CN111797462A - 一种船舶与海洋结构物牺牲阳极尺寸设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶与海洋结构物牺牲阳极尺寸设计方法，用在船舶与海洋结构物防腐蚀设计领域。牺牲阳极通常由长条形阳极材料和支撑铁芯组成，阳极材料大多为铝合金、锌合金等，其尺寸可表征为两个量：r—阳极横截面等量半径和L—阳极长度，二者取值会影响船舶与海洋结构物的阳极总用量及阳极总块数。本发明通过确定上述r和L的合理值，从而设计出合理的牺牲阳极尺寸，使全船或海洋平台牺牲阳极总用量保持在最小水平附近的同时总块数最少。总用量最小可以节约阳极材料，从而节约成本；总块数最少可以节省安装成本和工期。

Description

一种船舶与海洋结构物牺牲阳极尺寸设计方法

技术领域

本发明涉及一种船舶与海洋结构物的设计，具体说，涉及牺牲阳极尺寸设计方法。

背景技术

牺牲阳极以其简便、经济、可靠、实用等优点，广泛应用于船舶与海洋结构物的腐蚀防护。船舶与海洋结构物因长期处在海洋环境中，牺牲阳极用量十分巨大。例如浮式生产储油轮(FPSO)，通常在海上持续作业二十到三十年之久，其牺牲阳极用量往往需要上千吨。因此让牺牲阳极物尽其用，在达到防腐要求的同时，尽量降低牺牲阳极的用量，对于成本控制十分重要。

牺牲阳极通常由长条形阳极材料和支撑铁芯组成，阳极材料大多为铝合金、锌合金等，如图1和图2所示，其尺寸可表征为两个量：r—阳极横截面等量半径和L—阳极长度，二者取值会影响船舶与海洋结构物的阳极总用量及阳极总块数。

船舶与海洋结构物牺牲阳极用量通过求取N_i--初期阳极块数、N_m--平均阳极块数和N_f--末期阳极块数，取三者中的最大值作为最终需要的阳极块数。通常牺牲阳极尺寸按照国家标准GBT4948-2002和GBT4950-2002中推荐的标准尺寸选取。但上述国家标准均为2002年颁布，不能很好的适应船舶与海洋工程目前的发展现状，同时随着牺牲阳极厂家模具制作工艺的革新，模具成本大幅下降。因此，根据项目的实际情况设计牺牲阳极尺寸在目前越来越普遍。

在长期的牺牲阳极尺寸设计中，逐渐得出以下规律：

·由于末期电流需求大于初期电流需求，且末期阳极电阻大于初期阳极电阻，所以末期阳极块数N_f必然大于初期阳极块数N_i，因此最终需要的阳极块数由N_m和N_f决定。

·当N_m大于N_f时，表明阳极尺寸设计的偏小，这样确定出来的阳极块数偏多，会增加安装工作；

·当N_m小于N_f时，表明阳极尺寸设计的偏大，这样确定出来的阳极总重量偏大，会造成资源浪费。

·当N_m与N_f接近时，阳极总重量和阳极块数趋于合理。

通过研究得知，上述N_m和N_f的值，与牺牲阳极自身尺寸关“L—阳极长度”与“r—阳极截面等效半径”有关。

如何使得N_m和N_f值无限接近，从而得到最优的牺牲阳极尺寸，从而牺牲阳极在具有较高的利用率的同时，总块数最少；进而节省牺牲阳极消耗的同时减少施工量，对于牺牲阳极的合理设计，降本增效有重要意义。

发明内容

针对上述内容，本发明通过分析研究，得出一种船舶与海洋结构物牺牲阳极尺寸设计方法；主要原理是通过确定阳极自身尺寸r和L值，使全船(平台)牺牲阳极总用量保持在最小水平附近的同时总块数最少。总用量最小可以节约阳极材料，从而节约成本；总块数最少可以节省安装成本和工期。以达到节省牺牲阳极材料，同时降低安装成本的目的。

为了达到上述目的，本发明一种牺牲阳极尺寸设计方法，所述牺牲阳极为长度L的长条状，横截面以等效半径r方式确定。本发明通过如下公式确定所述牺牲阳极：

其中:

