艦船水下靜電場防護因素的仿真分析研究

張濟平，柳 懿，王向軍

艦船水下靜電場防護因素的仿真分析研究

張濟平，柳 懿，王向軍

（海軍工程大學電氣工程學院，湖北武漢 430033）

艦船的靜電場防護直接影響艦船在作戰時的隱身性能。本文重點分析了影響艦船水下靜電場防護的主要因素，采用邊界元法建立某潛艇腐蝕靜電場模型和外加補償電流后的防護電場模型，研究了不同補償電極位置、不同的補償電流接地點位置及補償電流和腐蝕電流比值系數變化對艦船靜電場防護效果的影響。結果表明，補償電極位置越靠近螺旋槳，以及補償電流接地點位置越靠近船體破損點（陽極），艦船水下靜電場防護效果越好，防護效果最好時的比值系數K 值的范圍為（1~1.25）。

艦船靜電場防護 補償電極位置 接地點位置 比值系數K值

0 引言

海水的強腐蝕性和強導電性使得很多海洋工程受到嚴重的腐蝕。艦船上不同部件是由不同的金屬材料構成，不同金屬在海水電解質中化學性質的不同，產生了不同的穩定電極電位，導致船體表面上電位分布不同，不同電位的金屬之間發生電連接，腐蝕就隨著產生。當艦船處于海水環境中時，由于其鋼制的船殼和銅制的螺旋槳存在電位差，再經由海水、大軸，艦船內部的一些器件及機械線路形成電氣導通的狀態。在海水中，可以將其看作是一個宏觀復雜的腐蝕電池，腐蝕電流從船殼出發，經海水流經螺旋槳，再通過大軸和船內的機械設備及線路回到船殼，形成完整的腐蝕電流回路，從而形成具有一定電場強度的艦船水下靜電場。最新的研究表明，腐蝕電場已成為新型水雷武器對海上艦船發起進攻的信號源。因此，為了保障海軍艦船、艦艇的作戰能力，必須提高其生存力，對其腐蝕過程中產生的電場進行抑制或者消除。目前，降低艦船水下靜電場最直接有效的辦法就是外加電流補償方法。

基于外加電流補償的艦船水下靜電場防護方法是通過在艦船上安裝補償電極，通過補償電極發出補償電流，而補償電流的方向與艦船腐蝕電流的方向相反，大小近似相等，從而在海水中產生與腐蝕電場大小接近，方向相反的電場，最終來降低海水中的艦船水下靜電場。實際上就是通過補償電極不斷向海水中輸出電流，使得船殼表面的電位趨近于自平衡電位。通過材料的極化曲線可以發現，材料的自平衡電位附件，此時材料表面的電流密度最小。實際操作時，根據所測的艦船大軸電流的大小（代表腐蝕電流），輸出一定的補償電流來減小艦船周圍水下靜電場。因此，影響艦船水下靜電場防護效果的因素有補償電流和大軸電流的比值（K 值）、補償電極輸出電流位置的變化和補償電流接地點位置的變化。

縮比模型法（Physical Scale Modeling , PSM）和邊界元法（Boundary Element Method, BEM）是研究艦船水下電場分布的主要方法。本論文將在此兩種方法基礎上加入有限元的研究方法進行仿真，并記錄每次實驗的數據進行觀察、對比、分析、總結，最終得出不同因素對艦船靜電場防護效果的影響。

1 靜電場建模

1.1 腐蝕靜電場模型建立

使用電化學模塊下的二次電流密度接口求解拉普拉斯方程（1）及靜電場基本方程（2）得到不同給定條件下的潛艇表面電位及水下電場分布，（3）式為歐姆定律：

表1 NAB和625合金電化學參數

圖1 潛艇幾何模型及網格剖分

1.2 邊界條件

邊界元法利用以下四個邊界條件求解拉普拉斯方程：

1.3 水下電場分布的仿真研究

假設海水深度為200 m，潛艇下潛深度為50 m，通過仿真得到不同條件下（K值、接地點位置、補償電極位置變化）潛艇表面電位和腐蝕電場分布，為了分析不同因素對潛艇水下靜電場防護效果的影響，分布選取Z=-10m和Y=10m的平面進行觀測。為了更直觀地分析比較電場的分布，分別在潛艇下方和潛艇右側選取一條路徑進行觀測，對其電場三分量和總電場強度進行分析。

