船體防蝕及陰極保護系統在船舶上的應用

闡明了金屬腐蝕的成因及基本概念，對陰極保護系統的分類和工作機理進行了細致的分析，最后結合外加電流陰極保護系統在遠洋船舶上的廣泛使用，指出該系統在船舶安裝和使用中容易出現和忽視的問題及解決辦法。

金屬腐蝕的成因與基本概念

金屬與非金屬(如氧)進行接觸將形成電化學反應而產生金屬氧化物，或在某些自然環境下（如潮濕雨天或海淡水中）也將發生電化學反應而產生其它化合物，其結果均是金屬受到電化腐蝕。不同的金屬材料處在相同的環境下時其分別受到的腐蝕程度各不相同，通?？梢杂谩半娢弧眮肀硎窘饘偈艿诫娀g的程度。如果將兩種活性不同的金屬放置在相同的特定環境下，則會形成所謂的原電池，如圖1所示。

在圖中活性較大的金屬如鋅和活性較低的金屬如鐵一起放置在電解液中（如海水），并將他們直接進行電氣連接（具體反映在船上則多表現為鋼板上安裝鋅塊或管路鍍鋅），這樣，浸沒在溶液中的較活潑金屬產生的離子流將通過電解液從較活潑的金屬流入欠活潑金屬，金屬離子和電子的轉移過程持續發生，活潑金屬上的電流不斷增加，其結果導致活潑金屬被腐蝕了，欠活潑金屬將不會被腐蝕，在這里，活潑金屬即稱為陽極，欠活潑金屬則稱為陰極。也就是說，兩種不同金屬在電解液中相互聯系起來會分別形成陽極區域和陰極區域而建立起腐蝕電池，使活潑金屬（陽極）表面區域發生電化腐蝕。而對于暴露在潮濕環境的單一金屬（如雨水落在無涂料保護的鋼板上），在其表面則是以微電池形式構成陽極和陰極區域，從而發生電化腐蝕現象。

根據以上腐蝕原電池形成機制可以得出如下結論：當某種金屬相對于電解液的“電位”處在某一范圍內時我們可以認為該金屬處于電化腐蝕狀態，或“電位”處在另一范圍時則表明未受到腐蝕。即金屬處于“陽極”狀態即是受腐蝕狀態，金屬處于“陰極”狀態即是被保護狀態。

防止金屬腐蝕－陰極保護的作用機理

根據金屬腐蝕的基本成因，為了防止船舶結構和系統出現腐蝕現象，基本的原則就是確保腐蝕原電池不被建立，其重要的手段就是防蝕涂料。防蝕涂料將船體結構和系統與自然環境完全隔離，但是其保護效果取決于涂料質量、表面膜厚、施工工藝以及后續保養，實際上，完全依靠防蝕涂料進行結構的防蝕是不充分的，必需采取可靠的補充措施予以完善，即陰極保護，其分為犧牲陽極的陰極保護和外加電流的陰極保護。

犧牲陽極的陰極保護即是通過圖1所示的腐蝕電池來完成的。如前所述，在電解液中將一種金屬與另一種更具活性的陽極金屬進行電氣連接可以使其成為陰極，從而得到保護。目前普遍使用的陽極材料為鋁合金、鋅和鎂，這些陽極金屬將優先腐蝕，產生的腐蝕電流完成對與其相連金屬的陰極保護，在保護過程中陽極會消耗，因此稱為犧牲陽極的陰極保護。在船舶上，犧牲陽極的陰極保護系統通過在特定的結構（如壓載艙）或部件上（如舵葉）安裝鋅塊、鎂或鋁塊使其先于結構腐蝕達到防止結構腐蝕的目的。

如果在圖一的電解液內再增加一外部陽極，并外加一定大小和確定方向的電流，這將使圖1中原始陽極和陰極均強制成為陰極，即外加電流陰極保護，如圖2所示。

圖2中，在外加直流電源的作用下，原始陰極（如被保護的船體）被強制為陰極繼續得到保護，而原來的陽極（如鋅塊）與外加陽極金屬通過直流電源和電解液（如海水）建立起電氣連接，使電流離開外加陽極金屬元件的表面進入電解液然后流入被保護金屬（原來的陽極），最終使得原來的陽極（如鋅塊）轉化為新陰極，以實現陰極保護。

總而言之，被保護區域相對于電解液（海水）的電位可以指示該區域是處于陰極還是陽極狀態，處于陰極狀態即是被保護狀態，可以通過對陰極/電解液電位進行測量，進而控制陽極輸出電流的大小來強制被保護區域成為陰極。

外加電流陰極保護系統在船舶上的應用

隨著船東對船體結構保護越來越重視，以前僅在集裝箱船舶中少量應用的外加電流陰極保護系統現在越來越多地被采用，甚至很多散貨船也開始大量使用。提供外加電流陰極保護系統的廠家也較多，但各廠家陰極保護系統的基本原理均基于以上機理，實現手段也大同小異，僅在陽極材料的選用和型式上有所差別。

外加電流陰極保護系統應用在確定的船舶上，系統容量的正確選擇是保證系統有效性的關鍵。結合圖1和圖2可以清晰地知道，實現外加電流陰極保護的前提條件是從外加陽極電極產生的電流需要足以克服被保護電極表面區域的自然腐蝕電流。因此，需要根據被保護區域面積的大小進行詳細計算以確定船舶所選用系統的容量。

