水下安保設(shè)備加裝設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

姚 賽,楊小芳,晏懷斌,楊 龍,劉 剛

(上海船舶電子設(shè)備研究所,上海 201108)

0 引 言

我國港口碼頭、油儲(chǔ)基庫、造船基地等諸多戰(zhàn)略或經(jīng)濟(jì)重要設(shè)施都建設(shè)在近海島嶼或近岸水域[1]。為保障作業(yè)水域的水下安全,防止不明物體或目標(biāo)進(jìn)入或存在,需在港口、碼頭等的岸基設(shè)施中布放水下探測(cè)設(shè)備,通過將其固定于水底,對(duì)關(guān)鍵出入口的水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè),實(shí)現(xiàn)全天候安保功能。筆者重點(diǎn)介紹了某碼頭加裝水下探測(cè)設(shè)備的安保設(shè)計(jì)過程,并對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用做了簡(jiǎn)要敘述。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備組成

加裝的水下探測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示,整體為圓柱形,下部為探測(cè)傳感器,內(nèi)部為控制電路,頂部有供電通訊接口,可實(shí)現(xiàn)與岸端的信息傳輸。

圖1 水下探測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

水下設(shè)備加裝主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì):①設(shè)備安裝平臺(tái)設(shè)計(jì),依托碼頭環(huán)境條件,選擇合適的布放位置,固定設(shè)備、安裝平臺(tái),要保安裝平臺(tái)能夠合理有效地固定水下設(shè)備;②要使安裝平臺(tái)及水下設(shè)備能夠長(zhǎng)期地保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,故應(yīng)對(duì)設(shè)備所受外力(主要流體力)進(jìn)行計(jì)算;③水下設(shè)備全天候工作時(shí),電子元器件的工作溫度應(yīng)維持在合理范圍內(nèi),故應(yīng)對(duì)設(shè)備重要元器件進(jìn)行熱分析;④防止生物污損,尤其是對(duì)需要無遮擋的傳感器部分進(jìn)行防污設(shè)計(jì);⑤金屬防腐及金屬間電化學(xué)腐蝕的防腐設(shè)計(jì);⑥應(yīng)考慮施工安裝的便捷性與經(jīng)濟(jì)性。

1.2 工作布置設(shè)計(jì)

某碼頭結(jié)構(gòu)型式為高樁碼頭,由基樁和承臺(tái)組成?；鶚稙閳A柱形水泥樁,下部打入土中,上部高出水面,碼頭結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

水下設(shè)備具有一定的探測(cè)范圍,因此需選取合適的布放位置以實(shí)現(xiàn)指定水域的水下安保。在不影響安保水域正常運(yùn)轉(zhuǎn)前提下,應(yīng)考慮布放點(diǎn)的施工難度與成本。某碼頭的布放位置示意圖如圖3所示,該位置既能實(shí)現(xiàn)對(duì)碼頭關(guān)鍵出入口的全范圍探測(cè)覆蓋,又可以依托碼頭基礎(chǔ)設(shè)施固定安裝設(shè)備,減少電力供應(yīng)成本,同時(shí)方便后期維護(hù)保障。

圖3 水下探測(cè)設(shè)備布置示意圖

1.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下探測(cè)設(shè)備需安裝于水中某一高度,并保持姿態(tài)固定。其安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要包括抱箍、安裝支架、安裝平臺(tái)、轉(zhuǎn)接平臺(tái)及水下設(shè)備。水下探測(cè)設(shè)備是系統(tǒng)的核心,設(shè)備殼體及端蓋均采用鈦合金材質(zhì),其余結(jié)構(gòu)件均采用常見結(jié)構(gòu)鋼Q235。鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,即使在污染或高速流動(dòng)的海水中,也幾乎不受腐蝕。在滿足強(qiáng)度的條件下控制成本,但因海水中的Cl-離子,需做好材料的防腐設(shè)計(jì)。安裝支架采用模塊化設(shè)計(jì),安裝現(xiàn)場(chǎng)可由不同數(shù)量的模塊拼接組成,以適應(yīng)不同位置水深的變化;其底部盡可能插入泥面以下,頂部緊貼碼頭承臺(tái)側(cè)壁,并用膨脹螺栓固定。布放過程中應(yīng)保證安裝支架的垂直度,不得出現(xiàn)超出誤差的偏斜。

