[发明专利]钢混结构强制电流阴极腐蚀控制系统优化设计方法

权利要求书

1.一种钢混结构强制电流阴极腐蚀控制系统优化设计方法，其特征在于所述方法具体步骤如下：

一、基于满足一定边界条件的Laplace数学控制方程，建立用于揭示钢混结构强制电流阴极腐蚀控制系统的有限元模型，所述边界条件为：

采用阴极保护系统进行腐蚀控制时，将有四个边界条件，分别为：

1)电位边界Γ₁，即ICCP系统外加电位的大小φ₀；

2)电流边界Γ₂，即ICCP系统外加电流的大小I₀；

3)阳极极化边界Γ₃，即辅助阳极材料的极化曲线I_a＝f(φ_a)；

4)阴极极化边界Γ₄，即钢筋混凝土中钢混界面的极化曲线I_c＝f(φ_c)；

当电极区无介质扩散作用时，阴阳极边界条件满足Butler-Volmer方程，即：

$I=f\left(\mathrm{\φ}\right)=i_{corr}\[\exp \left(\frac{E-E_{corr}}{{\mathrm{\β}}_a}\right)-\exp (-\frac{E-E_{corr}}{{\mathrm{\β}}_c})\];$

其中，i_corr，E，E_corr，β_a，β_c分别为阴阳极边界处的腐蚀电流密度、极化电位、腐蚀电位、阳极Tafel系数、阴极Tafel系数；

当电极区存在介质扩散作用时，阴阳极的电流密度I_a、I_c满足下式：

$I=f\left(\mathrm{\φ}\right)=i_{corr}\[\exp \left(\frac{E-E_{corr}}{{\mathrm{\β}}_a}\right)-\frac{\exp (-\frac{E-E_{corr}}{{\mathrm{\β}}_c})}{1-\frac{i_{corr}}{i_l}\[1-\exp \left(\frac{E-E_{corr}}{{\mathrm{\β}}_c}\right)\]}\];$

其中，i_l为ICCP系统的阴阳极区由O₂扩散控制的电流密度，比值反应了扩散在电极极化过程中控制作用的强度；

二、基于钢混结构中钢筋的布设状况和腐蚀状态，初步确定所铺设阳极材料的类型、阳极材料的几何位置和形状尺寸以及外加电压或者电流的大小；

三、以阳极材料的几何位置和形状尺寸以及外加电压或者电流的大小为变量，对钢筋表面电位和阳极材料服役年限进行约束，以整个系统耗损成本最低为目标，采用BOBYQA算法对整个系统进行优化设计，优化目标为耗能成本与阳极材料耗损之和最低，即：

$\begin{array}{c}minf(x_1,y_1,z_1,x_2,y_2,z_2,...x_n,y_n,z_n,S_1,S_2,...,S_n,u)\\ =T_1\·/\frac{Q}{ave\left(i_a\right)}\·u\·\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{s_k}{\∫}{i}_{a}ds+T_2\·\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}S\left(k\right)\end{array};$

其中，n表示阳极材料铺设的数量，x_n、y_n、z_n、S_n表示第n个阳极材料的铺设位置和面积，u为腐蚀控制系统所用整流器输出的电压，为腐蚀控制系统所铺设总的阳极材料面积，T₁为电能耗损成本，T₂为单位面积上阳极材料的成本，Q为阳极材料所能承受的电荷量，ave(i_a)为流经阳极材料的平均电流密度，Q/ave(i_a)为阳极材料的服役寿命，u为腐蚀控制系统整流器输出的电压，为流经阳极材料的电流密度，为腐蚀控制系统的能耗。