艦船外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)修理和改進(jìn)

王百戰(zhàn)

(4808工廠，山東青島 266001)

船體腐蝕主要原因是電化學(xué)腐蝕。陰極保護(hù)就是向被保護(hù)的船體施加電流，使被保護(hù)的船體變成陰極并且產(chǎn)生陰極極化，避免其與海水中的呈負(fù)離子狀態(tài)的溶解氧離子結(jié)合，抑制了腐蝕，船體從而得到保護(hù)。當(dāng)被保護(hù)船體達(dá)到一定的電位范圍時，便處于保護(hù)狀態(tài)。陰極保護(hù)方法有兩種:犧牲陽極法和外加電流法。目前大中型艦船普遍采用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的方法。在此僅討論外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)在修理中遇到的有關(guān)問題。

1 參比電極性能與恒電位儀輸入阻抗的探討

參比電極的作用是測量船體電位和輸出電位控制信號，在修理中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)由于參比電極失效造成系統(tǒng)不能正常工作。

船用銀/氯化銀參比電極的正常使用壽命一般為6～10年，由于各種原因損壞，常常達(dá)不到壽命年限。引起參比電極失效，通常有如下原因。

1)某艦由于恒電位儀中的控制電路板上，運(yùn)放電壓跟隨器電路 (型號FC72)損壞，此運(yùn)放的同相輸入端連接在恒電位儀的參比電極輸入端，使參比電極的負(fù)載能力下降，引起參比電極失效。

2)參比電極由于密封不嚴(yán)或者密封損壞，使得參比電極受潮，引起輸出短路失效。

3)參比電極的電極芯是封裝在尼龍?zhí)字?，由于生產(chǎn)時所采用的材料型號的問題，使尼龍材料的吸水率高，其絕緣性能降低。

4)某艦換裝新恒電位儀，由于恒電位儀電路的設(shè)計問題，引起電位測量輸入端阻抗偏低，造成船上的參比電極損壞。

在上述幾例中參比電極的主要失效原因是輸出信號短路，引起參比電極的電化學(xué)性能變化而損壞。

參比電極能夠用來測量船體電位是由銀/氯化銀參比電極的電化學(xué)性能所決定，在電路設(shè)計使用中必須考慮它的電氣性能。參比電極輸出電流的能力很弱，也就是說輸出內(nèi)阻較高。參比電極的輸出阻抗是隨著使用時間變化的，其電化學(xué)性能逐漸老化，輸出阻抗逐漸增大，直到失效。

某艦換裝新恒電位儀之后不久，發(fā)現(xiàn)船上的3個參比電極都不正常，且電位明顯偏低。如果將其與恒電位儀斷開，電位能夠緩慢回升。當(dāng)經(jīng)開關(guān)接通某一參比電極，經(jīng)過一天再觀察就會發(fā)現(xiàn)電位幅值有一定的下降。3個參比電極是通過恒電位儀的“參比選擇開關(guān)”連接到電壓跟隨器運(yùn)放LM358上。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，懷疑運(yùn)放電路損壞，更換了運(yùn)放集成電路，可是故障依舊。

經(jīng)過測量恒電位儀的輸入阻抗為4 MΩ，是否因這個輸入阻抗值引起參比電極損壞呢?由分析可知，運(yùn)放組成的電壓跟隨器電路的輸入電阻很高，可以認(rèn)為等于∞。而且斷開運(yùn)放電路后，測量還是4 MΩ。由此可知，故障不在這里?？隙ㄊ谴嬖谝惶幾杩篂? MΩ的電路。沿著線路逐一檢查，終于發(fā)現(xiàn)在運(yùn)放輸入端并聯(lián)了一個電路，它的阻抗為4 MΩ。將此電路斷開，排除了故障。

此恒電位儀是新裝設(shè)備，為此廠家修過多次，都沒修好。排除故障后，將此情況通報廠家并指出:故障原因是恒電位儀的輸入阻抗低?？墒菑S家說:恒電位儀的輸入阻抗4 MΩ是符合《船用恒電位儀》標(biāo)準(zhǔn)中“輸入阻抗≥1 MΩ”的。通過與廠家進(jìn)一步探討分析故障原因，他們也認(rèn)同了是由于輸入阻抗偏低造成的。

那么恒電位儀的輸入阻抗究竟應(yīng)該在什么范圍?參比電極通過測量控制電路再通過儀表指示出船體電位，并作為控制信號，對恒電位儀進(jìn)行自動控制。參比電極測量信號連接到測量控制電路的輸入端。這就存在前后級電路阻抗匹配的問題。根據(jù)工作原理，測控電路的輸入端要從參比電極中吸取電流并消耗能量，這個電流就要在前級和后級電路中的阻抗上產(chǎn)生壓降，使得測量值電壓小于零電流輸出電壓值，從而引起測量誤差。另一方面，如果測控電路的輸入阻抗較小，就會從前級的參比電極吸取較多的電流，超出了其輸出電流的能力，就使其電化學(xué)性能變差而損壞。

