水下安保設備加裝設計與應用*

姚 賽,楊小芳,晏懷斌,楊 龍,劉 剛

(上海船舶電子設備研究所,上海 201108)

0 引 言

我國港口碼頭、油儲基庫、造船基地等諸多戰(zhàn)略或經(jīng)濟重要設施都建設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進入或存在,需在港口、碼頭等的岸基設施中布放水下探測設備,通過將其固定于水底,對關(guān)鍵出入口的水下目標進行探測,實現(xiàn)全天候安保功能。筆者重點介紹了某碼頭加裝水下探測設備的安保設計過程,并對實際工程應用做了簡要敘述。

1 總體設計

1.1 設備組成

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

圖1 水下探測設備結(jié)構(gòu)示意圖

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

1.2 工作布置設計

某碼頭結(jié)構(gòu)型式為高樁碼頭,由基樁和承臺組成。基樁為圓柱形水泥樁,下部打入土中,上部高出水面,碼頭結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

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

圖3 水下探測設備布置示意圖

1.3 總體結(jié)構(gòu)設計

水下探測設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、轉(zhuǎn)接平臺及水下設備。水下探測設備是系統(tǒng)的核心,設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的海水中,也幾乎不受腐蝕。在滿足強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計。安裝支架采用模塊化設計,安裝現(xiàn)場可由不同數(shù)量的模塊拼接組成,以適應不同位置水深的變化;其底部盡可能插入泥面以下,頂部緊貼碼頭承臺側(cè)壁,并用膨脹螺栓固定。布放過程中應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 設備流體受力分析

水下設備長期工作于水中,要考慮流體作用力對設備結(jié)構(gòu)強度的影響。因該設備一側(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),利用流體軟件進行仿真計算,其結(jié)果如圖5所示。

圖5 水下設備流場云圖

水下設備流體受力結(jié)果如圖6所示,其中X方向為流體流速方向,Y方向為水平面內(nèi)垂直于X且指向碼頭外側(cè)的方向,Z方向為豎直面內(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)應力遠遠小于結(jié)構(gòu)件材料的屈服強度,故流體力不會影響水下結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。

圖6 水下設備受流體力仿真結(jié)果

2.2 設備元器件熱分析

水下設備除維護保養(yǎng)時間外,全部處于開機運行狀態(tài),因此對內(nèi)部電路器件散熱性能提出較大考驗。電子元件工作時,不斷有熱量產(chǎn)生,若熱量沒有及時傳導出去,會導致局部溫度升高,一旦超出元器件工作溫度允許范圍,會嚴重影響電子元件性能,從而導致設備探測性能下降。而艙體內(nèi)部空間緊湊,因而需對設備內(nèi)部電子元件進行熱仿真校核。其具體仿真環(huán)境設置如下: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置熱參數(shù);熱源設置按硬件電路提供參數(shù)進行設置。設備內(nèi)發(fā)熱云圖如圖7所示,最高溫度為52 ℃。通過以上計算結(jié)果可知,在設備工作過程中,設備內(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 水下探測設備發(fā)熱云圖

3 防腐防污設計

3.1 保護涂層設計

保護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,且具有防護作用。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保護層,同時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備表面,降低探測性能。依據(jù)設備工作環(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[3]。在涂層涂裝作業(yè)前,構(gòu)件的表面處理均需達到相應的要求。

表1 涂料體系組成方案 /μm

3.2 陰極保護設計

目前市場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用于土壤和淡水環(huán)境,鋅合金陽極和鋁合金陽極應用于海水環(huán)境,鐵合金陽極主要是針對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,且兩者每公斤單價相當,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。但在海水鹽度降低到一定程度下,鋁陽極性能明顯降低,因此對于咸淡水環(huán)境(含鹽量遠低于正常海水),應經(jīng)過考證慎重使用[5]。此次工程海水鹽度可以選用經(jīng)濟的鋁合金陽極。

犧牲陽極設計計算如下[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,若長條型陽極滿足L≥4r(L為陽極等效長度;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)動電壓,V,對于鋅合金陽極,取0.2～0.25 V,對于鋁合金陽極,取0.25～0.3 V。

(3) 犧牲陽極數(shù)量計算

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

Ic=iSi

(3)

Ma=8 760Ict/(με)

(4)

Na=Ma/ma

(5)

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

基于總保護電流與單塊陽極輸出電流計算所需陽極塊數(shù)量為:

Ni=Ic/Im

(6)

式中:Ni為基于保護電流陰極保護所需陽極塊數(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)計算為:

N=Max(Na,Ni)

(7)

式中:N為實際所需陽極塊數(shù)。

4 工程應用

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

4.1 材料隔離

水下探測設備殼體材料為鈦合金,其電位較正。當其與其它金屬連接組成組合件時,在腐蝕環(huán)境中容易使電位較負的金屬產(chǎn)生電偶腐蝕,加速電位較負的金屬的腐蝕速度。當電位差較大時,會產(chǎn)生較嚴重的電偶腐蝕;兩者電位差越大,電偶電流越大,電偶腐蝕也越嚴重。一般認為,當電位差差值達到250 mV時,電偶腐蝕現(xiàn)象會比較明顯,此時陽極金屬腐蝕明顯加重,陰極金屬受到保護[9]。因此,在結(jié)構(gòu)設計和制造中應防止鈦合金與其它材料接觸而形成電偶腐蝕。水下設備殼體與安裝支架等金屬件固定連接時,中間均需加裝絕緣橡膠或非金屬材料進行隔離,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。陰極保護設計保護電流密度,保護面積如表3所列。分別計算初期輸出電流、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 涂層保護部位設計電流密度與保護面積

表4 陰極保護所需電流 /A

設計犧牲陽極更換周期5年,則根據(jù)陰極保護總電流計算所需陽極凈質(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,進行涂料涂裝,涂裝過程中應避免油污漆料污染陽極工作面。

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

5 結(jié) 論

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

(2) 為保證水下探測設備長期穩(wěn)定工作,對設備進行流體力計算及熱分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),該設備滿足長期工作條件。

(3) 海洋大氣環(huán)境下,當異種金屬電位差較大時,會產(chǎn)生較嚴重的電偶腐蝕。需對異種金屬進行適當?shù)母綦x。

(4) 犧牲陽極與涂料聯(lián)合保護防腐措施防腐周期長、造價相對較低,是防腐重要措施之一。高等級的表面處理,將會延長涂料的壽命,此外陽極的合理選型與計算,可保證結(jié)構(gòu)件安全并節(jié)省經(jīng)濟成本。