海洋環(huán)境對(duì)潛艇陰極保護(hù)和水下腐蝕靜電場(chǎng)的影響

劉春陽(yáng)，王建山，趙玉龍

海洋環(huán)境對(duì)潛艇陰極保護(hù)和水下腐蝕靜電場(chǎng)的影響

劉春陽(yáng)，王建山，趙玉龍

（國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，武漢 430014）

潛艇陰極保護(hù)效果和水下腐蝕靜電場(chǎng)分布會(huì)隨著海水電導(dǎo)率、海床電導(dǎo)率和海水深度等海洋環(huán)境的變化而改變。采用有限元法建立潛艇外加電流陰極保護(hù)下的水下腐蝕靜電場(chǎng)模型，求解不同海水電導(dǎo)率、海床電導(dǎo)率和海水深度等海洋環(huán)境因素下潛艇表面電位、陽(yáng)極輸出電流和水下電場(chǎng)分布。結(jié)果表明：陽(yáng)極保護(hù)電流隨著海水電導(dǎo)率的增大而顯著增大，而海床電導(dǎo)率和海水深度對(duì)陽(yáng)極保護(hù)電流影響較小；水下電場(chǎng)峰值隨著海水電導(dǎo)率、海床電導(dǎo)率和海水深度的增大而減小。

海洋環(huán)境 潛艇 陰極保護(hù) 腐蝕靜電場(chǎng) 有限元

0 引言

海水含有大量各種離子，是一種強(qiáng)電解質(zhì)，具有強(qiáng)烈的腐蝕性，而潛艇結(jié)構(gòu)部件為各種合金，在海水中會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。為了防止?jié)撏Ы饘俳Y(jié)構(gòu)腐蝕，通常采用陰極保護(hù)和防腐涂層進(jìn)行腐蝕防護(hù)，潛艇金屬結(jié)構(gòu)腐蝕和防腐產(chǎn)生的電流在海水中產(chǎn)生水下腐蝕電場(chǎng)[1-3]。潛艇水下腐蝕電場(chǎng)是一種重要的潛艇物理場(chǎng)，不僅可用于對(duì)潛艇進(jìn)行跟蹤和定位，還可作為水雷等水中武器的引信。研究潛艇水下腐蝕電場(chǎng)特性，預(yù)測(cè)腐蝕相關(guān)電場(chǎng)分布，有利于在潛艇設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中對(duì)腐蝕電場(chǎng)進(jìn)行控制、削弱、甚至消除，對(duì)降低潛艇被電場(chǎng)引信武器攻擊可能性，提高潛艇在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的生存能力，更好的發(fā)揮作戰(zhàn)效能具有重要的意義[4-6]。

潛艇水下腐蝕電場(chǎng)與海水電導(dǎo)率、海水深度、海床電導(dǎo)率等海洋環(huán)境密切相關(guān)。文獻(xiàn)[7-8]基于電偶極子和時(shí)諧偶極子模型研究了海水電導(dǎo)率和海床電導(dǎo)率對(duì)艦船水下靜電場(chǎng)和軸頻電場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[9-10]基于電偶極子模型研究了海床坡度和岸壁對(duì)艦船水下電場(chǎng)的影響。基于電偶極子模型分析海洋環(huán)境對(duì)艦船電場(chǎng)的影響雖然計(jì)算量少，但都是將艦船腐蝕和防腐電流視為恒量，且忽略了潛艇的形狀，而實(shí)際情況中艦船經(jīng)常采用外加電流陰極保護(hù)ICCP系統(tǒng)進(jìn)行腐蝕防護(hù)，隨著海洋環(huán)境的變化，腐蝕和防腐電流往往會(huì)發(fā)生變化。

本文利用商業(yè)有限元軟件COMSOL建立潛艇水下腐蝕靜電場(chǎng)仿真模型，考慮海洋環(huán)境變化導(dǎo)致外加電流陰極保護(hù)電流的變化，研究外加電流陰極保護(hù)狀態(tài)下海水電導(dǎo)率、海床電導(dǎo)率和海水深度對(duì)潛艇陰極保護(hù)和水下腐蝕靜電場(chǎng)影響。