2 仿真與分析

2.1 設(shè)備流體受力分析

水下設(shè)備長(zhǎng)期工作于水中,要考慮流體作用力對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。因該設(shè)備一側(cè)背靠碼頭壁,故平行于碼頭側(cè)壁的來流方向影響最大。假設(shè)該來流方向速度為4 kN(大于該區(qū)域水流流速最大值),利用流體軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,其結(jié)果如圖5所示。

圖5 水下設(shè)備流場(chǎng)云圖

水下設(shè)備流體受力結(jié)果如圖6所示,其中X方向?yàn)榱黧w流速方向,Y方向?yàn)樗矫鎯?nèi)垂直于X且指向碼頭外側(cè)的方向,Z方向?yàn)樨Q直面內(nèi)垂直于X且豎直向上的方向。X、Y、Z三方向受力分別約為210 N、-60 N、90 N。該流體力引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)件材料的屈服強(qiáng)度,故流體力不會(huì)影響水下結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖6 水下設(shè)備受流體力仿真結(jié)果

2.2 設(shè)備元器件熱分析

水下設(shè)備除維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間外,全部處于開機(jī)運(yùn)行狀態(tài),因此對(duì)內(nèi)部電路器件散熱性能提出較大考驗(yàn)。電子元件工作時(shí),不斷有熱量產(chǎn)生,若熱量沒有及時(shí)傳導(dǎo)出去,會(huì)導(dǎo)致局部溫度升高,一旦超出元器件工作溫度允許范圍,會(huì)嚴(yán)重影響電子元件性能,從而導(dǎo)致設(shè)備探測(cè)性能下降。而艙體內(nèi)部空間緊湊,因而需對(duì)設(shè)備內(nèi)部電子元件進(jìn)行熱仿真校核。其具體仿真環(huán)境設(shè)置如下:水流速度0 m/s;水流初始溫度36 ℃;固體結(jié)構(gòu)件均按其材料屬性設(shè)置熱參數(shù);熱源設(shè)置按硬件電路提供參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)備內(nèi)發(fā)熱云圖如圖7所示,最高溫度為52 ℃。通過以上計(jì)算結(jié)果可知,在設(shè)備工作過程中,設(shè)備內(nèi)部的電子元器件及電源均工作在40～52 ℃之間,滿足電子元器件使用要求。

圖7 水下探測(cè)設(shè)備發(fā)熱云圖

3 防腐防污設(shè)計(jì)

3.1 保護(hù)涂層設(shè)計(jì)

保護(hù)涂層其主要功能是把結(jié)構(gòu)物的活性元素與環(huán)境腐蝕介質(zhì)隔離,也可以用來防止生物污損[2]。保護(hù)涂料與涂層一般包含底漆、中間漆及面漆。底漆要求與基材附著力強(qiáng),且具有防護(hù)作用。中間漆與底漆、面漆之間均有相容及配套性能。面漆為底漆和中間漆提供一個(gè)保護(hù)層,同時(shí)還需具有防止海生物附著功能,面漆可避免大量海生物附著于設(shè)備表面,降低探測(cè)性能。依據(jù)設(shè)備工作環(huán)境與使用要求,擬噴涂三道涂層材料,如表1所列。不同的涂料對(duì)表面除銹的質(zhì)量要求不同,高性能涂料則要求被涂裝表面有較高的除銹質(zhì)量等級(jí)[3]。在涂層涂裝作業(yè)前,構(gòu)件的表面處理均需達(dá)到相應(yīng)的要求。

