船舶防腐蝕陰極保護(hù)法系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 菅恒康 趙 俊 張文喆 鄭衛(wèi)剛

1.前言

在海洋環(huán)境中使用的船舶，腐蝕非常嚴(yán)重，直接影響安全和營運(yùn)，甚至縮短船舶壽命，因而受到造船和腐蝕界的高度重視。自1824年英國化學(xué)家Davy首次應(yīng)用陰極保護(hù)技術(shù)以來，經(jīng)過170多年的發(fā)展，陰極保護(hù)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)60年代開始，陰極保護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為世界各國艦船必不可少的防腐技術(shù)，其明顯的保護(hù)效果和先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能得到了世界腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域的普遍認(rèn)可。但船舶陰極保護(hù)技術(shù)并不是十分完善，其應(yīng)用與發(fā)展仍受到各國海軍研究部門和腐蝕與防護(hù)研究人員的關(guān)注，提高外加電流系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化程度更是研究的熱點(diǎn)。

2.腐蝕的基本原理

腐蝕的基本原理是腐蝕原電池理論(如圖1所示)。由于不同金屬本身的電偶序(即電位)存在著差別，當(dāng)兩種金屬處于同一電解質(zhì)中，并由導(dǎo)體連接這兩種金屬時(shí)，腐蝕電池就形成了。電流通過導(dǎo)體和電解質(zhì)形成電流回路，此時(shí)兩種金屬之間的電位差越大，則電路產(chǎn)生的電壓越大。腐蝕電池一旦形成，陽極金屬表面因不斷地失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，使金屬原子轉(zhuǎn)化為正離子，形成以氫氧化物為主的化合物，也就是說陽極遭到了腐蝕；而陰極金屬則相反，它不斷地從陽極處得到電子，其表面因富集了電子，金屬表面發(fā)生還原反應(yīng)，沒有腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

腐蝕過程可表示如下：

3.船舶腐蝕防護(hù)措施

船舶的防護(hù)直接關(guān)系到船舶的使用壽命和航行安全。船舶的防護(hù)包括合理選材、合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、表面保護(hù)（涂層保護(hù)、金屬噴涂層、金屬包覆層、襯里）、陰極保護(hù)等。船體防護(hù)系統(tǒng)是保護(hù)船體免受腐蝕侵害的系統(tǒng)，主要有兩大系統(tǒng)組成：防腐蝕涂漆系統(tǒng)和外加電流或犧牲陽極的陰極保護(hù)系統(tǒng)。

3.1 防腐蝕涂料技術(shù)

采用合適的船舶涂料，以正確的工藝技術(shù)，使其覆蓋在船舶的各個(gè)部位，形成一層完整、致密的涂層，使船舶各部位的鋼鐵表面與外界腐蝕環(huán)境相隔離，以防止船舶腐蝕的措施，稱之為船舶的涂層保護(hù)。

3.2 陰極保護(hù)技術(shù)

對(duì)于船舶中與海水直接接觸的部位，采用比鋼鐵的電極電位更負(fù)的金屬或合金與鋼鐵船體電性連接，使其在整體上成為陰極；或給鋼鐵船體不斷地加上一個(gè)與鋼鐵腐蝕時(shí)產(chǎn)生的腐蝕電流方向相反的直流電，同樣可使其在整體上成為陰極，并且得到極化，便可使鋼鐵船體免受腐蝕，即得到保護(hù)，對(duì)于這樣的保護(hù)措施，稱之為船舶的陰極保護(hù)。對(duì)于船舶的陰極保護(hù)來說，主要有犧牲陽極保護(hù)和外加電流保護(hù)兩種。

3.2.1 犧牲陽極保護(hù)技術(shù)

犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)是通過在船體外表面安裝充當(dāng)陽極的被犧牲掉的金屬塊，以保護(hù)作為陰極的船體鋼板不被腐蝕。通常提到的陰極保護(hù)，是通過外加陰極電流極化，將處于腐蝕狀態(tài)的金屬的電位降低至其免蝕區(qū)，達(dá)到該金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，從而使金屬的腐蝕速率大大降低甚至停止。犧牲陽極陰極保護(hù)是船舶浸水部分最有效的、應(yīng)用廣泛的方法之一，所采用的陽極材料電化學(xué)性能的好壞是犧牲陽極陰極保護(hù)水平的技術(shù)關(guān)鍵。

目前，船體使用的犧牲陽極有鋅—鋁—鎘三元合金（稱為三元鋅犧牲陽極）、高效鋁合金陽極、鐵合金陽極等。各種不同船型所采用的犧牲陽極型號(hào)和數(shù)量是根據(jù)船體各部位的形狀、面積和環(huán)境情況專門設(shè)計(jì)的。犧牲陽極保護(hù)陰極不需要外加電流，不干擾鄰近設(shè)施，設(shè)備簡單，施工方便。犧牲陽極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是以新型的鋁合金陽極替代傳統(tǒng)的鋅合金陽極，達(dá)到延長保護(hù)壽命，降低保護(hù)費(fèi)用的目的。