由于參比電極的輸出阻抗較高，為了減少測量誤差，所以恒電位儀的輸入電路都是采用了運(yùn)放電壓跟隨器電路，由于電路中采用了深度負(fù)反饋，使得其輸入阻抗很高，輸入阻抗一般可達(dá)到103～106 MΩ，此數(shù)值遠(yuǎn)高于參比電極的輸出阻抗，是完全滿足要求的。

在恒電位儀電路設(shè)計中，在設(shè)備的測量和控制電路中，在運(yùn)放的輸入端與地之間并聯(lián)一個10～20 MΩ的電阻，恒電位儀的輸入電阻主要由此決定。這個并聯(lián)電阻在設(shè)計中是為了考慮電路的穩(wěn)定性而設(shè)置的。在實(shí)際電路中，經(jīng)過多次試驗(yàn)，取消這個電阻對電路沒有明顯影響。即使保留此電阻，在實(shí)際電路中這個電阻不能小于10 MΩ。

綜上所述，可以得知在標(biāo)準(zhǔn)CB 3220－1984《船用恒電位儀》中“輸入阻抗≥1 MΩ”是偏低的。所以建議在以后修訂標(biāo)準(zhǔn)時將CB 3220－1984《船用恒電位儀》中的上述內(nèi)容改為“恒電位儀的輸入阻抗≥10 MΩ”。

如果遇到參比電極損壞的情況，必須要查明失效原因，排除故障，然后再更換。由于更換參比電極是在塢內(nèi)施工，如果沒查明原因匆忙更換，待船出塢后還會損壞，那時就不可能再進(jìn)塢修理了。

2 對陰極保護(hù)系統(tǒng)各部分的設(shè)計和修理的探討

陰極保護(hù)系統(tǒng)由恒電位儀、輔助陽極、陽極屏蔽層、參比電極、軸接地和舵接地裝置等組成，分布于船體不同的位置。

1)參比電極。

(1)參比電極電極芯一般為粉壓型圓柱體結(jié)構(gòu)，為了提高參比電極測量信號的輸出能力，降低輸出內(nèi)阻，在設(shè)計時，適當(dāng)增加電極芯的體積，使其與海水接觸的工作表面大一些，以提高負(fù)載性能和使用壽命。

(2)根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，對參比電極結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，使得艦船每次進(jìn)塢修理時，都可以在船體外將其拆開，對工作表面清潔處理，使其性能得到恢復(fù)，延長了壽命，這種可維護(hù)的結(jié)構(gòu)可以推廣。

(3)參比電極使用較長時間后，由于封裝的樹脂老化，其與尼龍外殼的結(jié)合部位會產(chǎn)生老化裂紋，產(chǎn)生海水滲漏現(xiàn)象，影響使用壽命，是否可以從結(jié)構(gòu)和材料上改進(jìn)。所用的尼龍必須是低吸水率材料。

2)輔助陽極。

目前多數(shù)采用長條形結(jié)構(gòu)和盤形結(jié)構(gòu)，其絕緣托架一般采用熱壓成型環(huán)氧玻璃鋼材料，陽極種類主要有鉑/鈦復(fù)合陽極、鉑/鈮復(fù)合陽極。其性能較好，采用冶金軋制等工藝使鉑層致密均勻與基體結(jié)合牢固，因而具有較高的可靠性。鉑復(fù)合陽極的工作電流密度大，尺寸小，重量輕，消耗速率極低，一般設(shè)計使用壽命20年。除此外還有一些其它種類，例如近幾年采用的金屬氧化物陽極，以前常用的鉛銀合金陽極等應(yīng)用在不同種類的船上。

在工作中發(fā)現(xiàn)，上世紀(jì)90年代生產(chǎn)的鉑/鈦復(fù)合陽極所采用的鉑層一般較厚，大約為幾十微米，而且鉑層的復(fù)合工藝也較好，經(jīng)過近20年的使用，在船塢中經(jīng)過處理后，仍能達(dá)到較好的性能狀態(tài)。近些年來，在陽極絕緣托架的材料方面有所改進(jìn)，提高了壽命。但是為節(jié)省材料減少了鉑層的厚度，在工藝方面采用了類似電鍍一類工藝，表面的光潔度也不如前者，感覺表面密度也有降低，厚度大約不超過10μm。經(jīng)過幾年使用，在近兩年修船時發(fā)現(xiàn)一些鉑層脫落現(xiàn)象，質(zhì)量明顯不如前者，影響了陽極的排流性能，這點(diǎn)應(yīng)該引起重視。

