某型船艙底犧牲陽極應(yīng)用改進(jìn)研究

楊青松，陳文君，余 鵬

(91872部隊(duì)，廣東 湛江 524000)

0 前言

艦艇船底板腐蝕穿孔是艦艇安全最大的危害之一，它嚴(yán)重影響艦艇戰(zhàn)斗力，增加艦員臨時(shí)搶修等繁重工作。此外，由于艙底結(jié)構(gòu)復(fù)雜，艙底板的腐蝕將增加大量的額外修理費(fèi)用和修理難度。目前艦艇船體外板腐蝕防護(hù)技術(shù)趨于完善，腐蝕問題已基本得到控制，但艦艇內(nèi)底板積水造成的腐蝕問題卻依然嚴(yán)重，艙底積水含有大量的油污、細(xì)菌，其腐蝕性比舷外普通海水要嚴(yán)重得多，時(shí)有內(nèi)底板腐蝕穿孔事故的發(fā)生。艦艇內(nèi)底板腐蝕穿孔，不僅影響艦艇安全，而二層底板的穿孔使污染的艙底水進(jìn)入下面的油艙、水艙，將嚴(yán)重威脅主機(jī)運(yùn)行，并造成油水報(bào)廢。如:某型船由于機(jī)械振動(dòng)及設(shè)備的滲漏等眾多原因，其艙底始終存在著嚴(yán)重積水;又因其艙底設(shè)備擁擠、空間狹小，管路設(shè)備復(fù)雜、材質(zhì)各異，且多為耐蝕性好的材料，易引起內(nèi)底板的電偶腐蝕。如此嚴(yán)重的腐蝕問題已嚴(yán)重威脅到艦船的正常使用及安全航行。目前雖焊有犧牲陽極作為陰極保護(hù)措施，但該陽極是采用水面艦船應(yīng)用的艙底犧牲陽極技術(shù)，在形狀設(shè)計(jì)、布置樣式等方面均達(dá)不到設(shè)計(jì)保護(hù)要求。具體表現(xiàn)在:焊接點(diǎn)多，涂層多處損傷易失效，破損部位難以及時(shí)得到修補(bǔ);大部分陽極溶解程度不一致，易結(jié)殼失效等等。因此，需要針對(duì)某型船艙底環(huán)境和積水的實(shí)際情況，在犧牲陽極材料確定的基礎(chǔ)上，對(duì)陽極的形狀、數(shù)量及布置樣式重新進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)研究，以保護(hù)艙底免受腐蝕危害。

1 艙底犧牲陽極的應(yīng)用研究

對(duì)某型船艙底犧牲陽極應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)研究的前提基礎(chǔ)是其各項(xiàng)預(yù)定設(shè)計(jì)參數(shù)不變，即陽極溶解的電流效率大于85%，表面均勻溶解，產(chǎn)物易清除，陽極設(shè)計(jì)使用壽命大于3年。

1.1 犧牲陽極形狀設(shè)計(jì)

船舶艙底板犧牲陽極的形狀一般設(shè)計(jì)為楔形和圓盤形，其相應(yīng)安裝形式有焊接和螺栓固定兩種。通常，如艙底板的空間大，犧牲陽極更換的周期長(zhǎng)，采用楔形焊接的形式;反之則采用圓形螺栓固定的形式。

某型船艙底犧牲陽極形狀設(shè)計(jì)必須考慮以下要求:①某型船底艙隔檔板多，犧牲陽極保護(hù)受屏蔽影響，保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)采用小陽極多點(diǎn)均勻布置的原則;②犧牲陽極如采用焊接固定，經(jīng)常性的更換易造成艙底板不必要的損傷;③犧牲陽極數(shù)量及結(jié)構(gòu)和尺寸的定量確定。

犧牲陽極數(shù)量首先取決于水室的尺寸和陽極有效距離，然后再根據(jù)總電流需要量和犧牲陽極數(shù)量求出每塊陽極的電流輸出，設(shè)計(jì)陽極結(jié)構(gòu)和尺寸。

據(jù)此，某型船艙底犧牲陽極設(shè)計(jì)應(yīng)采用小于1kg、螺栓固定的盤狀陽極，具體尺寸如圖1所示，質(zhì)量約為1.0kg。

圖1 陽極尺寸

1.2 犧牲陽極保護(hù)范圍及布置設(shè)計(jì)

采用McCoy式求算陽極接水電阻R:

式中:K為0.443;ρ為海水電阻率 (30Ω·cm);A為陽極暴露面積 (216cm2)。

則 R=0.9 Ω。

陽極的輸出電流:

根據(jù)涂漆鋼材在服役期間涂層老化的變化，選擇涂覆鋼在靜海水中的保護(hù)電流密度為10～50 mA/m2，可計(jì)算得到一塊艙底犧牲陽極的保護(hù)面積為:

