船體外加電流陰極保護系統設計與應用

王金福 汪成宿 宋 航

（青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

船舶結構大多為金屬材質，金屬的腐蝕是自然界不可避免的現象，如今，陰極保護技術在船舶領域已得到了廣泛應用，明顯減輕了船舶結構的腐蝕，延長了船舶的使用壽命。船體外加電流陰極保護系統是通過外加電源，控制船體電位或電流密度使船體陰極極化而達到不受海水腐蝕的目的[1]，船舶無論在系泊、航行狀態，系統都應具有隨外界條件變化（如航速、海域、油漆破損程度等）而自動調節輸出電流，使船體始終處于最佳保護電位范圍內的功能。船體外加電流陰極保護系統主要包含：恒電位儀、輔助陽極、陽極屏蔽層、參比電極、螺旋漿軸接地、舵接地等部件。

1 系統參數計算

本文案例船舶，船體采用外加電流陰極保護系統，壓載艙、冷卻系統等部位采用犧牲陽極保護（本文不做講解）。按照GB/T 3108-1999《船體外加電流陰極保護系統》[2]進行保護電流密度的選取，船體參數、保護電流密度的選取如表1所示。

該船所需陰極保護電流：I總＝S1×i1＋S2×i2＋S3×i3＋S4×i4＝176.76A，因外加電流陰極保護系統需長期連續運行，應考慮系統裕量和冗余設計，經過綜合計算和選型，恒電位儀選用2臺120A/20V開關電源型恒電位儀，參比電極、輔助陽極參照GB/T 7387-1999《船用參比電極技術條件》[3]和GB/T 7388-1999《船用輔助陽極技術條件》[4]進行設計，系統成套表如表2所示。

表1 船體參數、保護電流密度

表2 外加電流陰極保護系統成套表

2 系統布置要求

2.1 恒電位儀

恒電位儀：將交流電轉換成低壓直流電，輸出保護電流。

恒電位儀選用2臺120A/20V開關電源型恒電位儀，其應安裝在便于操作管理的艙室，系統布置示意圖如圖1所示。

恒電位儀安裝完成后，應測量絕緣電阻（冷態），用500V兆歐表分別測量恒電位儀三相電源輸入端與機殼間的絕緣電阻，其應≥10MΩ。

2.2 輔助陽極

輔助陽極：連接恒電位儀的正極，將保護電流經過海水傳遞到船體。

輔助陽極選用8套CYB型輔助陽極，其布置在螺旋槳上方2套，艉部至舯部左、右舷各布置3套，高度在水線以下約1.5m，兩舷對稱安裝。輔助陽極外形圖如圖2所示，輔助陽極安裝示意圖如圖3所示。

輔助陽極安裝完成后，陽極體或導電桿與陽極密封填料函或水密裝置之間的絕緣電阻，在干燥狀態下應＞1MΩ。

輔助陽極安裝完畢后，對水密裝置內部充氣196kPa進行密封性能檢查，歷時15min不漏氣。

2.3 陽極屏蔽層

陽極屏蔽層：使輔助陽極的輸出電流分布到較遠的船體表面，提高保護電位分布的均勻性。

陽極屏蔽層材料選用H8702-5型環氧膩子涂料，涂敷尺寸原則是確保陽極屏蔽層邊緣處船體電位不負于船體涂層的最大保護電位，根據GB/T 3108-1999《船體外加電流陰極保護系統》附錄B2計算取整，陽極屏蔽層的尺寸為3000×2000mm，厚度由輔助陽極邊緣向外逐漸減薄，厚度0.5～3.0mm。

2.4 參比電極

參比電極：測量船體電位，將測量的船體電位反饋到恒電位儀。

參比電極選用4套CCY型參比電極，每臺恒電位儀使用兩套[5]，縱向布置于左、右舷輔助陽極中間，與輔助陽極高度一致（約水線以下1.5m）。參比電極外形圖如圖4所示，參比電極安裝示意圖如圖5所示。

參比電極安裝完成后，參比電極體或導電桿與電極密封填料函或水密裝置之間的絕緣電阻，在干燥狀態下應＞1MΩ。

參比電極安裝完畢后，對水密裝置內部充氣196kPa進行密封性能檢查，歷時15min不漏氣。

2.5 接地裝置

螺旋漿軸、舵接地：通過接地裝置使螺旋漿軸、舵柱與船體形成良好的電性連接，增加系統對螺旋漿、舵板保護的可靠性。

螺旋槳軸接地：在船艙內的螺旋槳軸上加裝銅滑環和電刷，使螺旋槳與船體保持良好的電接觸，每根軸上裝三只電刷，兩只接船體，使保護電流通過。第三只與船體絕緣安裝并連接到電位監測表，測量螺旋槳對地電位差，軸在轉動時電位差應≤100mV。