圖1圖2

3.2.2 外加電流保護(hù)技術(shù)

外加電流陰極保護(hù)技術(shù)是將犧牲陽極保護(hù)中的犧牲陽極塊更換成只起導(dǎo)電作用而不溶解的輔助陽極，在陽極和鋼板之間加一直流電源，并通過海水構(gòu)成回路。電源向鋼板輸入保護(hù)電流，使鋼板成為陰極而得到保護(hù)。該外加電流保護(hù)系統(tǒng)由恒電位儀也就是外加電源、參比電極、不溶性輔助陽極構(gòu)成。

整個(gè)系統(tǒng)使船體電位始終保持在保護(hù)電位范圍內(nèi)。外加電流保護(hù)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于船舶殼體的腐蝕保護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)保護(hù)壽命長、電位、電流可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，但目前仍存在可靠性和經(jīng)濟(jì)性較差等缺點(diǎn)，未來的發(fā)展趨勢(shì)是通過在恒電位儀的可靠性、輔助陽極的排流量、參比電極的長期穩(wěn)定性等方面的改進(jìn)，提高外加電流系統(tǒng)的可靠性和降低保護(hù)費(fèi)用，并進(jìn)一步延長保護(hù)年限。

4.外加電流保護(hù)系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成

外加電流保護(hù)系統(tǒng)一般有直流電源、輔助陽極、陽極屏蔽層和參比電極四部分構(gòu)成.輔助陽極作用是使電流從電極經(jīng)介質(zhì)到被保護(hù)體表面，參比電極是用來測(cè)量被保護(hù)體的電位，并向控制系統(tǒng)傳遞信號(hào)，以便調(diào)節(jié)保護(hù)電流的大小，使結(jié)構(gòu)的電位處于保護(hù)范圍.采用此保護(hù)方法時(shí)使金屬的腐蝕速度降到允許程度所需要的電流密度值，稱為最小保護(hù)電流密度.最小保護(hù)電流密度是與最小保護(hù)電位相對(duì)應(yīng)的，要使金屬達(dá)到最小保護(hù)電位，其電流密度不能小于該值，否則金屬就達(dá)不到滿意的保護(hù).保護(hù)電位也不能太高，否則會(huì)導(dǎo)致輔助陽極擊穿屏蔽層而發(fā)生陽極短路，使系統(tǒng)破壞。外加電流保護(hù)應(yīng)用于船體、舵、螺旋槳。下圖為外加電流保護(hù)法中的一個(gè)基本圖示，但實(shí)際船舶上比圖2更為復(fù)雜。

外加電流保護(hù)的特點(diǎn)：a）初始投資較高，需要專業(yè)知識(shí)，日常監(jiān)控；b）壽命較長，維護(hù)費(fèi)用相對(duì)低；c）保護(hù)較好；d）通過外部直流電源提供保護(hù)電流；e）工藝要求高，安裝較復(fù)雜，需在船體上開孔；f）陽極排流量大，可自動(dòng)調(diào)節(jié)保護(hù)電流輸出，使船體電位恒定；g）基本上對(duì)航行阻力沒有影響。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

外加電流陰極保護(hù)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于艦船殼體的腐蝕保護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)保護(hù)壽命長、電位、電流可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，但目前仍存在可靠性和經(jīng)濟(jì)性較差等缺點(diǎn)，未來的發(fā)展趨勢(shì)是通過在恒電位儀的可靠性、輔助陽極的排流量、參比電極的長期穩(wěn)定性等方面的改進(jìn)，提高外加電流系統(tǒng)的可靠性和降低保護(hù)費(fèi)用，并進(jìn)一步延長保護(hù)年限。恒電位儀是外加電流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，自問世以來，經(jīng)歷了磁控元件一可控硅元件一晶體管元件～提高的磁控元件的發(fā)展歷程。

目前，世界各國對(duì)以開關(guān)電源為中心器件的恒電位儀進(jìn)行了深入的研究，這種新型恒電位儀具有體積小、重量輕、輸出功率大、電流效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，已開始在艦船上取代傳統(tǒng)的恒電位儀。另外，對(duì)微機(jī)控制的模塊化小型恒電位儀已進(jìn)行了研究，這種恒電位儀可分別對(duì)每支陽極單獨(dú)供電，對(duì)船體各部位的保護(hù)電位分別進(jìn)行監(jiān)控，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。未來恒電位儀的發(fā)展方向是小型化、高容量、高可靠性和程控化。

其最基本的也是最重要的參數(shù)有兩個(gè)：保護(hù)電位、保護(hù)電流密度。保護(hù)電位，取決于金屬性質(zhì)和所處介質(zhì)的性質(zhì)，變化不大。通常最佳保護(hù)電位(船體鋼板相對(duì)于銀/氯化銀參比電極的電位)-0.75～-1.00V，因此通過建立電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)建立相應(yīng)反饋系統(tǒng)，如果電位偏離正常電位范圍，系統(tǒng)通過反饋調(diào)節(jié)，使其回到正常電位范圍。對(duì)電流保護(hù)下的金屬電位進(jìn)行模擬監(jiān)測(cè)，建立科學(xué)合理的電位監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電位的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。