據(jù)此，可根據(jù)某型船艙底面積的大小選擇布置犧牲陽極的數(shù)量。同時(shí)艙底犧牲陽極的布置設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮以下因素:①在艙底積水部位均勻布置;②犧牲陽極盡量安裝在積水的最低位置;③由于存在艙底隔擋板的屏蔽影響，在設(shè)計(jì)數(shù)量允許的情況下，多布置一些陽極，使每個(gè)隔擋都能得到保護(hù)。

根據(jù)某型船實(shí)際情況，平時(shí)積水較多的底艙主要是主機(jī)艙、后副機(jī)艙和疏水泵艙。其平時(shí)積水后的浸水面積以及根據(jù)艙底情況設(shè)計(jì)布置犧牲陽極的數(shù)量如表1所示。

表1 艙底平時(shí)浸水面積及布置犧牲陽極數(shù)量

1.3 犧牲陽極安裝要求

采用d=12mm、l=20mm的單頭螺柱和配套普通螺母及墊片固定;在艙底板指定位置焊接固定螺柱，并將根部磨平;裝入底面打好耐水絕緣油漆(推薦環(huán)氧漆)的陽極，并用配套墊片及螺母固定;用密封膠泥封閉螺母安裝槽，并與陽極頂部平齊，具體如圖2所示。

圖2 犧牲陽極安裝圖

1.4 布置條件

陽極布置還應(yīng)滿足以下條件:①電流要均勻到達(dá)所有被保護(hù)表面，使保護(hù)表面達(dá)到保護(hù)電位值;②不產(chǎn)生可能使結(jié)構(gòu)腐蝕增大的反作用;③在與涂料聯(lián)合保護(hù)時(shí)，不破壞涂膜的完整性;④在保護(hù)有鈦質(zhì)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)時(shí)，不得使鈦質(zhì)構(gòu)件上的電位負(fù)于－0.7 V;⑤要保證陽極工作的穩(wěn)定性，不隨時(shí)間產(chǎn)生大的波動(dòng);⑥在與涂層聯(lián)合保護(hù)時(shí)，要控制陽極至涂層表面的距離不得使涂層表面的電位負(fù)于－1.20 V。

1.5 保護(hù)年限計(jì)算

1.5.1 求艙底板所需的保護(hù)所需電流密度

1)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)求保護(hù)所需電流密度。采用耦合試驗(yàn)測(cè)取艙底板在陰極保護(hù)下所需的保護(hù)電流密度。艙底板與鋁陽極耦合的面積比分別為25∶1、100∶1、250∶1、2400∶1，我們的測(cè)試艙底板在海水中的保護(hù)電流達(dá)到12～15 mA/m2(實(shí)驗(yàn)時(shí)間為60天)時(shí)，即可滿足保護(hù)要求。

2)數(shù)值模擬計(jì)算保護(hù)所需的電流密度。建立的數(shù)學(xué)模型 (圖略)，耦合面積比為267∶1。由耦合模型電位分布得出電位負(fù)移200mV時(shí)的電流密度為15 mA/m2，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。

1.5.2 犧牲陽極壽命估算

據(jù)陽極發(fā)生電流量計(jì)算公式:

式中:If為犧牲陽極的發(fā)生電流量， mA;ΔE為驅(qū)動(dòng)電位，V;對(duì)鋁合金陽極，ΔE=0.25 V;R為犧牲陽極的接水電阻，Ω。

其中，R由以下公式求得:

式中:ρ為海水電導(dǎo)率，一般取25.0 Ω·cm;A為陽極的工作表面積，cm2。

代入已知得:R=0.508 Ω

則:If=431 mA

據(jù)犧牲陽極使用壽命估算公式:

式中:Y為犧牲陽極使用壽命，年;N為陽極總數(shù)，塊;m為犧牲陽極質(zhì)量，kg;Q為犧牲陽極實(shí)際電容量，一般取2400 A·h/kg;IM為平均保護(hù)電流，A;1/K為犧牲陽極利用系數(shù)，0.75。

其中，IM按以下公式計(jì)算:

式中:Si為被保護(hù)面積，m2;Ii取15 mA。

由以上公式計(jì)算得到某型船各艙的保護(hù)壽命如表2所示。

表2 某型船各艙犧牲陽極保護(hù)壽命

因此，某型船艙底犧牲陽極這一重新改進(jìn)研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最初的技術(shù)性能指標(biāo)要求。

2 結(jié)束語

對(duì)某型船艙底犧牲陽極進(jìn)行上述的應(yīng)用改進(jìn)研究，完全克服了之前犧牲陽極應(yīng)用的各項(xiàng)不足，可有效保護(hù)艙底積水部位的內(nèi)底板，進(jìn)而減少和避免腐蝕安全事故的發(fā)生。