初始條件下觀測潛艇腐蝕電場，路徑選擇潛艇正下方10米（z=-10,y=0,x=-200~200）測線上的電場三分量及總電場強度分布，如圖2所示。以及潛艇正右方10米測線（z=0,y=10,x=-200~200）上的電場三分量及總電場強度分布，如圖3所示。

圖2 Z=-10m平面電場三分量及總電場強度分布

1.4 仿真結果的分析討論

電場三分量及總電場強度在艇體附近均有較大變化，X分量關于Y=0平面對稱，最小值出現在陽極附近，在螺旋槳位置下方電場由正變為負，在陽極附近的前后兩側均出現電場分量的正峰值。Y分量關于Y=0平面反對稱分布，在左舷和右舷各出現一次最大值和一次最小值，正峰值和負峰值的大小基本相等。Z分量關于Y=0平面對稱，在縱向上有一個正峰值和一個負峰值，最大值出現在螺旋槳附近而最小值出現在艇體舯部。總電場強度關于Y=0平面對稱，且其幅值出現在螺旋槳附近區域。當測線位于潛艇正下方時，由于潛艇關于XOZ平面對稱，船體破損點（陽極）、接地點、補償電極均對稱分布于左右舷，所測Y分量電場即腐蝕電流場在龍骨上產生的橫向（Y方向）電場分量Ey的數量級大小明顯低于X，Z分量電場，且波動明顯，計算時可看作為零。同理，測線位于潛艇正右方時，電場分量Ez也出現相似情況。

綜上所述，螺旋槳和陽極（破損點）附近區域電場值產生了較大波動。原因是螺旋槳（NAB）和軸（625合金）兩種不同金屬間發生了電偶腐蝕，而船體涂有有機涂層處于絕緣狀態，陽極產生的電流全部通過海水流向螺旋槳和軸，較強的電流導致了電場的明顯波動。

圖3 Y=10m平面電場三分量及總電場強度分布

2 防護電場的建立及影響防護效果的因素分析

仿真方法設定：首先確定仿真模型中接地點和補償電極的初始位置。以距離破損點2米（沿X 軸負方向）的位置作為補償電流接地點的初始位置，以距離螺旋槳2米（沿X 軸正方向）的位置作為補償電極的初始位置。做接地點位置變化仿真時，保證補償電極位置不變，每次以1米為一個單位距離，將接地點向X 軸負方向移動（遠離破損點），每移動一次位置，找出該位置防護效果最好時對應的K 值并計算防護效果，K 值范圍（0~2），間隔0.1。做補償電極位置變化仿真時，每次以0.5米為一個單位距離，將補償電極向X 軸正方向移動（遠離螺旋槳），每移動一次補償電極的位置，重復之前的接地點位置變化仿真，記錄所有位置對應的K 值并計算防護效果。

2.1 K 值變化對靜電場防護效果的影響

K 值即為補償電流與腐蝕電流的比值。以船殼破損點為陽極，螺旋槳為陰極，給定腐蝕電流大小為3.14A，保持不變。補償電極和補償電流的接地點位于初始位置。取K 值范圍（0~2），間隔0.1。測船體正下方10米（z=-10,y=0,x=-200~200）位置的電場強度。當K 值為0時，即為原腐蝕電場，電場模值為3.0066×10-4v/m。K 值變化后，防護后電場強度變化趨勢如圖4，圖5。

圖4 K 值為（0~2）電場模值變化曲線

防護效果分析：當K 為（0~1.1）時，防護后的電場模值不斷減小，防護效果明顯。當K 為（1.1~2）時，電場的模值不減反增，說明出現了過補償的情況。為了更加精確找出靜電場防護效果最好時對應的K 值點，根據圖4的變化趨勢顯示，在K=1.1附近出現轉折點。所以重新選取K 值范圍（1~1.2），間隔0.01，重新進行電場的仿真分析。最終得出當K=1.13時水下靜電場防護效果最好，此時防護后的電場模值為0.571×10-4v/m ，防護效果達到81％。