表1 涂料體系組成方案 /μm

3.2 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上常見的犧牲陽極材料主要有四大類,分別為鎂合金、鋅合金、鋁合金及鐵合金。其中鎂合金陽極主要應(yīng)用于土壤和淡水環(huán)境,鋅合金陽極和鋁合金陽極應(yīng)用于海水環(huán)境,鐵合金陽極主要是針對(duì)銅合金海水管路的防腐需求研發(fā)的[4]。

海洋工程中鋼結(jié)構(gòu)一般采用鋁合金或鋅合金犧牲陽極。而鋁陽極相對(duì)于鋅陽極理論電容量大,鋁陽極理論電容量幾乎為鋅陽極的3倍,且兩者每公斤單價(jià)相當(dāng),因此在確保施工質(zhì)量的前提下選取鋁合金陽極較為經(jīng)濟(jì)。但在海水鹽度降低到一定程度下,鋁陽極性能明顯降低,因此對(duì)于咸淡水環(huán)境(含鹽量遠(yuǎn)低于正常海水),應(yīng)經(jīng)過考證慎重使用[5]。此次工程海水鹽度可以選用經(jīng)濟(jì)的鋁合金陽極。

犧牲陽極設(shè)計(jì)計(jì)算如下[6-8]。

(1) 陽極選型

陽極的幾何形狀是影響陽極利用率的主要因素。一般陽極的利用率μ≈0.7～1。長(zhǎng)條加芯型陽極利用率約0.9～0.95,鐲型陽極的利用率在0.75～0.9之間。其中,若長(zhǎng)條型陽極滿足L≥4r(L為陽極等效長(zhǎng)度;r為陽極初期等效半徑),則利用率約為0.9。

(2) 陽極輸出電流計(jì)算

初期陽極的接水電阻為:

R=ρ(ln4L/r-1)/2πL

(1)

式中:ρ為海水電阻率,Ω·cm;R為陽極初期接水電阻,Ω。

因此,單塊陽極的初期輸出電流為:

I=ΔU/R

(2)

式中:I為陽極初期輸出電流,A;ΔU為陽極驅(qū)動(dòng)電壓,V,對(duì)于鋅合金陽極,取0.2～0.25 V,對(duì)于鋁合金陽極,取0.25～0.3 V。

(3) 犧牲陽極數(shù)量計(jì)算

基于陽極所需總質(zhì)量與單塊陽極質(zhì)量計(jì)算所需陽極塊數(shù)量為:

Ic=iSi

(3)

Ma=8 760Ict/(με)

(4)

Na=Ma/ma

(5)

式中:Ic為總保護(hù)電流,A;i為設(shè)計(jì)電流密度,A/m2;Si為保護(hù)分部分表面積,m2;Ma為陰極保護(hù)總電流所需陽極凈質(zhì)量,kg;ε為陽極電化學(xué)容量,Ah/kg;t為設(shè)計(jì)壽命,年;Na為陰極保護(hù)所需陽極塊數(shù);ma為單塊陽極凈質(zhì)量,kg。

基于總保護(hù)電流與單塊陽極輸出電流計(jì)算所需陽極塊數(shù)量為:

Ni=Ic/Im

(6)

式中:Ni為基于保護(hù)電流陰極保護(hù)所需陽極塊數(shù);Im為單陽極平均輸出電流量(0.6～0.7倍I),A。

因此,所需陽極塊數(shù)計(jì)算為:

N=Max(Na,Ni)

(7)

式中:N為實(shí)際所需陽極塊數(shù)。

4 工程應(yīng)用

水下探測(cè)設(shè)備已成功加裝于某碼頭水下安保工程,具體設(shè)計(jì)過程如下:實(shí)地勘察碼頭結(jié)構(gòu)形式、水域水深和水文情況并綜合設(shè)備性能指標(biāo)確定設(shè)備布放深度及布放位置;然后進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)安裝支架、安裝平臺(tái)等;再通過流體與熱仿真分析確定水下設(shè)備的穩(wěn)定性。再后,經(jīng)涂層防護(hù)與犧牲陽極選型計(jì)算確定其使用壽命。