4.3 相關(guān)參數(shù)

船體外加電流保護(hù)，通過調(diào)節(jié)保護(hù)電位和保護(hù)電流達(dá)到保護(hù)船體鋼板的目的，所以其最基本的也是最重要的參數(shù)有兩個(gè)：保護(hù)電位、保護(hù)電流密度。

①保護(hù)電位

保護(hù)電位，取決于金屬性質(zhì)和所處介質(zhì)的性質(zhì)，變化不大。通常最佳保護(hù)電位（船體鋼板相對(duì)于銀/氯化銀參比電極的電位）-0.75～-1.00V，ICCP控制儀-恒電位儀的工作電壓范圍±2V。

②保護(hù)電流密度

保護(hù)電流密度，除金屬和介質(zhì)的性質(zhì)外，還受環(huán)境影響，變化較大，可能包括：

船舶在靜止海水中，電流密度150mA/m2時(shí)，可以很快達(dá)到保護(hù)電位（-0.80V）；但若電流密度小于40mA/m2，則幾乎無法達(dá)到保護(hù)電位。

船體鋼板表面有無復(fù)蓋物、復(fù)蓋物的種類、復(fù)蓋物的完整性等，很大程度上影響最佳電流密度的大小。例如，涂有完整油漆的鋼板所需的保護(hù)電流密度，比裸鋼板小得多：在靜止海水內(nèi)，涂有三道聚二乙烯乙炔涂料的鋼板，電流密度0.35mA/m2可即刻達(dá)到保護(hù)電位；而裸鋼板卻需154mA/m2，大400多倍。再如，同樣在靜止海水內(nèi)：涂有三道聚二乙烯乙炔涂料的鋼板，電流密度0.11mA/m2只要幾小時(shí)就可達(dá)到保護(hù)電位；而裸鋼板，電流密度高達(dá)45mA/m2也需要9天左右。

海水是流動(dòng)的而且海流和風(fēng)浪時(shí)大時(shí)小，船舶也有時(shí)停泊有時(shí)航行且航速有快慢，都影響最佳保護(hù)電流密度。例如惡劣氣象航行和破冰航行，所需要的保護(hù)電流密度顯著增高。

不同海域海水含鹽量有差別，不同季節(jié)海水溫差不同，都會(huì)影響最佳保護(hù)電流密度。

保護(hù)電流密度，需要綜合考慮上述各種因素，而且主要靠大量的實(shí)踐才能得到比較切實(shí)的數(shù)據(jù)。船體外加電流保護(hù)裝置的管理者，日常應(yīng)針對(duì)這些環(huán)境因素不斷調(diào)節(jié)、修整裝置的相關(guān)參數(shù)，以確保其充分發(fā)揮作用。

相對(duì)于常用的銀/氯化銀參比電極，保護(hù)電流密度要保證保護(hù)電位-0.75～-1.00V，最佳保護(hù)電流密度30～60mA/m2，我國海船選用40～60mA/m2較為合適。

船體外加電流保護(hù)裝置的種類型號(hào)很多，工作參數(shù)也有差異，但工作原理大同小異。下面，以一款應(yīng)用較普遍、效果較顯著的ICCP船體外加電流陰極保護(hù)裝置為例，提出船體外加電流陰極保護(hù)裝置的使用和維護(hù)建議。

4.4 案例分析

①船體參數(shù)

船體長103.90m

垂線間長95.90m

型寬14.00m

設(shè)計(jì)吃水5.70m

輕載吃水3.376m

方形系數(shù)Cb0.62

②ICCP船體外加電流保護(hù)裝置概況

保護(hù)面積

船體浸水面積（估算）1814.32m2

螺旋槳表面積16.36m2

舵表面積20.04m2

外加電流陰極保護(hù)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

保護(hù)區(qū)域：水線以下的船體表面（海底門內(nèi)仍需按常規(guī)安裝犧牲陽極，不包括在內(nèi)）。

保護(hù)電位：船體水下表面-0.75~-0.95V(相對(duì)于Ag/AgCl參比電極，下同)；

總保護(hù)電流：94A

保護(hù)電流密度：船體，45mA/m2；螺旋槳，600mA/m2；舵，150mA/m2。

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要部件（規(guī)格、數(shù)量）

SF-300恒電位儀一臺(tái)，輸入380V/50Hz，輸出100A/16V；

B型釕－鈦輔助陽極二只，每只最大輸出50A，水密罩2只；

銀/氯化銀參比電極二只，水密罩2只；

陽極屏蔽層，8910涂料甲乙組份各3桶，總重量41.4kg(由上述設(shè)備制造商提供)。

[1]許友林,姚智剛,熊玲.船舶防腐蝕技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展[J].中國修船,2008(6):17-19.

[2]李婭娟.船舶腐蝕防護(hù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)[碩士論文].大連:大連海事大學(xué)2007:13-21.

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