艦船靜電場特性分析

張玉濤，王 巍

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艦船靜電場特性分析

張玉濤1，王 巍2

（1. 91439部隊，遼寧大連 116041；2. 91388部隊，廣東湛江 524000）

為了研究艦船靜電場特性，對其產生機理進行了分析，并利用Beasy軟件仿真，船模及實船試驗，分析了艦船靜電場信號與海水電導率，艦船涂層及陰極保護狀態，艦船航速之間的關系。

艦船 靜電場 涂層 陰極保護

0 引言

艦船腐蝕相關靜態電場是一種重要的艦船目標的暴露源、水中兵器的攻擊源（在近場可達mV/m的量級）[1-3], 易被敵方裝有電場引信的水雷等武器（如“MDM-6”[3]、“ASTERIA”[4]和“MINEA”水雷等）攻擊，為了防止被此類武器打擊，各國通常將電場抑制技術運用在船舶設計和制造中[5-6]。艦船靜電場主要是由腐蝕及防腐電流產生的，在艦船航行過程中，艦船靜電場是不斷改變的，主要與船體所處的物理狀態（海水電導率，船體涂層及陰極保護狀態以及航速）密切相關。研究艦船靜電場特性對研究電場引信及艦船電場隱身技術具有重要意義。

1 產生機理

艦船是由多種材料構成的復雜結構物，螺旋槳一般由銅合金（鎳鋁青銅或錳青銅）制造，而船殼一般由低合金鋼（907、921、945）或鋁合金制造。由于他們在海水中的電極電位不同，當使用金屬導線將不同金屬電連接時，就形成腐蝕原電池（電解偶電路），從而在回路中產生腐蝕電流，如圖1所示。

圖1 電解偶電路的原理圖

為防止艦船腐蝕，艦船均會在結構工藝上（增加涂層電阻率等電隔離措施）和采用陰極保護的方式進行防腐[7]，陰極保護通過犧牲陽極塊或外加電源產生一定量的電子流進行陰極極化，使金屬的電位發生負移，使之處于熱力學穩定區，從而減輕或防止金屬腐蝕。艦船靜電場主要是由腐蝕和防腐電流產生的。

2 特性分析

2.1 艦船靜電場通過特性

靜電場為低頻場，其能量主要集中在DC~0.2 Hz頻段，是連續譜。圖2為一艘中型商船通過時的準靜態電場信號。

2.2 海水電導率的影響

表1 仿真計算的不同電導率環境下的靜電場信號

靜電場的幅值與海水電導率和涂層表面的破損狀態密切相關。表1為同一艦艇模型在不同電導率環境下的水深10 m、正橫1 m時的電場軟件BEASY（艦船設計階段電場仿真軟件）仿真計算結果。由表1可知，當電導率由2.0 S/m變化至3.75 S/m時，隨著電導率的增大，靜電場信號明顯增大（以水平分量為例增大約78%），而當電導率由3.75 S/m變化至4.2 S/m時，靜電場增大并不明顯，這主要是由于電導率過大時，海水鹽度較高，含氧量減小，從而導致腐蝕電流減小的緣故。

表2 船體涂層破損率分別為2%和8%時，自然腐蝕狀態下的電場峰-峰值

2.3 涂層及陰極保護狀態的影響

涂層的等效阻抗與其破損率成反比例的關系，因此破損率越大，根據式（1）可知，海水中的腐蝕電流越大。表2為一艘中型艦船（船體為涂層鋼、螺旋槳為鋁青銅）船體涂層破損率分別為2%和8%時，自然腐蝕狀態下不同深度平面電場值的仿真計算結果，表中B為船體的最大型寬。由表2可知，隨著涂層破損率的增大，螺旋槳電流增大約25%，水下電場信號在正橫距小于1B時增大較明顯。

