海船PSPC海水壓載艙犧牲陽極設計

李應波 吳鎮波

摘 要：本文介紹用于涂層性能標準（PSPC）海水壓載艙的犧牲陽極設計計算，著重介紹基于涂層的破損率、保護電流密度及犧牲陽極壽命的設計計算方法，適應于PSPC要求的航行船舶海水壓載艙。

關鍵詞：犧牲陽極設計；海水壓載艙；涂層性能標準； 涂層破損率

中圖分類號：U667.2 文獻標識碼：A

1 前言

隨著船舶安全標準不斷提高，海水壓載艙涂裝性能要求也達到新的高度，誕生了新的涂層性能標準（PERFORMANCE STANDARD FOR PROTECTIVE COATINGS，簡稱PSPC）。雖然涂層技術標準大幅度提高，但海水壓載艙仍然需要犧牲陽極參與防護。如何設計與PSPC相配套的犧牲陽極？現有海船犧牲陽極陰極保護的設計方法是否適用？筆者根據現有犧牲陽極陰極保護設計的資料，探討PSPC船舶壓載艙的犧牲陽極設計計算。

2 PSPC海水壓載艙涂層特征參數

2.1 基本目標

使涂層達到15年的目標使用壽命，指從最初的涂裝開始，涂層系統維持良好狀態的持續時間；

希望整個船舶生命周期內，壓載艙只須重新涂裝一次。

涂層系統達到其目標使用壽命的能力取決于涂層系統的類型、鋼材處理、涂裝和涂層檢查及維護。

2.2 PSPC涂層的技術數據

涂層為環氧類涂層，NDFT（名義總干膜厚度）為320 μm；

涂層的初始期破損率小于2%。

2.3 涂層狀態的定義

見表1。

3 海水壓載艙犧牲陽極設計計算的相關問題

從IMO資料了解到PSPC涂層的特征，主要是壽命長、施工、維護質量好、破損率低，也就是說滿足PSPC船舶海水艙的涂層質量比以往有大幅度提高。因此，原來的壓載水艙犧牲陽極的設計計算方法是否適用，值得探討。

3.1 設計計算方法

壓載水艙犧牲陽極陰極保護的設計不是規范、公約的強制性要求，一般根據船級社指南或國家標準的推薦做法進行設計，不同船級社的設計指南有所區別，總的來說主要有兩種設計計算方法：第一種是基于涂層的特性，根據涂層破損率計算裸鋼的面積，陰極為裸鋼進行設計計算；第二種是簡約式計算辦法，不考慮涂層特性，陰極為有涂層的鋼面，按推薦的保護電流密度進行設計計算。目前國內主要按第二種方法計算，犧牲陽極用量按以下公式計算：

計算公式（1）簡潔明了，但應用不太方便，保護電流密度Ii的推薦值跨度較大，不同取值的計算結果差異很大。實際應用中，絕大多數設計人員對保護電流密度的取值采用平均法，即取推薦值的平均數，而且任何船舶、任何涂層都是一樣，這樣的設計結果很難保證與實際需求一致。由于PSPC涂層與以往的涂層有很大的差異，所以犧牲陽極用量不能用簡約方法計算。

3.2 涂層與犧牲陽極的關系

船舶的主要防腐手段是依靠涂料，涂料的作用是將金屬本體與大氣、海水等腐蝕介質隔離，對浸泡海水中的鋼構件，涂料起電絕緣作用，防污涂料還可以防止海洋生物附著船體。由于涂料施工過程的工藝水平無法保證涂料百分之百覆蓋鋼構件表面，涂層服務期間出現老化、受損的現象，使涂層不斷擴大破損，涂層破損部位的鋼構件面失去涂層絕緣保護，直接接觸海水，涂層破損部位的防腐依靠犧牲陽極或外加電流進一步保護。

目前船舶海水壓載艙的防腐手段依靠涂料（油漆）和犧牲陽極進行聯合保護，滿足PSPC的壓載水艙也是如此。涂料是防腐的第一道防線，犧牲陽極是第二道防線，涂層破損部位是犧牲陽極設計的關注對象。

涂層破損率，是指涂層破損面積占所統計面積的百分比，破損率為零，意味所統計的面積涂層完好，不需要犧牲陽極；破損率為100%，意味所統計面積無涂層，防腐任務完全依靠犧牲陽極。涂層破損率是個動態數據，隨服務時間增長而增長的數據，通常根據涂層的服務壽命時間段劃分涂層的破損率，分別為初始期、保養期和終止期。初始期的破損率小，主要取決于涂層施工工藝；保養期的破損率是平均值，一般作犧牲陽極的設計計算依據，比初始期大；終止期為涂層的壽命極限，破損率最大，涂層無法進行維護，需重新施工。PSPC海水壓載艙涂層的破損率很小，初始期小于2%，保養期小于3%。

