水下安保设备加装设计与应用*

2024-03-07杨小芳晏怀斌

机械研究与应用 2024年1期

姚赛,杨小芳,晏怀斌,杨龙,刘刚

(上海船舶电子设备研究所,上海 201108)

0 引言

我国港口码头、油储基库、造船基地等诸多战略或经济重要设施都建设在近海岛屿或近岸水域[1]。为保障作业水域的水下安全,防止不明物体或目标进入或存在,需在港口、码头等的岸基设施中布放水下探测设备,通过将其固定于水底,对关键出入口的水下目标进行探测,实现全天候安保功能。笔者重点介绍了某码头加装水下探测设备的安保设计过程,并对实际工程应用做了简要叙述。

1 总体设计

1.1 设备组成

加装的水下探测设备结构简图如图1所示,整体为圆柱形,下部为探测传感器,内部为控制电路,顶部有供电通讯接口,可实现与岸端的信息传输。

图1 水下探测设备结构示意图

水下设备加装主要从以下几个方面进行设计:①设备安装平台设计,依托码头环境条件,选择合适的布放位置,固定设备、安装平台,要保安装平台能够合理有效地固定水下设备;②要使安装平台及水下设备能够长期地保持结构稳定性,故应对设备所受外力(主要流体力)进行计算;③水下设备全天候工作时,电子元器件的工作温度应维持在合理范围内,故应对设备重要元器件进行热分析;④防止生物污损,尤其是对需要无遮挡的传感器部分进行防污设计;⑤金属防腐及金属间电化学腐蚀的防腐设计;⑥应考虑施工安装的便捷性与经济性。

1.2 工作布置设计

某码头结构型式为高桩码头,由基桩和承台组成。基桩为圆柱形水泥桩,下部打入土中,上部高出水面,码头结构图如图2所示。

水下设备具有一定的探测范围,因此需选取合适的布放位置以实现指定水域的水下安保。在不影响安保水域正常运转前提下,应考虑布放点的施工难度与成本。某码头的布放位置示意图如图3所示,该位置既能实现对码头关键出入口的全范围探测覆盖,又可以依托码头基础设施固定安装设备,减少电力供应成本,同时方便后期维护保障。

图3 水下探测设备布置示意图

1.3 总体结构设计

水下探测设备需安装于水中某一高度,并保持姿态固定。其安装结构如图4所示,主要包括抱箍、安装支架、安装平台、转接平台及水下设备。水下探测设备是系统的核心,设备壳体及端盖均采用钛合金材质,其余结构件均采用常见结构钢Q235。钛合金具有优异的耐腐蚀性能,即使在污染或高速流动的海水中,也几乎不受腐蚀。在满足强度的条件下控制成本,但因海水中的Cl-离子,需做好材料的防腐设计。安装支架采用模块化设计,安装现场可由不同数量的模块拼接组成,以适应不同位置水深的变化;其底部尽可能插入泥面以下,顶部紧贴码头承台侧壁,并用膨胀螺栓固定。布放过程中应保证安装支架的垂直度,不得出现超出误差的偏斜。

2 仿真与分析

2.1 设备流体受力分析

水下设备长期工作于水中,要考虑流体作用力对设备结构强度的影响。因该设备一侧背靠码头壁,故平行于码头侧壁的来流方向影响最大。假设该来流方向速度为4 kN(大于该区域水流流速最大值),利用流体软件进行仿真计算,其结果如图5所示。

图5 水下设备流场云图

水下设备流体受力结果如图6所示,其中X方向为流体流速方向,Y方向为水平面内垂直于X且指向码头外侧的方向,Z方向为竖直面内垂直于X且竖直向上的方向。X、Y、Z三方向受力分别约为210 N、-60 N、90 N。该流体力引起的结构应力远远小于结构件材料的屈服强度,故流体力不会影响水下结构的长期稳定性。

图6 水下设备受流体力仿真结果

2.2 设备元器件热分析

水下设备除维护保养时间外,全部处于开机运行状态,因此对内部电路器件散热性能提出较大考验。电子元件工作时,不断有热量产生,若热量没有及时传导出去,会导致局部温度升高,一旦超出元器件工作温度允许范围,会严重影响电子元件性能,从而导致设备探测性能下降。而舱体内部空间紧凑,因而需对设备内部电子元件进行热仿真校核。其具体仿真环境设置如下:水流速度0 m/s;水流初始温度36 ℃;固体结构件均按其材料属性设置热参数;热源设置按硬件电路提供参数进行设置。设备内发热云图如图7所示,最高温度为52 ℃。通过以上计算结果可知,在设备工作过程中,设备内部的电子元器件及电源均工作在40～52 ℃之间,满足电子元器件使用要求。