1 潛艇腐蝕靜電場(chǎng)建模

當(dāng)潛艇航行狀態(tài)和周圍海洋環(huán)境無(wú)劇烈變化時(shí)，潛艇腐蝕和防腐電流近似恒定，可認(rèn)為腐蝕電場(chǎng)

距離船體足夠遠(yuǎn)處海水區(qū)域，即艦船腐蝕電場(chǎng)物理模型的外邊界，電流密度為0。

因此，淺海環(huán)境下潛艇腐蝕電場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型如方程（12）所示。

2 潛艇模型參數(shù)設(shè)置

如圖1所示，以海平面為XOY平面，以艇首在XOY的投影為原點(diǎn)，X軸正方向由艇首指向艇尾，Y軸正方向由右舷指向左舷，Z軸正方向垂直向下。采用COMSOL建立潛艇水下腐蝕電場(chǎng)模型，潛艇模型包括艇殼、指揮圍殼、尾舵、艇軸和螺旋槳，潛艇中前部和中后部各有一對(duì)輔助陽(yáng)極，參比電極位于潛艇中后部。潛艇下潛深度25 m，艇殼覆蓋防腐涂層，涂層完好，采用絕緣邊界條件，艇軸和螺旋槳裸露，材料分別為625合金和鎳鋁青銅。潛艇周圍外包兩個(gè)大長(zhǎng)方體分別表示海水和海床區(qū)域。為了減少邊界對(duì)水下電場(chǎng)分布的影響，在海水區(qū)域和海床區(qū)域無(wú)窮遠(yuǎn)邊界采用無(wú)限域邊界條件。

采用自由四面體對(duì)三維潛艇仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，在螺旋槳和輔助陽(yáng)極附近采用更細(xì)的網(wǎng)格剖分，潛艇表面網(wǎng)格剖分如圖2所示。

圖1 潛艇三維仿真模型

艇殼涂層完好率100%，采用絕緣邊界條件，大軸和螺旋槳裸露，電極表面邊界條件表示。大軸和螺旋槳電極表面的部分電化學(xué)參數(shù)[11]列于表1。

表1 大軸和螺旋槳部分電化學(xué)參數(shù)

潛艇使用外加電流陰極保護(hù)，采用恒電位條件，使?jié)撏П砻骐娢幌鄬?duì)于Ag/AgCl參比電極的電位值為-850 mV，以使艇殼處于較好的被保護(hù)狀態(tài)，所需陽(yáng)極輸出電流由COMSOL軟件根據(jù)潛艇所處海洋環(huán)境計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 海水電導(dǎo)率的影響

海水深度40 m，海床電導(dǎo)率0.1 S/m保持不變，采用COMSOL二次電流模塊進(jìn)行參數(shù)掃描，設(shè)定海水電導(dǎo)率為2～6 S/m，掃描間隔1 S/m，對(duì)不同海水電導(dǎo)率下潛艇表面電位和水下靜電場(chǎng)進(jìn)行求解，分析海水電導(dǎo)率對(duì)潛艇陰極保護(hù)和水下靜電場(chǎng)的影響。

3.1.1 對(duì)陰極保護(hù)的影響

不同海水電導(dǎo)率下陽(yáng)極輸出總電流如表2所示，由表可知2，隨著電導(dǎo)率增大，陽(yáng)極輸出總電流增大，海水電導(dǎo)率為2 S/m時(shí)，陽(yáng)極輸出電流為11.94 A，而海水電導(dǎo)率增大到6 S/m時(shí)，陽(yáng)極輸出電流增大到30.47 A。海水電導(dǎo)率增大3倍，陽(yáng)極輸出電流增大2.56倍，說(shuō)明海水電導(dǎo)率對(duì)陽(yáng)極輸出電流影響較大，利用電偶極子模型分析海水電導(dǎo)率對(duì)艦船電場(chǎng)分布的影響時(shí)必須考慮等效偶極子強(qiáng)度的變化。