r—所述牺牲阳极截面等效半径；对于截面非圆形的牺牲阳极，

S为牺牲阳极截面周长；对于圆形截面，取半径值为r；

μ—为阳极效率，取为0.9；

C—常数，由船舶或海洋工程设计阶段的要求设计确定；取值方式如下：

其中：

i_cm—为阳极平均电流密度A/m²，由海洋结构物所处的水深和温度带决定，取值如下表所示；

f_cm—为阳极平均涂装破损率，由海洋结构物涂层厚度及阳极保护年限确定；

海洋结构物涂层厚度可分为三个等级：

1级涂层厚度：仅一层防腐涂层，涂层干膜厚度大于20μm；

2级涂层厚度：至少一层防腐涂层，涂层干膜厚度大于250μm；

3级涂层厚度：至少两层防腐涂层，涂层干膜厚度大于350μm；

不同涂层厚度等级对应不同的a值和b值，具体如下表所示：

t_f—为阳极保护年限(年)；

ΔE—为驱动电压，由阳极材质和环境介质共同确定；

μ—为阳极效率，取为0.9；

ε—为有效电容量，阳极自身属性；

d—为阳极密度，阳极自身属性；

i_cf—为阳极末期电流密度，由海洋结构物所处的水深和温度带决定，如下表所示；

f_cf—为阳极末期涂装破损率，由海洋结构物涂层厚度及阳极保护年限确定，a和b取值与f_cm相同；f_cf＝a+bt_f；

n—为安装系数，由阳极安装后距结构面距离确定；

ρ—为海水电阻率，有海水温度盐度确定。

本发明通过确定牺牲阳极截面等效半径r和牺牲阳极长度L的合理值，从而设计出合理的牺牲阳极尺寸，使全船(平台)牺牲阳极总用量保持在最小水平附近的同时总块数最少。总用量最小可以节约阳极材料，从而节约成本；总块数最少可以节省安装成本和工期。

附图说明

图1是船舶与海洋工程中普遍的截面为梯形的牺牲阳极结构示意图。

图2是截面为方形的牺牲阳极结构示意图。

图3是n值示意图。

图4是ρ值选取依据。

具体实施方式

在对船舶与海洋结构物进行防腐蚀设计时，牺牲阳极用量极大。本发明牺牲阳极尺寸设计方法，主要原理是通过建立公式得出阳极自身尺寸r和L值，使全船(平台)牺牲阳极总用量保持在最小水平附近的同时总块数最少。总用量最小可以节约阳极材料，从而节约成本；总块数最少可以节省安装成本和工期。

牺牲阳极的具体确定方式如下：

其中:

L—牺牲阳极长度，为本发明设计尺寸之一。如图1和图2中L所示；

r—牺牲阳极截面等效半径，为本发明设计尺寸之一。对于截面非圆形的牺牲阳极，

S为牺牲阳极截面周长；

C—常数，由环境条件等客观因素决定，获取方法见下文。

μ—为阳极效率，根据阳极形状选取，长条形牺牲阳极的阳极效率为0.9。

本发明优化方法与牺牲阳极截面等效半径有关，与截面形状无关。因此，不限于图1所示截面为梯形的牺牲阳极和图2所示截面为方形的牺牲阳极，任意截面形状的长条形牺牲阳极均属于本发明专利的保护范围。

常数C计算公式如下：

其中：

i_cm—为阳极平均电流密度(A/m²)，由海洋结构物所处的水深和温度带决定，如下表所示；

f_cm—为阳极平均涂装破损率，由海洋结构物涂层厚度及阳极保护年限确定；

海洋结构物涂层厚度可分为三个等级：

1级涂层厚度：仅一层防腐涂层，涂层干膜厚度大于20μm。

2级涂层厚度：至少一层防腐涂层，涂层干膜厚度大于250μm。

3级涂层厚度：至少两层防腐涂层，涂层干膜厚度大于350μm。

不同涂层厚度等级对应不同的a值和b值，具体如下表所示：

t_f—为阳极保护年限(年)，船舶通常为5年，海工装备通常为整个寿命周期，往往长达20年至30年；

ΔE—为驱动电压，由阳极材质和环境介质共同确定。在海水环境中铝阳极为0.25V，锌阳极为0.2V；

μ—为阳极效率，根据阳极形状选取，长条形牺牲阳极的阳极效率为0.9；

ε—为有效电容量，阳极自身属性。铝阳极的有效电容量通常在2000Ah/kg到2600Ah/kg，锌阳极通常为780Ah/kg；

d—为阳极密度，阳极自身属性；

i_cf—为阳极末期电流密度，由海洋结构物所处的水深和温度带决定，如下表所示；

f_cf—为阳极末期涂装破损率，由海洋结构物涂层厚度及阳极保护年限确定，a和b取值与f_cm相同。f_cf＝a+bt_f；

n—为安装系数，由阳极安装后距结构面距离确定，如图3所示；

ρ—为海水电阻率，有海水温度盐度确定，根据图4选取。

注：以上参数取值来自Det Norske Veritas.Cathodic Protection Design[S].DNVGL-RP-B4012017.和CCS《船舶结构防腐蚀检验指南2009》.

