減小艦船靜電場的隔離電阻估算方法

喻 鵬，姜潤翔，程錦房

(海軍工程大學 兵器工程系，湖北 武漢 430033)

0 引 言

艦船腐蝕相關靜電場（由電化學腐蝕電流和防腐電流產生）是艦船目標的重要暴露源[1–3]。在艦艇主要電場源材料之間的采用電隔離措施是減小腐蝕相關靜電場的重要方法之一[4]，而采用電隔離措施方法的關鍵技術是根據允許的最大目標電場值估算出最小隔離電阻的大小。考慮到艦船腐蝕靜電場可視為若干點電荷的疊加，點電荷的位置、強度與異種金屬的位置、面積、材料的電極電位、回路內組（電隔離電阻）等參數密切相關[5]，若能利用電路模型建立點電荷強度、回路內阻和水下電位的關系，即有望解決在已知目標電位條件下估算出電隔離電阻值。

1 艦船腐蝕相關靜態電場

不同金屬在同種電解液中，其穩定電極電位不同，因此，當使用金屬導線將其連接時，就形成閉合直流電路（電解偶電路），從而在回路中產生電流，使金屬和電解液之間的電位差發生變化——這種現象稱為電化學極化[6]。船體—螺旋槳構成的電解偶等效電路圖如圖1所示。

2 隔離電阻估算方法

2.1 非絕緣船體最小隔離電阻估算方法

對于非絕緣船體組成的電化學系統，“船體—螺旋槳”構成的電解偶電路是主要的腐蝕電場源。若將艦船和螺旋槳等效為半球狀點電極，則式（1）中的海水電阻為

由式（1）～式（4）可得“船體—螺旋槳”電解偶回路中的電流為：

2.2 絕緣船體最小隔離電阻估算方法

對于船體材料為玻璃鋼或者覆絕緣層的船體，當其表面包含有多種金屬時，由于金屬材料的正下方具有電位的局部峰值點，若保證每種金屬材料正下方處的電位的絕對值均小于 ，則水深的平面上的電位峰-峰值必然小于

圖2 種金屬構成的電化學系統的等效電路圖Fig. 2 Equivalent circuit of electrochemical system consisting of n kinds of metal

根據點電荷的電位計算公式，得到電極i下方的電位值為：

式（6）亦等價于

根據基爾霍夫電流定律，計算包含隔離電阻值時的系統平均電位值為：

進而可得到每個電極支部的電流值為：

而后重新根據式（17）～式（19）重新評估電極下方的電位值的大小，若仍存在的電極，則根據式（14）重新計算隔離電阻值，上述過程一致進行，直到所有電極下方電極的絕對值均小于

3 算例

為了驗證上述方法的有效性，利用1艘潛艇模型進行仿真計算，其中，潛艇模型長度L為120 m，最大艇寬B為10 m，從艇首到艇尾共有6個通海閥（依次為通海閥1、通海閥2、…、通海閥6）。

艇體指揮圍殼、通海閥、尾舵、前舵和螺旋槳為金屬材料，其他位置為絕緣材料，其物理尺寸如表1所示。檢驗過程中，所采用材料的極化曲線如圖3所示。由極化曲線可知，極化電阻存在非線性的關系，為了減小誤差，極化電阻率選取為無電隔離措施時材料表面電位，通過Beasy軟件（艦船設計階段常用電場仿真軟件，能夠對水下電勢和腐蝕相關磁場進行預測[7–9]）計算得到附近的極化率值。

檢驗的具體步驟為：首先利用Beasy軟件計算了隔離電阻為0時的電場值，而后采用第2節中的計算方法，估算出規定電場值條件下的最小隔離電阻值，最后將隔離電阻值代入Beasy軟件，計算增加隔離電阻后的電場值，并與規定電場值進行比較。

表1 潛艇未覆瓦部分金屬材料的尺寸Tab. 1 The size of metal materials uncovered anechoic tile part of submarine

圖3 材料的極化曲線Fig. 3 Polarization curve of material

3.1 算例1

當指揮圍殼、通海閥、尾舵、前舵材料為涂層鋼，螺旋槳為鎳鋁青銅時，利用Beasy軟件對無隔離電阻、自然腐蝕時的電化學系統進行建模，艇體正下方3 m的電位信號如圖4所示，電位的峰-峰值為6.03 mV。

圖4 自然腐蝕時艇體正下方3 m的電位信號Fig. 4 The potential signal 3 meters below the submarine on the condition of natural corrosion

計算得到涂層鋼板、鎳鋁青銅材料的平均電位值分別為–446 mV，–402 mV，根據平均電位值估算出涂層鋼板陽極極化率和涂層電阻率和為螺旋槳材料陰極極化率和涂層電阻率的和

為了保證艇體正下方3 m處的電位峰-峰值不超過1 mV。船體雖然有絕緣層，但是金屬材料僅為2種，采用第2.1節中計算得到的隔離電阻的最小值將計算得到的電阻值代入至Beasy軟件，計算得到艇體正下方3 m的電位信號如圖5所示，其電位的峰-峰值為0.987 mV，小于規定值1 mV。

圖5 增加隔離電阻時艇體正下方3 m的電位信號Fig. 5 The potential signal 3 meters below the submarine when the isolation resistance was added

3.2 算例2

當指揮圍殼、尾舵、前舵為涂層鋼、螺旋槳為鎳鋁青銅，通海閥為海軍黃銅時，利用Beasy軟件對無隔離電阻、自然腐蝕時的電化學系統進行建模，艇體正下方3 m的電位信號如圖6所示，其峰-峰值為27.44 mV。

圖6 自然腐蝕時艇體正下方3 m的電位信號Fig. 6 The potential signal 3 meters below the submarine on the condition of natural corrosion

計算得到涂層鋼板、鎳鋁青銅、海軍黃銅材料的平均電位值分別為–356 mV，–350 mV，–254 mV，根據材料的極化曲線得到各個材料的極化率如表2所示。

表2 材料的極化率

為了保證艇體正下方3 m處的電位峰-峰值不超過2 mV，采用第3.2節中計算得到的涂層鋼板、鎳鋁青銅、海軍黃銅的隔離電阻的最小值分別為：將上述隔離電阻值代入Beasy軟件，計算得到的艇體正下方3 m的電位信號如圖7所示，其電位的峰-峰值為1.44 mV，小于規定值2 mV。

圖7 增加隔離電阻時艇體正下方3 m的電位信號Fig. 7 The potential signal 3 meters below the submarine when the isolation resistance was added

4 結 語

為了估算水下某一深度目標電位峰-峰值要求時船體異種金屬之間允許的最小隔離電阻值，利用點電極模型建立了腐蝕電流、隔離電阻值、水下電位在非絕緣船體和絕緣船體條件下的關系，并利用Beasy軟件進行檢驗，結果表明，所提方法能夠準確預測最小隔離電阻值。