بهینه سازی سیستم حفاظت کاتدی در سازه های دریایی با به کار گیری الگوریتم ژنتیک
صنایع دریایی به دلیل ارتباطی که با صنایع نفتی دارند یکی از مهمترین وشاید حساس ترین صنایع در کشور ما به شمار می روند، یکی از خطرناک ترین آفات این صنایع خوردگی است . در این بخش از مجله دانش یکی از الگوریتم های به کاربرده شده برای حفاظت از سازه های دریایی از خوردگی را مورد بررسی قرار می دهیم .
روشی که به منظور حفاظت از خوردگی در این صنایع به کار گرفته می شود روش حفاظت کاتدی است که به دو روش، یعنی روش حفاظت کاتدی از طریق آند های فداشونده و روش جریان مستقیم انجام می شود. در گذشته تخمین نرخ خوردگی و حفاظت کاتدی به صورت سنتی براساس قواعد تجربی که از سعی و خطاهای مکرر و مطالعات تیپ و نمونه های آزمایشی در معرض خوردگی حاصل شده بود ، انجام می شد. کاربرد این قواعد معمولا تعمییم های خیلی کلی قواعد و اعمال ضرایب اطمینان بزرگ را ایجاب می کرد. به علاوه ضرورت داشت که دائما سیستم های تحت حفاظت تحت نظر بوده و قواعد حفاظت کاتدی اصلاح شوند. از این رو طراحی سیستم حفاظت کاتدی برای سازه های دریایی به روش های معمول به تجربیات متعددی نیازمند است.
با توجه به هزینه گزافی که برای حفاظت از خوردگی در این سازه ها مصرف می شود ، ارائه یک طرح کم هزینه در سیستم حفاظت کاتدی این سازه ها امری بسیار ارزشمند خواهد بود. به منظور دستیابی به چنین هدفی ، داشتن روش مناسب مدل سازی برای مجموعه ای متشکل از آند ها ی فدا شونده ، سازه (کاتد) و الکترولیت پیرامون آن به علاوه شناخت مناسب از پدیده خوردگی و مفاهیم ریاضی درگیر با آن به عنوان اصول اولیه کار ضروری است. اولین فعالیت ها در زمینه مدلسازی حفاظت کاتدی را شاید بتوان به کار محقق فلک (ّFleck) مربوط دانست. او روش تفاضلات محدود را برای حل معادله لاپلاس به کاربرد. اگرچه کار او مورد توجه و قابل ارجاع محققان مختلف بوده است ، لیکن به دلیل آن که کار او محدود به مدل های دو بعدی بود تلاش های زیادی برای تعمیم کار او برای وضعیت سه بعدی و کاربرد رایانه انجام شد که از آن جمله به کار های دویگ وفلویت (Doig And Flewitt ) می توان اشاره کرد .
با تکامل روش های عددی وظهور روش های المان های محدود این مدل سازی ها کامل تر و نتایج بسیار بهتری از چنین مدل سازی ها بدست آمد. از جمله اولین تحقیقات در در این مورد به فعالیت های هیل و همکارانش می توان اشاره کرد. در اواخر دهه 70 روش جدیدی برای تحلیل محیط های پیوسته به نام روش اجزای مرزی پیشنهاد شد و محققان زیادی در این زمینه فعال شدند . از جمله اولین کاربرد های این روش می توان به کار هایدانسون و وارن اشاره کرد که حفاظت کاتدی یک سکوی پایه کششی را مورد توجه قرار دادند. از جمله دیگر تحقیقاتی که در این زمینه به منظور دستیابی بر توانایی های بیشتر روش های عددی و رایانه ای دنبال شد . می توان از مطالعات فو و چاو در کاربرد روش های عددی در معادلات انتگرال نیزنام برد. پس از تایید توانایی ها و قابلیت های مدلسازی عددی مسائل حفاظت کاتدی ، تحقیقات متمرکزی پیرامون میزان حفاظت ناشی از به کارگیری انواع سیستم های حفاظت کاتدی انجام پذیرفت. در این راستا تاثیر مقدار (وزن) آند های به کار رفته در یک سیستم حفاظت کاتدی در مقابل میزان حفاظت حاصل از چنین مجموعه ای مورد تحقیق قرار گرفت . از جمله این تحقیقات می توان به تحقیقات ادی و بینهام اشاره کرد. در این میان جایگاه روشی سیستماتیک که بتواند چیدمان آند ها در یک سازه دریایی را یه صورت خودکار تعینین و هزینه مربوطه را بهینه سازی کند ، خالی است. در این بخش از مجله دانش با علم به این که سیستم حفاظت کاتدی باید برقرار شود ، نحوه به کار گیری روش الگوریتم ژنتیک که برای تعیین خودکار چیدمان آند های فداشونده و بهینه سازی هزینه آن ها در چنین مجموعه ای به کار رفته است ، ارائه می شود .