3)水密函進(jìn)水造成電極損壞。

輔助陽極和參比電極的水密函數(shù)量一般幾個至十幾個，分布位置各不相同，進(jìn)水有兩種情況:一是電極安裝在船艙較低的位置，船艙底經(jīng)常積水，使水密函浸在水中。盡管安裝時都要進(jìn)行水密性試驗(yàn)，但還時常發(fā)現(xiàn)水密函進(jìn)水現(xiàn)象。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在艙內(nèi)溫度變化較大的地方，水密函內(nèi)的空氣隨著溫度脹縮，使水密函內(nèi)形成負(fù)壓容易進(jìn)水。其二，有些艙內(nèi)溫度較高，船外海水溫度較低，即使周圍沒有水，也會在水密函內(nèi)凝露。所以定期維護(hù)時都要對水密函進(jìn)行檢查，并更換密封墊和做好電纜擠箍密封處理。如果設(shè)計時對經(jīng)常浸在水中的電極改進(jìn)密封設(shè)計，就會有效地避免發(fā)生水密函進(jìn)水，起到很好的效果。

4)恒電位儀和設(shè)備的可靠性。

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)要求可靠性高，通常采用的恒電位儀可分為:磁飽和式、可控硅式、大功率晶體管式、高頻開關(guān)式。目前前兩種在艦船采用較多。

(1)磁飽和式恒電位儀可靠性最高，它采用磁飽和電抗器做為輸出電流的控制單元，磁飽和電抗器是由鐵心和線圈組成，堅固耐用，性能可靠。電子電路集中在一塊電路板上，安裝、調(diào)試、維修均很方便。其缺點(diǎn)是在恒電位儀內(nèi)要多出3個磁飽和電抗器，再加上電源和控制變壓器，一共5個電感器件，都要靠手工加工，工藝要求較高，造價貴，不適應(yīng)大批量制造。磁飽和恒電位儀能承受各種惡劣的環(huán)境條件，可靠性高，因此很適用于船用陰極保護(hù)系統(tǒng)。

(2)可控硅式恒電位儀產(chǎn)品的發(fā)展經(jīng)歷了幾代機(jī)型，電路從分立元件電路到集成電路，現(xiàn)在又逐漸采用單片機(jī)可控硅觸發(fā)電路，PID控制等電路，控制精度和穩(wěn)定性較好，電路單元組件化程度高。隨著工藝技術(shù)水平的提高，電路可靠性比以前有了很大提高，適合于大批量制造，成本較低，也廣泛應(yīng)用于船用陰極保護(hù)系統(tǒng)。

陰極保護(hù)系統(tǒng)是連續(xù)工作的設(shè)備，要求系統(tǒng)可靠性高，例如恒電位儀的故障會引起系統(tǒng)工作異常，恒電位儀的零部件多，較易發(fā)生故障。例如:某艦輸出電壓和電流不穩(wěn)，儀表指針擺動沒有規(guī)律，有時還會產(chǎn)生過載保護(hù)斷電。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于面板上的開關(guān)接觸不良引起控制信號不穩(wěn)。對于面板上的開關(guān)、電位器可能產(chǎn)生觸點(diǎn)氧化接觸不良的故障，控制電路板有時也會因?yàn)樵p壞產(chǎn)生故障。建議在設(shè)計、制造工藝各環(huán)節(jié)應(yīng)引起注意，選擇元件時注重可靠性，盡量選擇船用器件，例如選擇船用萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)，船用儀表等，還要對電路板進(jìn)行老化和防潮處理。

5)減少犧牲陽極的使用。

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)相比犧牲陽極具有性能好，經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)可靠性也大為提高，不必采用雙保險的設(shè)計思路。除了在海底門等部位，減少犧牲陽極的使用，有些艦船由于犧牲陽極使用較多，在船岀塢后，即使陰極保護(hù)系統(tǒng)不開機(jī)，電位仍能超過－1.0 V。修理后開機(jī)很容易造成兩種保護(hù)的電位疊加，造成船體過保護(hù)。其一，過保護(hù)會對船體油漆造成損壞;其二，犧牲陽極采用貴金屬材料制造，減少使用可以節(jié)省可觀的費(fèi)用。

外加電流陰極保護(hù)技術(shù)是控制船體和海上工程等在海水中腐蝕的最經(jīng)濟(jì)有效的方法。陰極保護(hù)系統(tǒng)要求必須保持連續(xù)可靠地工作，尤其是在軍用艦船上要比民用船上要求高。除了設(shè)計和維修需要不斷地改進(jìn)，對于使用人員可以加強(qiáng)專業(yè)的培訓(xùn)，掌握陰極保護(hù)裝置的工作原理、操作方法，正確地維護(hù)保養(yǎng)也很重要，只有掌握好專業(yè)技術(shù)，才能有效地發(fā)揮設(shè)備性能。