外加電流陰極保護裝置在船舶防腐中的應用

張 平

摘要: 本文介紹了船舶外加電流的陰極保護的原理，系統(tǒng)組成，應用中的常見問題。

關鍵詞：船舶；陰極保護；腐蝕

Impressed Current Cathodic Protection on the Application of Anticorrosion of the Ship

ZHANG Ping

（Navel Representatives Office of Jiangnan shipyard (group) Co., Ltd,Shanghai 201913）

Abstract:This article introduces the principle of ship of the impressed current cathodic protection, system composition and application of common problems.

Key words:ship;cathodic protection;corrosion

1引言

海水是一種很強的腐蝕性介質,對鋼質船體有很強的腐蝕性。鋼板遭到海水腐蝕生成鐵銹，鐵銹質地松脆，無法阻止鋼板進一步的腐蝕。且腐蝕使船體外表面粗糙，易附著一些海生物，增加船體的阻力。目前在船體防腐蝕方面，除增加涂層外，一般還有犧牲陽極和外加電流兩種陰極保護形式。犧牲陽極方法由于簡單、經(jīng)濟，被廣泛采用，但效果欠佳，焊在船體外表面的鋅塊也會增加船體阻力。使用永久性外加電流的陰極保護裝置是目前控制鋼質船體在海水中腐蝕的最有效方法。

2外加電流陰極保護

2.1外加電流陰極保護的原理

鋼鐵在海水中的腐蝕是一個電化學過程，鐵電位較負，比較活潑，放出電子成為正離子進入海水，處于陽極狀態(tài)，遭到腐蝕。如使鋼鐵表面全部處于陰極狀態(tài)來抑制微陽極區(qū)鋼鐵的電子釋放，就可以防止鋼鐵的腐蝕。

外加電流陰極保護即在金屬表面上加上陰極電流。當這些電子來不及與水中的氧作用時，就會在鋼鐵表面聚集起來。使鋼鐵表面的電位向負方向移動，形成陰極極化。這時，微陽極釋放電子的能力就減少。電流愈大（或時間愈長）電子積聚就越多，鋼鐵表面的電位就越負，微陽極釋放電子的能力就越弱。當陰極電流釋放的電子足夠多，使鋼鐵表面達到了等電位，腐蝕位電子作用被迫停止，鋼鐵就得到了保護。

鋼鐵在海水中對不同參比電極的保護電位值是不同的。目前我國一般選用銀/氯化銀電極，鋼鐵在海水中的保護電位取-0.75 V～0.95 V（相對于銀/氯化銀參比電極）最佳電位為-0.85 V～-0.90 V。

保護電流密度不是恒定不變的。由于船體電勢隨著航速、海區(qū)鹽度、海水溫度、油漆的破壞程度等船舶外界條件的變化而不斷變化。如果陰極保護電流過小，就不能有效保護船體，導致船體受到腐蝕，減少船舶使用壽命。如果陰極保護擴散電流過大，則容易造成船體鋼板產(chǎn)生氫脆，韌性降低，使得船體遇到大風浪或其他外力沖擊時，發(fā)生船體開裂的危險。同時，電極輸出的電流過大，還會導致電極的壽命降低。所以，我們在船體外板外加電流陰極保護設計中，需要系統(tǒng)隨著外部環(huán)境的變化，自動調節(jié)所需保護電流，使船體始終處于最佳保護電位范圍內（200 mV~300 mV / 鋅參比電極）。

2.2外加電流陰極保護系統(tǒng)的組成

外加電流陰極保護裝置主要由恒電位儀，陽極和參比電極組成，如圖1所示。

圖1外加電流陰極保護系統(tǒng)

恒電位儀—船體外加電流陰極保護的直流電源。它根據(jù)參比電極提供的信號能自動調節(jié)保護電流的大小，由陽極向船體表面輸送電流，使船體始終處于最佳保護電位范圍內。

陽極--陽極的主要作用是在海水中產(chǎn)生保護電流。陽極的安裝必須與船體絕緣。在造船或進塢檢修時,應該通過合理的設計、安裝使陽極和海水間維持較低的電氣摩擦(指不同的物理材料間由于相互的摩擦而在兩者接觸面間產(chǎn)生電子的流動形成電流),使陽極達到最佳的運行效果。在正常情況下,直接安裝在船體外殼上的標準陽極具有多種電流規(guī)格,例如75 A、100 A、150 A、200 A和300 A。對于船舷安裝的系統(tǒng)和具有特殊用途的系統(tǒng)應該使用凹進型陽極。

參比電極—在外加電流陰極保護中，參比電極的作用是測量船體電位和提供訊號給恒電位儀。在正常環(huán)境條件下,每一個控制器裝有兩個參比電極。但是,單個控制器對參比電極的最低要求是至少得安裝一個。這些參比電極的安裝位置以距陽極的最小距離為7.5 m(在10 m左右)時最為理想。在船舶總長不超過200 m的船上只需安裝船體系統(tǒng),而在總長超過200 m的船上最好再安裝一套船舷系統(tǒng)。如果安裝更多的參比電極(一般為4個),則還可以防止船體受到過保護或欠保護所造成的損害,這樣使得在環(huán)境不斷變化時也能維持良好的船體防腐保護性能。