图7 水下探测设备发热云图

3 防腐防污设计

3.1 保护涂层设计

保护涂层其主要功能是把结构物的活性元素与环境腐蚀介质隔离,也可以用来防止生物污损[2]。保护涂料与涂层一般包含底漆、中间漆及面漆。底漆要求与基材附着力强,且具有防护作用。中间漆与底漆、面漆之间均有相容及配套性能。面漆为底漆和中间漆提供一个保护层,同时还需具有防止海生物附着功能,面漆可避免大量海生物附着于设备表面,降低探测性能。依据设备工作环境与使用要求,拟喷涂三道涂层材料,如表1所列。不同的涂料对表面除锈的质量要求不同,高性能涂料则要求被涂装表面有较高的除锈质量等级[3]。在涂层涂装作业前,构件的表面处理均需达到相应的要求。

表1 涂料体系组成方案 /μm

3.2 阴极保护设计

目前市场上常见的牺牲阳极材料主要有四大类,分别为镁合金、锌合金、铝合金及铁合金。其中镁合金阳极主要应用于土壤和淡水环境,锌合金阳极和铝合金阳极应用于海水环境,铁合金阳极主要是针对铜合金海水管路的防腐需求研发的[4]。

海洋工程中钢结构一般采用铝合金或锌合金牺牲阳极。而铝阳极相对于锌阳极理论电容量大,铝阳极理论电容量几乎为锌阳极的3倍,且两者每公斤单价相当,因此在确保施工质量的前提下选取铝合金阳极较为经济。但在海水盐度降低到一定程度下,铝阳极性能明显降低,因此对于咸淡水环境(含盐量远低于正常海水),应经过考证慎重使用[5]。此次工程海水盐度可以选用经济的铝合金阳极。

牺牲阳极设计计算如下[6-8]。

(1) 阳极选型

阳极的几何形状是影响阳极利用率的主要因素。一般阳极的利用率μ≈0.7～1。长条加芯型阳极利用率约0.9～0.95,镯型阳极的利用率在0.75～0.9之间。其中,若长条型阳极满足L≥4r(L为阳极等效长度;r为阳极初期等效半径),则利用率约为0.9。

(2) 阳极输出电流计算

初期阳极的接水电阻为:

R=ρ(ln4L/r-1)/2πL

(1)

式中:ρ为海水电阻率,Ω·cm;R为阳极初期接水电阻,Ω。

因此,单块阳极的初期输出电流为:

I=ΔU/R

(2)

式中:I为阳极初期输出电流,A;ΔU为阳极驱动电压,V,对于锌合金阳极,取0.2～0.25 V,对于铝合金阳极,取0.25～0.3 V。

(3) 牺牲阳极数量计算

基于阳极所需总质量与单块阳极质量计算所需阳极块数量为:

Ic=iSi

(3)

Ma=8 760Ict/(με)

(4)

Na=Ma/ma

(5)

式中:Ic为总保护电流,A;i为设计电流密度,A/m2;Si为保护分部分表面积,m2;Ma为阴极保护总电流所需阳极净质量,kg;ε为阳极电化学容量,Ah/kg;t为设计寿命,年;Na为阴极保护所需阳极块数;ma为单块阳极净质量,kg。

基于总保护电流与单块阳极输出电流计算所需阳极块数量为:

Ni=Ic/Im

(6)

式中:Ni为基于保护电流阴极保护所需阳极块数;Im为单阳极平均输出电流量(0.6～0.7倍I),A。

因此,所需阳极块数计算为:

N=Max(Na,Ni)

(7)

式中:N为实际所需阳极块数。

4 工程应用

水下探测设备已成功加装于某码头水下安保工程,具体设计过程如下:实地勘察码头结构形式、水域水深和水文情况并综合设备性能指标确定设备布放深度及布放位置;然后进行总体结构设计,设计安装支架、安装平台等;再通过流体与热仿真分析确定水下设备的稳定性。再后,经涂层防护与牺牲阳极选型计算确定其使用寿命。

4.1 材料隔离

水下探测设备壳体材料为钛合金,其电位较正。当其与其它金属连接组成组合件时,在腐蚀环境中容易使电位较负的金属产生电偶腐蚀,加速电位较负的金属的腐蚀速度。当电位差较大时,会产生较严重的电偶腐蚀;两者电位差越大,电偶电流越大,电偶腐蚀也越严重。一般认为,当电位差差值达到250 mV时,电偶腐蚀现象会比较明显,此时阳极金属腐蚀明显加重,阴极金属受到保护[9]。因此,在结构设计和制造中应防止钛合金与其它材料接触而形成电偶腐蚀。水下设备壳体与安装支架等金属件固定连接时,中间均需加装绝缘橡胶或非金属材料进行隔离,钛合金与碳钢连接示意图如图8所示。