表2 不同海水電導(dǎo)率下陽(yáng)極輸出電流

海水電導(dǎo)率分別為2 S/m、4 S/m和6 S/m時(shí)潛艇表面電位分布圖如圖3所示，右側(cè)數(shù)值為艇體電極電位，單位V。由圖3可知，在3種海水電導(dǎo)率下，除了陽(yáng)極附近外，艇殼表面電極電位均處于-800～-1200 mV，即均具有較好的防腐效果，螺旋槳和大軸的電位在-0.6～-0.4 V之間，也處于較好的防腐效果。

圖3 潛艇表面電位

3.1.2 對(duì)水下電場(chǎng)的影響

為了進(jìn)一步直觀觀察，以潛艇左側(cè)1倍艇寬的測(cè)量路徑為例，其電場(chǎng)分布曲線如圖5所示，直觀分析海水電導(dǎo)率對(duì)潛艇水下靜電場(chǎng)的影響。

圖5可知，海水電導(dǎo)率分別為2 S/m、4 S/m和6 S/m時(shí)，電場(chǎng)曲線分布規(guī)律基本相同，在螺旋槳附近位置出現(xiàn)最大值，隨著海水電導(dǎo)率的增大，電場(chǎng)峰值減小。海水電導(dǎo)率由2 S/m增大至6 S/m時(shí)，增大了3倍，電場(chǎng)峰值增大約13.1%。

圖5 不同海水電導(dǎo)率電場(chǎng)分布曲線

圖6 參比電極處電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度

圖6為參比電極處點(diǎn)電場(chǎng)值和電流密度隨海水電導(dǎo)率的變化曲線。由圖6可知，隨著海水電導(dǎo)率的增大，參比電極處海水電流密度增大，但電場(chǎng)值減小。這是由于海水電導(dǎo)率增大，陰極保護(hù)電流增大，因此海水電流密度增大。但由于電流密度增大倍率小于電導(dǎo)率增大倍數(shù)，因此電導(dǎo)率的增大導(dǎo)致潛艇水下靜電場(chǎng)減小。

3.2 海床電導(dǎo)率的影響

海水深度40 m，海水電導(dǎo)率4S/m保持不變，采用COMSOL二次電流模塊進(jìn)行參數(shù)掃描，設(shè)定海床電導(dǎo)率分別為0.01 S/m、0.1 S/m、1 S/m、2 S/m和3 S/m，對(duì)不同海床電導(dǎo)率下潛艇表面電位和水下靜電場(chǎng)進(jìn)行求解，分析海床電導(dǎo)率對(duì)潛艇陰極保護(hù)和水下靜電場(chǎng)的影響。

3.2.1 對(duì)陰極保護(hù)的影響

不同海床電導(dǎo)率下陽(yáng)極輸出總電流如表3所示。由表可知3，隨著海床電導(dǎo)率增大，陽(yáng)極輸出總電流略微增大，海床電導(dǎo)率為0.01 S/m時(shí)，陽(yáng)極輸出電流為21.69 A，而海床電導(dǎo)率增大到3 S/m時(shí)，陽(yáng)極輸出電流也僅增大到22.16 A。海床電導(dǎo)率增大300倍，陽(yáng)極輸出電流僅增大2.2%，說(shuō)明海床電導(dǎo)率對(duì)陽(yáng)極輸出電流影響較小，基本可以忽略。

表3 不同海床電導(dǎo)率下陽(yáng)極輸出電流

3.2.2 對(duì)水下電場(chǎng)的影響

圖7 不同海床電導(dǎo)率電場(chǎng)分布曲線

由圖7可知，不同海床電導(dǎo)率電場(chǎng)曲線分布規(guī)律基本相同，在陽(yáng)極和螺旋槳附近出現(xiàn)峰值，在螺旋槳附近出現(xiàn)最大值，隨著海床電導(dǎo)率的增大，電場(chǎng)模幅值最大值變小。海床電導(dǎo)率由0.01 S/m增大至0.1 S/m時(shí)，增大了10倍，電場(chǎng)值基本不變；而當(dāng)海床電導(dǎo)率由0.1 S/m增大至1 S/m、1 S/m增大至2 S/m和2 S/m增大至3 S/m時(shí)，電導(dǎo)率增大約1 S/m，電場(chǎng)峰值分別減小約14.3%、14.3%和11.1%，說(shuō)明電場(chǎng)值主要受海床電導(dǎo)率絕對(duì)值變化的影響。

