行数值模拟仿真是一种比较理想
的确定杂散电流腐蚀的方法。
例如J.Trevelyan&H.P.hac等对船舶由于外加电流的阴极
保护而引起的杂散电流腐蚀问题做了一定的研究和数值计算。
杂散电流腐蚀和其它腐蚀一样,对工程建设以及国民经济的发展具有重要的危害,
因此现在许多发达国家都投入了大量的人力、物力,对此问题进行了长期深入的研究[l3!
取得了一些成果。
杂散电流的防护是一项系统工程,目前设计中的防护方法大致可归纳
为3类l'71:
（l）控制和减小杂散电流的根源,隔离所有可能的泄漏杂散电路的途径,叫做“堵”;
（2）为杂散电流提供一个畅通的低电阻通路,叫做“排”;
（3）检测杂散电.流的大小以便超标时及时采取措施,叫做“测”。
上述杂散电流腐蚀问题的解决方法需要建立在电位测量的基础上。
因此电位的测量
对解决杂散电流腐蚀问题具有十分重要的意义。
结构物的电位以及电位梯度是影响腐蚀
的关键因素,但是测量结果往往受到电阻和测量时间等因素的影响。
在一个电解质环境
中,杂散电流引起的电场,无论在时间上,还是在空间上,都是十分不确定的,它的变
化是很随意的。
Ferenc通过在地下设置了一系列的电极,测出不同的电位值,得到了电
流和地下电场的方向`Park.在地铁杂散电流的研究中,建议分别独立测量地铁轨道的电
位和附近各种管线的电位,通过所测的电位值和它的标准差,决定杂散电流腐蚀的程度。
同时该作者还着重指出,杂散电流在影响其它结构物的过程中,结构物和铁轨的电位改
变是相互平衡的。
BaZ:
zoni和Uzzari提出了一种外推的方法来获得结构物上的电位。
他
们使用了两个便携式的电极,在测量的过程中,其中一个设置在管线上方,另外一个和
它保持一定的距离而使它的所测的电位值在2压一3OmV的范围内,通过几分钟的测量,
得到结构物的电位以及垂直于它方向上的电位梯度。
然后通过外推的方法获得结构物上
的电位。
他们认为通过这种方法得到的电位值可以消除环境因素的千扰,是比较精确的。
另外,Martin和Brinsmead等其他学者也都采用了一些数学的方法来获得比较精确的电
位值。
杂散电流是一个非静态的现象,它的电位以及标准差是随着时间而改变的,因此对
于测量结果的分析应该采取一种非静态的方法1221。
KDarowic
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