4.1 材料隔離

水下探測(cè)設(shè)備殼體材料為鈦合金,其電位較正。當(dāng)其與其它金屬連接組成組合件時(shí),在腐蝕環(huán)境中容易使電位較負(fù)的金屬產(chǎn)生電偶腐蝕,加速電位較負(fù)的金屬的腐蝕速度。當(dāng)電位差較大時(shí),會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的電偶腐蝕;兩者電位差越大,電偶電流越大,電偶腐蝕也越嚴(yán)重。一般認(rèn)為,當(dāng)電位差差值達(dá)到250 mV時(shí),電偶腐蝕現(xiàn)象會(huì)比較明顯,此時(shí)陽極金屬腐蝕明顯加重,陰極金屬受到保護(hù)[9]。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造中應(yīng)防止鈦合金與其它材料接觸而形成電偶腐蝕。水下設(shè)備殼體與安裝支架等金屬件固定連接時(shí),中間均需加裝絕緣橡膠或非金屬材料進(jìn)行隔離,鈦合金與碳鋼連接示意圖如圖8所示。

圖8 鈦合金與碳鋼連接示意圖

4.2 犧牲陽極計(jì)算

此工程用犧牲陽極參數(shù)如表2所列,尺寸規(guī)格為(51+49)×(10+8)×8.5 cm。海水電阻率ρ=25 Ω·cm。陰極保護(hù)設(shè)計(jì)保護(hù)電流密度,保護(hù)面積如表3所列。分別計(jì)算初期輸出電流、末期輸出電流及總電流,結(jié)果如表4所列。

表2 犧牲陽極工作參數(shù)

表3 涂層保護(hù)部位設(shè)計(jì)電流密度與保護(hù)面積

表4 陰極保護(hù)所需電流 /A

設(shè)計(jì)犧牲陽極更換周期5年,則根據(jù)陰極保護(hù)總電流計(jì)算所需陽極凈質(zhì)量:

Ma=8 760Ict/(με)=8.16 kg

(8)

Na=Ma/ma≈1

(9)

Ni=Ic/Im≈1

(10)

則此工程安裝平臺(tái)所需犧牲陽極塊數(shù)量為:

N=Max(Na,Ni)=1

(11)

犧牲陽極與安裝支架的焊接固定應(yīng)做到焊縫飽滿、連續(xù)平整、無虛焊、焊接牢固。陽極焊接完成后,進(jìn)行涂料涂裝,涂裝過程中應(yīng)避免油污漆料污染陽極工作面。

最后,潛水員進(jìn)行水下施工并完成安裝。該工程的順利驗(yàn)收表明,該水下設(shè)備加裝可滿足其近海環(huán)境長(zhǎng)期浸泡使用的要求,具備了水下長(zhǎng)期工作的能力。

5 結(jié) 論

(1) 水下探測(cè)設(shè)備的加裝需根據(jù)碼頭的實(shí)際環(huán)境,利用現(xiàn)有條件,選擇合適的布放位置,該位置既能實(shí)現(xiàn)對(duì)碼頭關(guān)鍵出入口的全范圍探測(cè)覆蓋,又可以依托碼頭基礎(chǔ)設(shè)施固定安裝設(shè)備,減少成本,方便后期維護(hù)。

(2) 為保證水下探測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,對(duì)設(shè)備進(jìn)行流體力計(jì)算及熱分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),該設(shè)備滿足長(zhǎng)期工作條件。

(3) 海洋大氣環(huán)境下,當(dāng)異種金屬電位差較大時(shí),會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的電偶腐蝕。需對(duì)異種金屬進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x。

(4) 犧牲陽極與涂料聯(lián)合保護(hù)防腐措施防腐周期長(zhǎng)、造價(jià)相對(duì)較低,是防腐重要措施之一。高等級(jí)的表面處理,將會(huì)延長(zhǎng)涂料的壽命,此外陽極的合理選型與計(jì)算,可保證結(jié)構(gòu)件安全并節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。