船舶腐蝕相關(guān)電磁場特征仿真研究

陸璐，邢少華，閆永貴，吳建華

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護國防科技重點實驗室，山東 青島 266101）

船舶在海水中航行，船體不可避免地會受到海水腐蝕，特別是螺旋槳和船體間的電偶腐蝕會明顯加速船體的腐蝕速度。為保護船體免受海水腐蝕，普遍采用涂層聯(lián)合陰極保護的方式對船體實施保護，陰極保護又分為外加電流保護和犧牲陽極保護。腐蝕或陰極保護電流在流經(jīng)的海水中建立了電場，穩(wěn)態(tài)的電場可以感應(yīng)穩(wěn)態(tài)的磁場，交變的電場感應(yīng)交變的磁場[1]。因此，腐蝕或陰極保護會在船舶周圍產(chǎn)生電磁場，稱之為腐蝕相關(guān)電磁場。腐蝕相關(guān)電磁場主要包括軸頻電磁場、工頻電磁場、穩(wěn)恒電場和腐蝕相關(guān)磁場。

腐蝕相關(guān)電磁場是船舶電磁場的主要組成部分。近幾十年，隨著船舶消聲技術(shù)的提高和電磁場探測技術(shù)的發(fā)展，腐蝕相關(guān)電磁場成為船舶定位的重要信號源[2－3]，因此研究不同保護狀態(tài)下腐蝕相關(guān)電磁場的特征具有重要意義。研究[4－6]表明，船舶采用外加電流保護時，穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場特征與輔助陽極的安裝位置密切相關(guān)。無陰極保護狀態(tài)和犧牲陽極保護狀態(tài)下，穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場特征鮮見報道。

以某型船舶為研究對象，采用邊界元法對比研究船體無陰極保護、外加電流保護和犧牲陽極保護時的穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場特征，為穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場控制研究提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 仿真模型

以某船為研究對象，根據(jù)該船的型值表建立的外加電流陰極保護系統(tǒng)邊界元模型如圖1a所示，犧牲陽極保護模型如圖1b所示。定義船身方向為x方向，船艏至船艉方向為正方向；垂直于船身方向為y方向；垂直于海平面方向為z 方向，指向海底方向為正方向。外加電流保護系統(tǒng)為單區(qū)四輔助陽極保護系統(tǒng)，其中2 組輔助陽極對稱安裝于x=71 m 和x=116 m 處，參比電極安裝于x=92 m 處。犧牲陽極保護系統(tǒng)由50 塊400 mm×100 mm×35 mm 的Al-Zn-In 系犧牲陽極組成。船體涂覆防腐防污涂層，而軸和螺旋槳由于旋轉(zhuǎn)引起的湍流作用在建模過程中被視為無涂層保護。假設(shè)距離船舶20 倍船舶長度處為無窮邊界，即法向電流密度為0，海平面處法向電流密度同樣為0。

圖1 船舶數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical model of ship

1.2 邊界條件

圖2 數(shù)值仿真邊界條件Fig.2 Boundary condition of numerical simulation

船舶陰極保護電位和腐蝕相關(guān)電磁場分布模擬仿真的邊界條件如圖2 所示。圖2 的曲線由電化學(xué)工作站PAR2273 測得，測試過程中采用三電極體系：參比電極為飽和甘汞電極；輔助電極為鉑鈮絲電極；船體極化曲線測試工作電極為帶涂層的低碳鋼，工作面積為15 cm2，軸、螺旋槳和犧牲陽極極化曲線測試工作電極分別為低碳鋼、鎳鋁青銅和Al-Zn-In系犧牲陽極，工作面積都為1 cm2。電位仿真過程中將圖2a 中船體極化曲線作為船體電位計算的已知條件，圖2a中軸極化曲線作為軸電位計算的已知條件，圖2b的曲線作為螺旋槳電位計算的已知條件，圖2c的曲線作為犧牲陽極輸出電流量的已知條件。在距離船體中線橫向10 m 和水下5 m 處沿船身方向間隔0.5 m 插入內(nèi)點，計算由腐蝕或陰極保護導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場強度，內(nèi)點起點為（-150，10，5），終點為（250，10，5），共插入801個點。