當涂層破損率增大時，其陰極極化率減小，為了達到保護電位的條件，需要更多的保護電流，因此，防腐條件下的電場信號也將增大。表3為船體保護電位達到-830 mV時，涂層破損率2%和8%時的電場仿真計算結果，陰極保護方式為外加電流陰極保護，全船使用8對輔助陽極聯合防腐。

表3 船體涂層破損率分別為2%和8%時，陰極保護狀態下的電場值

由表3可知，在陰極保護狀態下，靜電場信號明顯高于自然腐蝕狀態下靜電場信號，以水深1B、破損率2%為例，靜電場水平分量增大約2倍。主要是由于防腐電流較大，增大了船體水下的電流，靜電場信號因此增大。另外，在陰極保護下，涂層破損率增大時，艦船水下靜電場信號增大幅度超過同等情況下自然腐蝕狀態涂層破損時增大的幅值。

2.4 艦船航速的影響

艦船靜電場除了與涂層狀態和海水電導率相關外，還與艦船的航速密切相關，航速越大，氧的去極化作用越強，腐蝕和防腐電流越大，靜電場信號的幅值呈增大趨勢。圖3為1:40等比例縮小艇模航速分別為1 cm/s和5 cm/s通過時龍骨正下方的靜電場信號（艇體處于自然腐蝕狀態），對比發現，隨著航速的增加，艇模通過的周期有所減小，而靜電場信號卻有所變大。

表4為實測艦船不同航速條件下，某一測線上的電場峰-峰值。由表4可知，艦船在自然腐蝕狀態和陰極保護狀態，當航速的增大，電場Ex分量的峰-峰值呈現增大的趨勢，且當航速達到某一定值時，電場值增大的幅值并不明顯，這是由于航速增加到一定量值后，決定電化學腐蝕進程的關鍵參數——氧的極限擴散電流密度——達到穩定值，即航速較高時，電化學腐蝕進程由電荷轉移過程控制，因此，當航速進一步增大時，腐蝕電流值及電場值增大不明顯。

圖3 艇模通過時的準靜態電場信號

表4 自然腐蝕狀態條件和陰極保護狀態下，不同航速實測靜電場Ex值

3 結論

艦船靜電場信號與艦船涂層狀態、海水電導率和艦船航速以及陰極保護狀態密切相關。陰極保護狀態下艦船靜電場信號增大最為明顯，其次涂層狀態對靜電場影響較為明顯，而隨著海水電導率和艦船航速增大，艦船水下靜電場信號會逐步緩慢增大并趨于穩定。

[1] 龔沈光, 盧新城. 艦船電場特性初步分析[J]. 海軍工程大學, 2008, 20(2): 1-4.

[2] 陳聰, 李定國. 艦船靜態電場深度換算方法[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2009, 30(6): 719-722 .

[3] 傅金祝. 國外水雷戰裝備參考資料[M]. 宜昌: 710所, 1994.

[4] 倪華, 余湖清. 國外潛布水雷的現狀和發展趨勢[J].水雷戰與艦船防護, 2013, 21(2): 1-8.

[5] NI Hua, YU Hubbard J C, Brooks S H, Torrrance B C. Practical measures for reduction and management of the electro-magnetic signatures of in-service surface ships and submarines[C]. Underwater Defence Technology Conference, London, 1996, 64-65.

[6] Harrison A S, Hubbard J C. An underwater electric potential (static electric) signature management toolkit for the non-specialist [J]. Conf. Proc. UDT Europe 1994:477.

[7] 吳建華. 水下船體陰極保護與腐蝕電磁場優化控制研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2012.

Research on Ship’s Static Electric Field

Zhang Yutao1, Wang Wei2

(1. Unit 91439 of PLA, Dalian 116041, Liaoning, China; 2. Unit 91388 of PLA, Zhanjiang 524000, Guangdong, China)

U674

A

1003-4862（2018）06-0015-03

2018-04-02

張玉濤（1981-），男，工程師。研究方向：水中兵器試驗技術。Email：20933153@qq.com