船上使用的陰極保護系統主要由電控箱、陽極及參比電極組成。圖2中所需要的直流電源通常是將船電經變壓器降壓，然后通過可控硅整流器整流后輸出，控制單元則對陰極（即船體）與電解液（即海水）間電位差進行連續監視，并以此來自動調節外加陽極輸出電流的大小，在需要時也可以手動測量并根據測量結果進行手動調節。

系統中陽極的功能是將直流保護電流導入海水，最理想的陽極應是電流通過它流入海水中時不產生陽極材料的消耗，陽極材料的選擇對于陰極保護系統的有效性和經濟性非常關鍵，在選用陽極材料時需要綜合考慮材料的消耗、成本和物理特性，根據廠家的不同，外加電流的陽極通常采用鉑電極、鈦電極，也有使用石墨、硅鋼、鉛合金的。陽極安裝在船體外板上合適的位置，在船體穿透部位采用了非常嚴格的水密，在背面接線處還配有防水箱，電纜通過電纜密封管從水密防水箱引出。

系統參比電極一般采用高純度高穩定性的鋅參比電極，其作用是測量船體相對于海水的電位，作為控制單元閉環控制的參考點，也可對陽極附近船體電位進行監視，防止由于誤操作、系統失常等導致過保護發生而損壞船體油漆。

陰極保護系統通常還包括一套舵柱接地系統和一套艉軸接地和測量系統。舵柱接地使用電纜將舵桿與船體結構進行連接，從而使舵葉與船體在電氣上成為一體，這樣可以使舵葉也受到保護。艉軸接地系統在螺旋槳軸上安裝有滑環及碳刷，通過碳刷及滑環的低電阻，使流向螺旋槳槳葉的電流經軸系返回到船體，這樣不僅可以保護裸露的螺旋槳和軸系，還可以防止軸系和軸承間產生電弧而損壞油膜。

最后需要指出的是，在大型船舶上僅采用外加電流陰極保護系統來對船體外板、槳葉、舵葉及壓載艙進行保護是不夠的，由于壓載艙、槳葉及舵葉區域所處的特殊位置，外加電流往往無法到達或不夠，這時往往需要在上述部位采取犧牲陽極的辦法來予以補充，從而達到對全船結構予以保護的目的。

外加電流陰極保護系統的管理與維護

對于外加電流陰極保護系統而言，設備安裝是極其重要的，根據經驗，系統運行發生的問題極大程度上是因為不正確的安裝導致的。在系統安裝時需要注意如下事項：

由于陽極上較高的電壓，通過海水，會造成陽極附近船體油漆的破壞，因此在陽極附近船體區域不涂油漆而采用特殊的介電屏蔽層，以確保陽極與船體高度絕緣。該區域大小設備廠會給出推薦值，一般區域直徑在5米，層厚在70微米左右。介電屏蔽層的施工非常重要，在進行介電屏蔽層施工之前，應確保該區域里外所有電焊及打磨工作全部完成，而施工完成之后不應再進行任何電焊工作，最后，介電屏蔽層施工完畢需完全硬化后才可以通電調試。特別需要注意的是介電屏蔽層一定要將除陽極表面以外的所有部件完全覆蓋，例如緊固螺絲，否則不僅造成系統無法正常工作，而且大電流還會損壞介電屏蔽層和船體油漆。

影響陽極功能的因素有陽極尺寸（與海水的接觸電阻）、電纜尺寸等。因此，陽極表面進水前應確保干凈，表面保護層不被損壞，陽極電纜和系統工作接地電纜均應采用單芯電纜，并有足夠大小，以免電纜上產生較大電壓降。電纜安裝時也應注意電纜絕緣絕對不能破壞。

對于舵接地系統沒有特別之處，但軸系接地的毫伏表電位應控制在50毫伏以下，否則需要進行以下檢查：滑環與軸間的電阻應平滑；碳刷應垂直于軸系安裝，避免不平滑的磨損；軸與碳刷接觸良好；連接碳刷與船體的電纜也需足夠尺寸；系統從軸系到船體的總電阻不能超出設備廠規定范圍，根據經驗一般不應超過1歐姆；滑環是否太臟需要清潔；滑環是否松動；碳刷是否過度磨損或卡死。

陽極和參比電極安裝在船體上，需要確保嚴格的水密，因此密性安裝及密性試驗應特別仔細地檢查。

外加電流陰極保護系統安裝到船，經調試可以正常工作之后通常無需過多的保養工作，船上使用中需要注意的主要是對系統工況進行定期地檢查和記錄。在船舶表面涂料工況較好的前提下，系統工作電流通常是較小的，隨著時間的推移，船體外板油漆的性能逐漸下降，油漆狀態變差，系統工作電流就會逐漸上升，所以通過檢查陽極電流的變化也可作為判斷油漆狀況的依據之一。日常使用中應注意系統的測量和控制是否失常，否則應進行人工測量和調節，因此，船上最好是能配備便攜式參比電極和毫伏儀以供人工測量使用。便攜式參比電極的種類有很多，采用不同類型的參比電極測量出來的船體電位各不相同，大多數廠家認為：船體在海水中使用標準銅/硫酸銅電極測量出的電位如低于－0.85V可以表明其獲得了陰極保護，而以銀/氯化銀電極為參比電極進行測量的話則應低于－0.8V，以鋅電極為參比電極則應低于0.24V，船員在人工測量和調節時需要以此為依據進行，但船體電位也不能過低，否則可能意味著船體遭受過度保護，這樣反而會損壞油漆。

（作者單位：上海遠洋運輸有限公司）