复杂而庞大的海洋钢结构物使阴极保护系统的设计和监测较复杂,阴极保护下电化学场的计算是一件十分有意义的事情。对实海情况下阴极保护系统设计中经验估算法会造成局部区域的过保护和欠保护,同时过多的牺牲阳极也加重了平台载荷。另外在阴极保护系统的监测过程中,被保护体表面及腐蚀介质中电位难以一一测量导致监测数据不够全面。如果在阴极保护系统的设计过程中运用有限元法计算,可以最佳化阴极保护系统及预测实海情况下电流、电位分布情况,从而提供最佳设计参数。而在阴极保护系统监测过程中通过有限元计算,可以求出钢结构表面及周围腐蚀介质中任一点的电位和电流分布情况,实现不接触测阴极保护电位。此计算方法对于优化阴极保护系统,提高腐蚀监测精度和技术、评价腐蚀状况、研究腐蚀规律具有重要作用。 本文首先介绍了阴极保护的原理和电化学参数,讨论了影响阴极保护下电化学场分布的各种因素,对与阴极保护计算相关文献进行了追踪和分类讨论,比较了差分法、有限元法和边界元法在计算阴极保护电化学场时优缺点。作者研究主体主要分三个部分:二维情况下有限元建模和推导、三维情况下建模和推导、实验验证装置设计和实验验证。 二维的有限元模型可方便的计算平面状况下的阴极保护下电位和电流密度分布作者用最简单的三角单元划分求解区域用经典电磁场推导法建立了平面状况下计算模型,并讨论了非线性边界条件时方程组迭代解法。通过建立起的模型对几个实例的分析证明有限元是一种强大的阴极保护计算工具。计算实例表明钢样随牺牲阳极排布、数量、位置变化时而变化。分层腐蚀介质、分段腐蚀介质和其他钢样也影响电位和电流分布情况。 三维计算时为了解 LAPLACE 方程,采用 8 节点立体单元剖分场域、构造插值函数,通过每个单元的分析和整体合成建立了三维有限元模型,并给出了电流电位分布等值图。分布规律遵从经典电场原则。 最后设计了一套全自动钢表面电位自动测量系统,将三维情况下模型计算值和实验值进行了比较。