由上式可知，常数C由环境条件，阴极保护年限，涂层厚度等条件确定。对于某一型具体的船舶与海洋工程产品而言，上述参数均为定值，因此C为定值。

应用实施例

以某型作业于巴西海域的FPSO为例：

应用本发明进行牺牲阳极尺寸设计时，首先需要结合设计要求计算出常数C的值：

常数C由环境条件，阴极保护年限，保护对象表面涂层干膜厚度等客观条件确定。i_cm—如下表所示，其设计吃水为22.5m，因此选择水深0-30m，作业地点属于热带，从而i_cm取值为0.07A/m²。

f_cm—本FPSO为3级涂层厚度，作业寿命为30年。因此a＝0.02，b＝0.012.

t_f—为阳极保护年限(年)，本项目为30年。

ΔE—为驱动电压。在海水环境中，锌阳极为0.2V；

μ—为阳极效率，根据阳极形状选取，长条形牺牲阳极的阳极效率为0.9；

ε—为有效电容量，锌阳极为780Ah/kg；

d—为阳极密度，锌阳极为7.14x10³kg/m³；

i_cf—为阳极末期电流密度，其设计吃水为22.5m，因此选择水深0-30m，作业地点属于热带，从而i_cm取值为0.1A/m²；

f_cf—为阳极末期涂装破损率，a和b取值与f_cm相同。

f_cf＝a+bt_f＝0.02+0.012×30＝0.38；

n—为安装系数，由阳极安装后距结构面距离确定，本项目为1；

ρ—为海水电阻率，有海水温度盐度确定，根据图4选取。本项目海水温度为25℃，海水盐度为36.93‰。因此取海水电阻率为0.17。

由上，算得常数C＝0.041。

计算出常数C后，确定牺牲阳极L与r值：

将C＝0.041代入上式，解得L＝490mm，r＝122mm。

确定L与r后，根据牺牲阳极具体截面形状，由r值确定截面其他尺寸

S为牺牲阳极截面周长。

本发明已在上述实际项目中应用。为验证本发明的优越性，根据DNVGL船级社规范“DNVGL-RP-B401,Cathodic protection design,2017”，设定r不变，改变L值进行计算，可得：

由上表可知，当L值增加时，阳极总质量随之增加，造成阳极浪费。

设定L不变，改变r值进行计算，可得：

由上表可知，当r值减少时，阳极总质量几乎不变，但阳极块数增加明显，阳极块数的增加会引起安装工作量的上升。此处阳极总质量略有减少，是由于计算过程中四舍五入造成的。相比于阳极块数增加所带来的安装成本的增加，阳极质量的减少微乎其微。

由上可知，本发明方法确定出的牺牲阳极，可使阳极总质量保持较低水平的同时，阳极块数最少，即得到最优的牺牲阳极设计方案。本发明通过确定上述r和L的合理值，从而设计出合理的牺牲阳极尺寸，使全船或海洋平台牺牲阳极总用量保持在最小水平附近的同时总块数最少。总用量最小可以节约阳极材料，从而节约成本；总块数最少可以节省安装成本和工期。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种船舶与海洋结构物牺牲阳极尺寸设计方法，所述牺牲阳极为长度L的长条状，横截面以等效半径r方式确定，其特征在于：

通过如下公式确定所述牺牲阳极：

其中:

r—所述牺牲阳极截面等效半径；对于截面非圆形的牺牲阳极，

S为牺牲阳极截面周长；对于圆形截面，取半径r；

μ—为阳极效率，取0.9；

C—常数，由船舶或海洋工程设计阶段的要求设计确定；取值方式如下：

其中：

i_cm—为阳极平均电流密度A/m²，由海洋结构物所处的水深和温度带决定，取值如下表所示；

f_cm—为阳极平均涂装破损率，由海洋结构物涂层厚度及阳极保护年限确定；海洋结构物涂层厚度可分为三个等级：

1级涂层厚度：仅一层防腐涂层，涂层干膜厚度大于20μm；

2级涂层厚度：至少一层防腐涂层，涂层干膜厚度大于250μm；

3级涂层厚度：至少两层防腐涂层，涂层干膜厚度大于350μm；

不同涂层厚度等级对应不同的a值和b值，具体如下表所示：

t_f—为阳极保护年限，单位为年；

ΔE—为驱动电压，由阳极材质和环境介质共同确定；

μ—为阳极效率，取为0.9；

ε—为有效电容量，阳极自身属性；

d—为阳极密度，阳极自身属性；

i_cf—为阳极末期电流密度，由海洋结构物所处的水深和温度带决定，如下表所示；

f_cf—为阳极末期涂装破损率，由海洋结构物涂层厚度及阳极保护年限确定，a和b取值与f_cm相同；f_cf＝a+bt_f；

n—为安装系数，由阳极安装后距结构面距离确定；

ρ—为海水电阻率，有海水温度盐度确定。

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