2 仿真結(jié)果

2.1 電位分布仿真結(jié)果

無陰極保護條件下，螺旋槳與軸、船體組成電偶對，發(fā)生電偶腐蝕。其中船體、軸為陽極（圖2a所示的陽極極化曲線為邊界條件），螺旋槳為陰極（圖2b所示的極化曲線為邊界條件），計算得到船體電位分布如圖3 所示。由圖3 可知，船體的電位范圍為-455～-527 mV，船體艉部和軸被明顯陽極極化，腐蝕加速；螺旋槳電位范圍為-433～-466 mV，得到一定保護。

圖3 無保護狀態(tài)船體表面電位分布Fig.3 Potential distribution without protection

外加電流保護狀態(tài)，參比電極控制電位為-850 mV 時，船體保護電位分布如圖4 所示，在x=71 m 和x=116 m處單支輔助陽極的輸出電流分別為2.7 A和5.3 A，即共需16 A的保護電流。由仿真模擬結(jié)果可知，當(dāng)參比電極電位為-850 mV時，船體保護電位范圍為-818～-909 mV，船體得到良好保護；螺旋槳保護電位為-810～-870 mV，螺旋槳亦同樣得到良好保護。因此，該外加電流保護系統(tǒng)可對船體起到良好的保護作用。

圖4 外加電流保護狀態(tài)船體電位分布Fig.4 Potential distribution with ICCP

犧牲陽極保護時，船體保護電位分布如圖5 所示。由仿真結(jié)果可知，采用50 支400 mm×100 mm×35 mm 的Al-Zn-In 系犧牲陽極對船體實施保護后，船體保護電位為-905～-995 mV，螺旋槳的保護電位為-850～-890 mV，船體和螺旋槳都得到良好保護。螺旋槳附近的保護電位明顯正于船體其它部位的保護電位，且電位梯度要明顯大于其它部位的電位梯度。

圖5 犧牲陽極保護狀態(tài)船體電位分布Fig.5 Potential distribution with SACP

2.2 穩(wěn)態(tài)電場仿真結(jié)果

不同保護狀態(tài)，船舶周圍穩(wěn)態(tài)電場特征仿真結(jié)果如圖6所示。由于船體和軸在海水中的開路電位約為-700 mV，而螺旋槳在海水中的開路電位為-350 mV，兩者之間存在明顯的電位差，造成船體艉部的電位梯度較大，發(fā)生電偶腐蝕并伴隨著電偶腐蝕電流流動，因此，無保護時穩(wěn)態(tài)電場最大值出現(xiàn)在螺旋槳位置附近。此外，在船艏附近，出現(xiàn)1個小的特征峰，但強度較艉部電場和磁場強度要弱很多。

由圖6 可知，外加電流保護導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)電場特征明顯不同于無陰極保護時的穩(wěn)態(tài)電場特征，外加電流保護狀態(tài)下，穩(wěn)態(tài)電場的特征峰數(shù)量與輔助陽極組數(shù)相同，且位置與輔助陽極位置相同，即2組特征峰出現(xiàn)在x=71 m和x=116 m附近。穩(wěn)態(tài)電場的最大值出現(xiàn)在船體舯部，即x=71 m 附近，強度要明顯強于無保護狀態(tài)時電偶腐蝕導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)電場強度。

圖6 不同狀態(tài)船舶穩(wěn)態(tài)電場特征（y=10 m，z=5 m）Fig.6 Characteristics of static electric field with different protection means（y=10 m，z=5 m）

犧牲陽極保護導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)電場最大值同樣出現(xiàn)在螺旋槳附近，在艏部和舯部，穩(wěn)態(tài)電場特征呈現(xiàn)鋸齒狀波動特征。犧牲陽極保護導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)電場強度介于外加電流保護和無保護之間。

2.3 腐蝕相關(guān)磁場仿真結(jié)果

無保護狀態(tài)電偶腐蝕、外加保護和犧牲陽極保護導(dǎo)致的腐蝕相關(guān)電磁場特征如圖7所示。無保護狀態(tài)下，由于電偶腐蝕導(dǎo)致的船艉電流密度明顯大于其它部位的電流密度，艉部磁場強度明顯強于其它部位的磁場強度；在船艏附近，腐蝕相關(guān)磁場出現(xiàn)1個峰值較小的特征峰。