舵接地：在舵機艙內用截面積≥25m2的船用軟電纜使舵柱與船體相連，接地電阻應＜0.02Ω。

3 系統調試方法及注意事項

3.1 系統接線檢查

船體外加電流陰極保護系統接線包含：輸入電源、輔助陽極、陰極、參比電極、延伸報警信號、零位接地、機殼接地、螺旋漿軸接地、舵接地。系統接線完畢后，需對接線正確性進行檢查，應特別注意：

（1）輔助陽極和陰極切勿接反，如果接線錯誤，將會加速船體腐蝕；

（2）參比電極零位接地應單獨接地，嚴禁與陰極相連，否則將引起電位測量誤差；

（3）參比電纜屏蔽線應與零位接地相連，可有效防止參比電極信號干擾；

（4）恒電位儀機殼必須良好接地。

3.2 自動工況調試（恒電位工作模式）

（1）用萬用表AC 750V檔測量恒電位儀的輸入電源是否正常；

（2）恒電位儀開機，設定為恒電位工作模式；

（3）選擇其中一只參比電極為參考參比電極（自動工況電位數據反饋）；

（4）設定電位為-0.80～-1.00V（2臺恒電位儀的設定電位值保持應一致，且同步運行），觀察各參比電極的測量電位、總輸出電流、各輔助陽極電流、輸出電壓；

（5）船舶無論在系泊或航行狀態，恒電位儀的恒定電位應該保持不變（控制誤差±20mV），其它數據在額定值范圍內變化為正常現象。自動工況運行數據如表3、表4所示。

3.3 手動工況調試（恒電流工作模式）

（1）用萬用表AC 750V檔測量恒電位儀的輸入電源是否正常；

（2）恒電位儀開機，設定為恒電流工作模式；

（3）設定恒電流在合適值（測量電位應在－0.80～－1.00V之間）；

（4）觀察各參比電極的測量電位、總輸出電流、各輔助陽極電流、輸出電壓；

（5）恒電流工作模式，總輸出電流應該保持不變，其它數據在額定值范圍內變化為正常現象；應注意觀察各參比電極的測量電位，如測量電位超出額定值范圍，應適當調整恒電流的設定值，以保證測量電位在-0.80～-1.00V之間。

表3 自動工況運行數據（恒電位儀1）

表4 自動工況運行數據（恒電位儀2）

表5 船體自然電位記錄表（未通電）

表6 自動工況船體電位記錄表

3.4 船體保護電位測量

外加電流陰極保護系統運行在自動工況下，在船舷兩側從前至后各均取5個測量點，用萬用表DC 2V檔及便攜式參比電極在測量點處測量保護電位值，萬用表紅表筆接船體、黑表筆接參比電極，船體保護電位應在-0.80～-1.00V之間（相對于銀/氯化銀參比電極）。本文船體電位使用便攜式銅/飽和硫酸銅參比電極測量，系統通電前船體電位如表5所示，自動工況船體電位如表6所示。

3.5 注意事項

（1）系統通電調試前應先檢查各部件的接線情況，確保滿足通電要求再對設備進行通電，以免因接線錯誤等原因對系統造成損壞；

（2）船體外加電流陰極保護系統通常運行于自動工況，手動工況主要應用于自動工況出現故障、參比電極出現故障、船體有焊接作業等情況；

（3）船舶進干塢或淡水區域應將系統關閉；

（4）為延長船舶的使用壽命，無特殊情況陰極保護系統應持續運行，且船體電位相對于銀/氯化銀參比電極應在-0.80～-1.00V范圍內。船舶停泊時，可用便攜式參比電極測量船體電位的分布情況，以便更好的調整系統工作在最佳保護電位范圍內[6]。

4 結語

GB/T 3108-1999《船體外加電流陰極保護系統》規定，在海水中船體鋼板的保護電位范圍相對于銀/氯化銀參比電極應達到-0.80～-1.00V，特殊情況下，當陽極布置位置受到限制時，保護電位范圍可為-0.75～-1.00V。該船外加電流陰極保護系統調試完成、投入運行后，船體保護電位滿足設計和實際使用要求，達到了陰極保護效果，可以有效預防船體腐蝕，延長船舶的使用壽命。