((تئوری ریاضی حاکم بر مسئله خوردگی و حفاظت کاتدی ))
مجموعه لوله های تحت حفاظت و آند های حفاظتی آنها به همراه محیط الکترولیت اطراف آن را می توان به عنوان یک حجم کنترلی فرض کرد . در چنین حجم کنترلی می توان قانون پیوستگی را برای جریان الکتریکی در نظر گرفت . از طرفی بر اساس قوانین ساده الکتریکی می دانیم که جریان الکتریکی با مشتق اول پتانسیل الکتریکی رابطه مستقیم دارد ، با توجه به این پارامتر ها معادله لاپلاس را به طور ساده می توانیم بدست آوریم . از نظر فیزیکی برای حل معادله لاپلاس سه نوع شرایط مرزی وجود دارد.
شرایط مرزی نوع اول : شرایط مرزی نوع اول ، شرایط مرزی منبع الکتریسیته است ، که فرض می شود مقدار پتانسیل آن ، مقداری معلوم و ثابت است. در شرایط مرزی نوع اول مرز یعنی نوع آندها . آند ها از نقطه نظر مواد ، براساس جدول سری های گالوانیک مقدار پتانسیل الکتریکی مربوط به خود را دارند. ( پتانسیل آند نسبت به یک الکترود مرجع مثلا نقره یا نقره کلرید ارزیابی می شود .) مرزهایی از این نوع به نام مرز اولیه معروف اند.
شرایط مرزی نوع دوم : شرایط مرزی نوع دوم ، شرایط مرزی مصرف کننده الکتریسیته است . در این شرایط مرزی ، سطح کاتد که نواحی مرزی را تشکیل می دهد تحت تاثیر شار میدان الکتریکی از طریق الکترولیت است. در این نوع مرز فرض می شود میزان جریان الکتاریکیبرابر است با جریان حفاظتی که از منحنی پلاریزاسیون بدست می آید. در حقیقت منحنی پلاریزاسیون در هر مکنطقه دریایی ، تغییرات پتانسیل نسبت به شدت جریان را نشان می دهد. به منظور حفاظت یک فلز درمقابل خوردگی وجود یک مقدار پتانسیل حداقل با نام پتانسیل حفاظتی در سطح آن لازم است. به عنوان مثال پتانسیل حفاظتی فولاد دریایی ( به کار رفته در سازه های قلیایی ) در محیط خورنده دریا 850- میلی ولت است. به منظور یافتن جریان در معادله لاپلاس در هر محیط دریایی کافی است مقدار شدت جریان را معادل 850- میلی ولت از روی منحنی پلاریزاسیون این فلز در محیط مزبور به دست آید . طبیعی است که در سطوح پوشیده از رنگ جریان الکتریکی بوجود نمی آید و مقدار مزبور برابر صفر است. ( شرایط مرزی نوع دوم درشکل بالا با T2 نشان داده شده است.)
شرایط مرزی نوع سوم : شرایط مرزی نوع سوم به نواحی مرزی حجم کنترلی است که در شکل با T3 نشان داده شده است .