3.3 保護電流密度

海水壓載艙的陰極保護電流密度，CCS的推薦值為3～10 mA/m2，BV的推薦值為2～10 mA/m2。這個推薦值跨度較大，取其中任一數值的計算結果都無法令人信服。PSPC涂層有明確的破損率，維護期的破損率<3%，可認為壓載艙有3%浸水面積為裸鋼，按壓載水所在的地理位置，即船舶航線的地理位置，為壓載艙的破損部分選擇合適的裸鋼保護電流密度。

裸鋼保護電流密度取值可參考DNV或BV的推薦值（表2）。

3.4 犧牲陽極保護壽命

犧牲陽極保護壽命問題，規范公約的文件沒有提及，通常情況下犧牲陽極保護壽命與涂層的壽命等同，因為更換陽極不容易。PSPC的目標壽命15年，希望整個船舶生命周期內，壓載艙只須重新涂裝一次，壓載艙的裝載率為50%～60%時，與涂層等同壽命犧牲陽極的實際使用壽命必需7.5～9年，但目前用于壓載艙的標準規格陽極最大使用壽命僅為6年，不能滿足PSPC涂層要求。解決辦法有兩種：第一種是設計非標陽極規格，加大陽極外形尺寸，使單個陽極壽命達到7.5～9年；第二種是選用現有標準規格，通過富裕的數量延長至與涂層的壽命等同。

從安全角度出發，任何設計都必須留有一定的裕度，犧牲陽極設計也不例外，建議增加10%～30%的計算裕度。

3.5 犧牲陽極的選型

犧牲陽極化學成份決定陽極的電位、電容量的大小，不同化學成分陽極的性能差異較大，目前可用于海水壓載艙的犧牲陽極有鋅基、鋁基兩類：鋅基犧牲陽極負電位小，電容量也小，但適用范圍廣，應用歷史長，相同的保護壽命，外形尺寸、重量比鋁基大，適應于保護壽命短的海船；鋁基犧牲陽極負電位大，電容量大，鋁基犧牲陽極在海船上應用廣泛，具有較大的電容量，但其碎片跌落時容易產生電火花，規范限定其在貨油艙及其相鄰液艙中使用的勢能不超過275J，在這些危險區域應用鋁基犧牲陽極需控制其安裝高度或采取防護措施防止碎片跌落。綜合利弊，PSPC海水壓載艙采用鋁基犧牲陽作陰極保護比較合適。

3.6 犧牲陽極性能計算

犧牲陽極的性能計算，主要是根據所確定的犧牲陽極外形尺寸、結構形式及安裝方式計算陽極的接水電阻。根據所計算的接水電阻的數值，計算陽極的發生電流量。最后根據計算的電流量、陽極質量及電容量估算陽極的使用壽命，判斷是否滿足設計要求，若不滿足則從新選型。犧牲陽極性能的計算，各大船級社的指南或推薦的公式基本一致，不再贅述。

3.7 犧牲陽極用量計算

以上討論犧牲陽極陰極保護的計算數據，最終的目的是用以計算犧牲陽極的用量。針對現有犧牲陽極用量的計算公式中存在的問題，建議計算公式（1）作如下修訂：

4 計算實例

分別以熱帶、溫帶、北極帶海區的海水為壓載水，比較不同海區的壓載水所產生的設計差異，及兩種計算方法結果的差異。計算不同海區的電流保護密度按 DNV的推薦值，具體過程從略。通過實例計算，可以得出以下結論：

（1）壓載水所在海區地理位置對計算結果影響比較大。通過海區地理位置細分保護電流密度，可進一步細化設計，避免保護電流密度無根據的取值；

（2）兩種設計壽命方法對比結果比較接近，采用標準規格陽極成本更低。

5 結論

本文根據現有犧牲陽極陰極保護的技術文獻資料進行歸納整理，結合作者的理解提出針對PSPC涂層海水壓載艙的犧牲陽極設計方法，強調犧牲陽極設計需結合PSPC涂層的特征、海區地理位置對保護電流密度的影響，分析與PSPC涂層相配套的犧牲陽極壽命的不同理解，希望能為船舶設計工作者提供一個借鑒和參考。PSPC實施時間不長，許多問題仍需業界同仁去探討，由于作者水平所限，文中不足之處請諒解。

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