船舶電化學腐蝕的分析與控制

中國艦船研究設計中心 武漢 430064

船舶在海洋環境中由于海水的長期直接作用，水下部位(包括船體、螺旋槳、舵等)、壓載水艙、設備管系的腐蝕最為嚴重,使得船舶構件銹蝕、穿孔，強度降低，增加了維修和維護費用，影響到船舶的安全性。我國船體材料通常采用低合金鋼，其在海水中的平均腐蝕速率為0.14 mm/年(921鋼青島實海掛片數據)，局部腐蝕速率為0.44 mm/年(921鋼青島實海掛片數據)。實船由于受螺旋槳等不同材質結構的影響，實際腐蝕速率會更大。這就意味著，船體鋼板在無任何保護或只有涂層保護的情況下，局部在3～5年內將腐蝕穿孔。

1 船舶腐蝕特點

金屬腐蝕按其機理不同可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。

船舶受腐蝕速度與海水的流動速度、氣泡、溫度、沖擊性以及海水所含微生物等因素都有有極為密切的關系。船體在海水中的腐蝕最主要的是電化學腐蝕，即在腐蝕過程中有微電流產生。

1.1 氧的濃差電池作用

由于氧有奪取電子的能力，且水面的氧較水下的氧多，故近水面部分的金屬得到電子成為陰極，而水中部分的金屬失去電子成為陽極而發生腐蝕。腐蝕發生后，縫隙或缺口處的氧多，而底部氧少，從而底部繼續腐蝕，最后成為銹坑或銹穿[1]。

1.2 兩種不同金屬或鋼種的腐蝕

在海水中，兩種不同成分的金屬接觸時，電勢較低的金屬成為陽極發生腐蝕。船舶水下附體包含大量與船體不同金屬或鋼種的設備，例如測深儀、聲納等，因此船舶發生此類腐蝕較為嚴重。

1.3 氧化皮引起的腐蝕

由于氧化皮的電極電位比鋼鐵的高0.26 V，所以成為陰極，而鋼鐵本身成為陽極發生腐蝕。

1.4 涂膜下的腐蝕

由于實際上涂膜表央有微孔存在，所以海水仍可緩慢穿過涂膜產生電化學腐蝕。此時，含涂膜的部分成為陰極，不含涂膜的部分成為陽極而發生腐蝕，生成FeO和H2氣體，進一步變成Fe3O4和Fe2O3，由于Fe3O4和Fe2O3的體積比Fe大得多，所以使涂膜鼓起破壞。在涂膜未損壞或失效時，這一過程是緩慢的。涂漆前未除盡的氧化皮、銹蝕物、污物、水分、鹽類等，在涂膜下加速進程，破壞涂膜。涂裝時漏涂等施工缺陷也會加速腐蝕進程，從而過早破壞涂膜。涂膜損壞后，將產生前述各種腐蝕，這種腐蝕速度比未涂漆時更快[2]。

1.5 雜散電流引起的腐蝕

由于供電或電焊時，違反操作規程，產生漏電，從而使船體變成一個巨大的陽極，產生大規模的腐蝕。這種腐蝕后果非常嚴重，某廠建造的4艘登陸艇，出廠1年后，6 mm的鋼板局部幾乎爛穿。

由上述分析可知，海洋環境中的電化學腐蝕是困擾船舶的嚴重問題。因此，船舶防腐效果的好壞直接影響到該船的有效使用。

2 船舶電化學腐蝕的控制

電化學腐蝕防護是船舶總體設計的重點之一，須綜合考慮多種因素，包括船體材料、任務、航區等，以較少的投入保證電化學防腐的效果。控制船舶電化學腐蝕的的方式包括陰極保護和結構工藝措施。

2.1 陰極保護措施

陰極保護措施指在現有的船舶結構工藝措施基礎上，向被保護的金屬通以直流電流，使被保護的金屬變成陰極從而得到保護。根據提供電流方式的不同，可分為外加電流法和犧牲陽極法。

外加電流法的特點：電壓、電流可調性好,可隨外界條件變化實現自動控制。使用周期長，可用于不同介質之中。一般安裝于中、大型船艇,但需一套控制設備，并須經常檢查管理。

犧牲陽極法的特點：不需要外加電源，方便、安全可靠，平時無須管理。適用于中、小型船艇和沒法提供可調電源的地方。為了保證防腐效果，其陽極塊數要足夠多，且不能實現隨外界條件變化而自動控制。

2.2 陰極保護要點

2.2.1 保護電位和最佳保護效果

工程上規定的陰極保護設計電位一般按某一種準則，如被保護鋼構件與相鄰環境介質間電位差負于C850 mV(對硫酸銅電極CSE)等，實際上,這些準則規定的值受保護構件及環境特性的影響。

陰極保護電位和保護度與外加能量(電壓與保護電流乘積)關系中，供陰極保護的外加能量對保護電位的曲線存在一個拐點(二階導數為零)，該點位于最大保護度電位附近，該點附近保護電位的變化引起的能量變化最小，當實際電位負于此電位時，外加能量中消耗在析氫等過程的比率明顯增加，可從實驗曲線或擬合方程來計算這個保護電位[3]。

2.2.2 陽極形狀

傳統觀點認為，陽極棒的端頭應加工成半球形，以避免棱角處電流密度集中。采用物理模型計算后表明，陽極端部的確存在電流密度集中的問題，但單靠改變端頭形狀,改進效果不大。有研究表明,在陽極根部采用合適的塑料絕緣套(陽極屏蔽層),可得到比較均勻的陽極電流密度分布。