3.3 海水深度深度的影響

海水電導(dǎo)率4 S/m，海床電導(dǎo)率0.1 S/m保持不變，通過(guò)改變海水域長(zhǎng)方體高度模擬不同海水深度，對(duì)不同海水深度電導(dǎo)率下潛艇表面電位和水下靜電場(chǎng)進(jìn)行求解，分析海水深度對(duì)潛艇陰極保護(hù)和水下靜電場(chǎng)的影響。

3.3.1 對(duì)陰極保護(hù)的影響

不同海水深度下陽(yáng)極輸出總電流如表4所示，由表可知4，隨著海水深度增大，陽(yáng)極輸出總電流略微增大，海水深度為40 m時(shí)，陽(yáng)極輸出電流為21.71 A，而海水深度增大到150 m時(shí)，陽(yáng)極輸出電流也僅增大到22.23 A。海水深度增大了3.75倍，陽(yáng)極輸出電流增大2.4%，說(shuō)明海水深度對(duì)陽(yáng)極輸出電流影響較小，基本可以忽略。

表4 不同海水深度下陽(yáng)極輸出電流

3.3.2 對(duì)水下電場(chǎng)的影響

圖8 不同海水深度電場(chǎng)分布曲線

由圖8可知，隨著海水深度的增大，電場(chǎng)峰值減小，且當(dāng)水深由40 m增大至50 m時(shí)電場(chǎng)變化劇烈，減小約32.7%；當(dāng)水深大于60 m后，電場(chǎng)曲線分布規(guī)律隨海水深度的變化較小，主要在螺旋槳附近發(fā)生變化；當(dāng)海水深度大于100 m時(shí)，電場(chǎng)分布曲線基本不變，此時(shí)可以等效為深海模型。

4 結(jié)論

利用有限元法建立外加電流陰極保護(hù)潛艇水下腐蝕靜電場(chǎng)模型，分析海水電導(dǎo)率、海床電導(dǎo)率、海水深度對(duì)陰極保護(hù)和水下腐蝕靜電場(chǎng)的影響，結(jié)果表明：

1）海水電導(dǎo)率對(duì)潛艇陰極保護(hù)的影響較大，海床電導(dǎo)率和海水深度對(duì)陰極保護(hù)的影響較小。海水電導(dǎo)率增大3倍時(shí)，陽(yáng)極輸出電流增大約2.75倍。海床電導(dǎo)率和海水深度的變化導(dǎo)致陽(yáng)極輸出電流的變化小于2.5%，在工程實(shí)際中可以忽略。

2）隨著海水電導(dǎo)率、海床電導(dǎo)率和海水深度的增大，潛艇水下腐蝕靜電場(chǎng)減小。海水電導(dǎo)率增大3倍時(shí)，水下腐蝕靜電場(chǎng)峰值增大約13.1%；水下腐蝕靜電場(chǎng)主要受海床電導(dǎo)率增大絕對(duì)值的影響；當(dāng)海底與電場(chǎng)測(cè)量平面的距離大于60 m時(shí)，可忽略海水-海床界面對(duì)水下腐蝕靜電場(chǎng)的影響。

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Effects of marine environment on cathodic protection and underwater corrosion electrostatic field of submarine

Liu Chunyang, Wang Jianshan, Zhaou Yulong

(College of Information and Communication, National University of Defense Technology, Wuhan 430014, China)

O411.1

A

1003-4862(2022)06-0056-06

2021-09-30

劉春陽(yáng)，男，助教。研究方向：海軍通信技術(shù)、軍兵種信息通信保障。E-mail: 1005253809@qq.com