外加電流保護導(dǎo)致的腐蝕相關(guān)磁場的數(shù)量和位置亦與外加電流保護系統(tǒng)輔助陽極數(shù)量和位置相關(guān)，磁場最大值出現(xiàn)在船體舯部輔助陽極位置。外加電流保護導(dǎo)致的腐蝕相關(guān)磁場強度強于無保護時的磁場強度。

犧牲陽極保護導(dǎo)致的腐蝕相關(guān)磁場強度介于無保護和外加電流保護之間，在船艏和船舯位置，腐蝕相關(guān)磁場呈鋸齒狀波動特征。

3 分析與討論

船體無保護時，由于船體和螺旋槳組成電偶腐蝕對，產(chǎn)生腐蝕電流，引起船體艉部存在明顯的電位差，因此無保護時螺旋槳附近的穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場強度要明顯強于其它位置。犧牲陽極保護時，由于犧牲陽極驅(qū)動電位明顯小于外加電流保護時的驅(qū)動電位，螺旋槳所需陰極保護電流大且螺旋槳距離犧牲陽極遠，因此犧牲陽極保護時，螺旋槳保護電位要正于船體保護電位，艉部同樣存在較大的電位梯度，導(dǎo)致艉部的穩(wěn)態(tài)電場強度和腐蝕相關(guān)磁場強度要明顯強于其它部位。在船體的艏部和舯部，犧牲陽極附近的保護電位相對較負，而距離犧牲陽極較遠的地方保護電位相對較正，隨著犧牲陽極的間隔布置穩(wěn)態(tài)電場呈現(xiàn)鋸齒狀波動特征。外加電流保護時，由于輔助陽極驅(qū)動電壓高、輸出電流量大、保護距離遠，螺旋槳與船體間電位差顯著減?。淮w舯部輔助陽極由于需要保護船艏等較遠部位船體，驅(qū)動電壓較高，因此外加電流保護時，船體舯部的穩(wěn)態(tài)電場強度和腐蝕相關(guān)磁場強度要明顯強于船體艉部穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場強度。由于輔助陽極附近電位梯度和電流密度均較大，因此，外加保護導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場的特征峰位置與輔助陽極的安裝位置相關(guān)。對比3種狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場強度可知，外加電流保護導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場強度最強，犧牲陽極保護次之，無保護時的穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場強度最小。

圖7 不同狀態(tài)船舶腐蝕相關(guān)磁場特征（y=10 m，z=5 m）Fig.7 Characteristics of static magnetic field with different protection means（y=10 m，z=5 m）

4 結(jié)論

外加電流保護導(dǎo)致的腐蝕相關(guān)電磁場強度要明顯強于犧牲陽極保護導(dǎo)致的腐蝕相關(guān)電磁場強度，而犧牲陽極保護導(dǎo)致的腐蝕相關(guān)電磁場強度要稍強于無保護時由于電偶腐蝕導(dǎo)致的腐蝕相關(guān)電磁場強度。

無保護和犧牲陽極保護時，穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場最大值出現(xiàn)在船體艉部，并呈現(xiàn)窄尖峰特征；而在船體艏部和舯部，犧牲陽極保護時穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場呈現(xiàn)鋸齒波動特征。

外加電流保護系統(tǒng)導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)電場和腐蝕相關(guān)磁場的特征峰數(shù)量與輔助陽極對數(shù)量相同，且船體舯部的腐蝕相關(guān)電磁場強度要強于船體艉部的腐蝕相關(guān)電磁場強度。

[1]JEFFREY I，BROOKING B.A Survey of New Electromagnetic Stealth Technologies[C/OL]//Signature Management——The pursuit of stealth[2001-02-22].http：//www.wrdavis.com/docs/pub/lowering_warship_signatures.pdf.余不詳

[2]程錦房，龔沈光.電場引信的動作判據(jù)分析[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報，2003，15（4）：27-30.

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[6]SANTANA-DIAZ E，ADEY R.Optimi-sation of the Performance of an ICCP System by Changing Current Supplied and Position of the Anode[M].Southampton UK：WIT Press，2003：1-16.