2.2 接地點和補償電極位置變化對靜電場防護效果的影響

由于已經計算了K 值變化對應靜電場防護效果的變化，在接下來進行的仿真，只需要按照原先設定的仿真方法，進行不同位置的電場仿真分析。因為所測位置較多，數據量較大，為了方便直觀進行研究，每個位置選取防護效果最好的情況，記錄其位置，K 值和防護效果，繪制三維散點圖及曲線圖。X 軸代表接地點距離破損點的距離，Y 軸代表K 值范圍，Z 軸代表防護的效果。由于補償電極的位置變化了四次，次數相對少，故以補償電極的每個位置作一條三維曲線，如圖6。

圖5 K 值為（1~1.2）電場模值變化曲線

圖6 接地點和補償電極不同位置下靜電場防護效果圖

防護效果分析與討論：從單條曲線分析，補償電流接地點位置距離破損點變遠，潛艇的防護效果呈現明顯的下降趨勢，說明接地點距離破損點越近，防護效果越好。防護效果最好的點即接地點的最佳安裝位置就是船體等效點（陽極處）。結合五條曲線來分析，補償電極逐漸遠離螺旋槳，潛艇的整體防護效果呈現明顯的下降趨勢，說明補償電極距離螺旋槳越近，防護效果越好。而且綜合所有情況，防護效果最好時，K 值范圍（1~1.25）。

3 結論

利用邊界元法建立潛艇腐蝕電場的模型，結合有限元方法分析不同因素對潛艇水下靜電場防護效果的影響，主要結論如下：

1）初始位置時，當補償電流與腐蝕電流的比值K 在（0~1.1）時，防護效果明顯，防護后電場的模值不斷減小；當K 為（1.1~2）時，電場的模值出現不減反增情況，說明出現了過補償的情況。K 值在1.1附近出現轉折點，經過進一步仿真得到防護效果最好時K 值為1.13。而縱觀所有位置變化，防護效果最好時，K 值范圍在（1~1.25）。

2）當補償電流的接地點越接近潛艇破損點（陽極），補償電極的位置越接近螺旋槳的位置，潛艇水下靜電場的防護效果越好。

3）電場三分量和總電場強度在不同因素情況下具有相同的分布特征，電場在螺旋槳和陽極附近有較大波動。

[1] 柳懿. 艦艇水下靜電場防護關鍵技術研究[D].武漢：海軍工程大學, 2018.

[2] 陳聰. 艦船電磁場的模型研究和深度換算[D]. 武漢: 海軍工程大學, 2008.

[3] 王向軍, 柳懿, 劉德紅.基于船體-螺旋槳電位平衡的水下靜電場防護方法研究[J]. 海軍工程大學學報, 2018,30(4): 8-13.

[4] Wang Xiangjun, Liu Yi. Research on Protective Method of Ship Electrostatic Field Based on Metal Polarization Control[J]. Bulgarian Chemical Communications, 2018, 5(4): 647-654.

[5] Wang Xiangjun. Electric Field Protection Method Based on Metallic polarization[J]. REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERIA, 2017, .32 (7): 219-224.

[6] Wang Xiangjun, Liu Yi. Analysis and Simulation of the factors affecting the impressed current cathodic protection potential of the ship[C]. 2016 International Conference on Applied Mechanics, Mechanical and Materials Engineering (AMMME2016), 2016.

[7] Liu Yi, Wang Xiangjun . Study on frequency dividing method of weak acdc hybrid signal of ship’s electric field[C]. 2015 Chinese Automation Congress (CAC), 2015: 1514-1516.

[8] 魏寶明. 金屬腐蝕理論及應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 1984.

[9] 夏蘭廷, 黃桂橋, 張三平. 金屬材料的海洋腐蝕與防護[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2003.

[10] Wu J, Xing S, Liang C, et al. The influence of electrode position and output current on the corrosion related electro-magnetic field of ship[J]. Advances in Engineering Software, 2011, 42(10): 902-909.

Simulation Analysis of Protective Factors of Submarine Electrostatic Field of Ships

Zhang Jiping, Liu Yi, Wang Xiangjun

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033,China)

TN95

A

1003-4862（2019）12-0050-05

2019-06-17

張濟平(1993-)，男，研究生。研究方向：電磁環境與防護。E-mail: 2245113649@qq.com