一般為了保護舵和推進器，還裝有軸接地裝置。軸接地裝置就是將舵柱，推進器與船體短接，防止舵和推進器的腐蝕。但由于軸的轉動及不能做到完全的短接，使軸和船體間產(chǎn)生一個周期性變化的電阻，加上陰極電流，就調制出了副產(chǎn)物—軸頻電場。軸頻電場作為現(xiàn)代船舶的特性，容易被用于偵測。

另外還得考慮陽極屏蔽層，由于陽極周圍的電流密度較高，船體表面陰極電位較負，致使船體表面堿性增加，引起船體涂料的皂化而被破壞，尤其是負于-1.0V時，由于“析氫”則會引起涂料的鼓泡脫落。因此，為了防止電流短路，擴大電流分布范圍，使船體電位分布均勻，確保陰極保護效果，在陽極的周圍一定范圍內涂刷陽極屏蔽層。

3 外加電流陰極保護系統(tǒng)設計時注意的幾個原則

（1）根據(jù)船體的有關參數(shù)，計算出船體的浸水面積，然后計算出此船需要的保護電流，以此確定恒電位儀的規(guī)格。

（2）根據(jù)船體總圖、船體線型圖、機艙布置圖，艙室布置圖等有關圖紙，確定輔助陽極和參比電極的位置和數(shù)量。一般情況下輔助陽極布置左右舷對稱。根據(jù)船體情況布置2個或4個或6個等。陽極的數(shù)量確定后，以此確定陽極的規(guī)格。一般情況下，一艘船上布置兩只參比電極就夠了。一個布置在陽極屏蔽層的邊緣，另一個布置在兩個陽極中間，測量船體最高、最低電位并提供訊號給恒電位儀。

（3）自航船的外加電流陰極系統(tǒng)設計中，根據(jù)輪機機艙布置圖、推進器軸系等，確定軸接地裝的安裝位置和規(guī)格。

（4）根據(jù)船舶電力系統(tǒng)確定恒電位儀的設備電源的電制。陽極、參比電極與恒電位儀之間用電纜連接。確定了恒電位儀、陽極的規(guī)格、安裝位置后，計算確定電纜的規(guī)格。

4 應用時應注意的問題

（1）船體外涂層質量或噴涂工藝非常重要,否則會在陰極保護系統(tǒng)輸出電流的作用下被破壞。在此情況下,船體與海水間的電化學反應加劇,陰極保護系統(tǒng)在電流控制器的作用下輸出近乎額定的工作電流量仍無法達到船體所需的保護電位,而電子的流動特性是選擇電阻較低的途徑,在外涂層質量低劣的程度超過一般設計陰極保護系統(tǒng)時采用的比例(30%~35%)的情況下,大部分電流會在接近陽極的區(qū)域進人船體外板,從而造成該局部涂層區(qū)域遭受損壞。

（2）由于輔助陽極輸出的低壓大電流，因此要注意輔助陽極的電纜電壓降，否則影響保護效果。

（3）輔助陽極的布置要注意：輔助陽極安裝要根據(jù)船體的線型圖；陽極在輕載時不能露出水面；盡量避免安裝在水艙內；船靠離碼頭時陽極不要被碼頭碰撞。

（4）輔助陽極和參比電極裝在易維修的地方。

（5）在船舶進人淡水、水質惡劣水域時,由于水的電阻加大從陽極產(chǎn)生的電流效果會受到限制,正常情況下這會使控制器增加輸出電壓到最大但電流卻非常小,這種情況是正常的,不會產(chǎn)生不良后果,只要船舶回到海水中系統(tǒng)就會重新對船體起到最佳保護效果。盡管如此,如果船船在淡水環(huán)境中超過7天的話,建議最好是關掉系統(tǒng)電源以避免在陽極上形成絕緣的氧化膜,從而導致陽極所能傳輸?shù)碾娏鳒p少。

（6）船舶進塢后,陰極保護系統(tǒng)一定要切斷電源,若非檢修的話出塢前不可供電。在塢修中要進行船體外部件的檢查,如發(fā)現(xiàn)任何絕緣材料損壞或老化,應及時安排修理或更新,為維持高水平的保護作用,應盡量采用高質量和高純度的鋅參比電極。船體外部件要用膠布密封,以防船殼鋼板表面處理或噴漆時污染其表面,出塢前切記清除密封膠布并檢查確認。出塢后,接通電源檢查系統(tǒng)工況,確認系統(tǒng)各參數(shù)顯示正常,建議將系統(tǒng)停用5一7天。讓船殼涂層充分固化以避免由此導致涂層剝落。

作者簡介：張平（1981-），男，工程師。從事電氣工程監(jiān)造專業(yè)。

收稿日期：2014-01-18