2.2.3 保護電位和電流密度的分布

陰極保護體系中金屬表面各處保護電位不同，目前評價陰極保護效果主要用電位準則，確定體系保護電位分布是陰極保護數學模型的主要研究內容之一。達穩定狀態的陰極保護體系電位分布滿足靜電場電位方程(泊松或拉普拉斯方程)，為求得唯一解，必須同時規定某些邊界條件，如：在構件與介質的所有界面給出其電位V與電流密度J或與電位梯度之間的關系式：

一般情況下，從這些方程只能求得電位分布的數值解，得不到解析解。對形狀較簡單的保護構件，也可用其他方法來推導電位分布的近似數學表達公式。根據電位分布還可進一步推算出電流密度分布，計算出更接近實際的總保護電流值。

2.3 結構工藝措施

結構工藝方法包括結構措施和隔離措施。結構措施包含降低船舶腐蝕電位的結構、工藝設計；隔離措施為船舶主要電氣設備的絕緣及船體水下附體的涂層設計。這種技術措施立足從源頭削弱船舶電化學腐蝕, 在建造中采用優化方案，屏蔽電化學腐蝕源，隔離異種金屬。具體措施包括：

1) 采用非金屬材料或選擇相近似電勢的金屬制造海水環境中的船體及附件；

2) 屏蔽船舶電場源；

3) 分離船舶電場源的內部電路；

4) 利用電絕緣材料作為船舶電場源的涂層；

5) 不同種類金屬結構的電絕緣。

其中關鍵在于不同種類金屬結構的電絕緣，具體的需進行電絕緣的金屬結構有船體表面受海水作用的結構以及不同種類金屬組成的結構連接，包括：

(1) 船體水下部分與所有附體和交變水線區；

(2) 螺旋槳、回聲測深儀、計程儀、減搖鰭；

(3) 循環泵和主冷凝器的進水和排水接管；

(4) 通海閥箱；

(5) 有通往舷外口的船上各系統的底部——舷部附件和管路，以及由不同于船體外板的金屬材料制成的管路某些元件。

(6) 船體和由不同于船體材料的金屬制造，又與海水相通的系統及裝置零件，其中有底部、舷部附件，有通往舷外口的船舶系統管路，由不同于船體外板的金屬材料制成管路的某些元件等均與船體隔離和彼此相絕緣；船底——舷側附件和海水系統管路的法蘭接頭同船殼板；計程儀吸入管和楔形閥同船體；測深儀振子同船體；船體水下部分及全部凸出結構。

綜上所述，需采用陰極保護及結構工藝綜合措施，以結構工藝措施為基礎，在將船舶電化學腐蝕降到一定程度后，配合以陰極保護措施解決結構工藝措施出現缺陷后的腐蝕。

3 設計實例

20世紀90年代中期所設計的某型船舶為控制其電化學腐蝕采用了陰極保護和結構工藝綜合措施，配置了外加陰極電流保護裝置，主要技術要求為：

1) 正常狀態下，船體各測點電位應在-0.80～-0.95 V(相對于銀/鹵化銀電極)和(相對于銅/硫酸銅參比電極)范圍內；

2) 使船體達到最佳保護電位，在10年保護期間內，船體腐蝕深度不大于1 mm。

其中，恒電位儀：額定輸出電流150 A，15～150 A連續可調；額定輸出電壓20 V，2.5～20 V連續可調；

輔助陽極：8只鉑鈦陽極，每只陽極最大輸出電流為30 A，尺寸為900×180×40 mm，重量為35 kg，使用壽命20年以上。

參比電極：4只銀/鹵化銀雙參比電極，穩定性為±5m V，使用壽命大于10年，尺寸為φ100×50 mm，重量為15 kg。

輔助陽極和參比電極從船體中部開始均勻，左右對稱布置。

同時該船采取了電隔離措施，對船體及附體的不同種類金屬結構進行了電絕緣處理，重點對螺旋槳、回聲測深儀、計程儀、減搖鰭、通海閥箱等處與船體連接處進行了電隔離措施。為保證電隔離措施的效果，在艦上設置了自動連續監測船體主要結構工藝電絕緣狀況的設備，用于：

1) 保證連續自動監測艦艇電保護和電磁保護主要結構工藝電絕緣的狀況；

2) 測量被測電解偶的電壓降和該電解偶結構工藝的絕緣電阻；

3) 測量艦艇電保護和電磁保護結構工藝絕緣電阻較低的具體元件，其損傷是在自動監測中發現出來的。

該型船至今已建造10余條，歷次進塢均未發現嚴重腐蝕，證明其電化學腐蝕防護設計是成功的。

4 結束語

由于船舶電化學腐蝕發生因素的復雜性和一定的不可預測性，電化學腐蝕設計一直是設計難點。在近幾年的船舶設計，大多采用結構工藝綜合措施結合陰極保護，陰極保護又往往同時使用外加電流和犧牲陽極。這樣投入大，但保證了相當的設計裕度，近年設計的船舶較少發生重大電化學腐蝕事件。

[1] [美]A.W皮博迪.管線腐蝕控制[M]. 北京：化學工業出版社，2004：48.

[2] 張志宇.化工腐蝕與防護[M]. 北京：化學工業出版社，2005：21-26.

[3] 周偉舫.電化學測量[M]. 上海：上海科學技術出版社，1985：290.