船舶防腐蝕陰極保護法系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計

武漢理工大學能源與動力工程學院 菅恒康 趙 俊 張文喆 鄭衛(wèi)剛

1.前言

在海洋環(huán)境中使用的船舶，腐蝕非常嚴重，直接影響安全和營運，甚至縮短船舶壽命，因而受到造船和腐蝕界的高度重視。自1824年英國化學家Davy首次應(yīng)用陰極保護技術(shù)以來，經(jīng)過170多年的發(fā)展，陰極保護技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。從20世紀60年代開始，陰極保護技術(shù)已經(jīng)成為世界各國艦船必不可少的防腐技術(shù)，其明顯的保護效果和先進的技術(shù)經(jīng)濟性能得到了世界腐蝕與防護領(lǐng)域的普遍認可。但船舶陰極保護技術(shù)并不是十分完善，其應(yīng)用與發(fā)展仍受到各國海軍研究部門和腐蝕與防護研究人員的關(guān)注，提高外加電流系統(tǒng)的可靠性和自動化程度更是研究的熱點。

2.腐蝕的基本原理

腐蝕的基本原理是腐蝕原電池理論(如圖1所示)。由于不同金屬本身的電偶序(即電位)存在著差別，當兩種金屬處于同一電解質(zhì)中，并由導(dǎo)體連接這兩種金屬時，腐蝕電池就形成了。電流通過導(dǎo)體和電解質(zhì)形成電流回路，此時兩種金屬之間的電位差越大，則電路產(chǎn)生的電壓越大。腐蝕電池一旦形成，陽極金屬表面因不斷地失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，使金屬原子轉(zhuǎn)化為正離子，形成以氫氧化物為主的化合物，也就是說陽極遭到了腐蝕；而陰極金屬則相反，它不斷地從陽極處得到電子，其表面因富集了電子，金屬表面發(fā)生還原反應(yīng)，沒有腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

腐蝕過程可表示如下：

3.船舶腐蝕防護措施

船舶的防護直接關(guān)系到船舶的使用壽命和航行安全。船舶的防護包括合理選材、合理設(shè)計結(jié)構(gòu)、表面保護（涂層保護、金屬噴涂層、金屬包覆層、襯里）、陰極保護等。船體防護系統(tǒng)是保護船體免受腐蝕侵害的系統(tǒng)，主要有兩大系統(tǒng)組成：防腐蝕涂漆系統(tǒng)和外加電流或犧牲陽極的陰極保護系統(tǒng)。

3.1 防腐蝕涂料技術(shù)

采用合適的船舶涂料，以正確的工藝技術(shù)，使其覆蓋在船舶的各個部位，形成一層完整、致密的涂層，使船舶各部位的鋼鐵表面與外界腐蝕環(huán)境相隔離，以防止船舶腐蝕的措施，稱之為船舶的涂層保護。

3.2 陰極保護技術(shù)

對于船舶中與海水直接接觸的部位，采用比鋼鐵的電極電位更負的金屬或合金與鋼鐵船體電性連接，使其在整體上成為陰極；或給鋼鐵船體不斷地加上一個與鋼鐵腐蝕時產(chǎn)生的腐蝕電流方向相反的直流電，同樣可使其在整體上成為陰極，并且得到極化，便可使鋼鐵船體免受腐蝕，即得到保護，對于這樣的保護措施，稱之為船舶的陰極保護。對于船舶的陰極保護來說，主要有犧牲陽極保護和外加電流保護兩種。

3.2.1 犧牲陽極保護技術(shù)

犧牲陽極陰極保護技術(shù)是通過在船體外表面安裝充當陽極的被犧牲掉的金屬塊，以保護作為陰極的船體鋼板不被腐蝕。通常提到的陰極保護，是通過外加陰極電流極化，將處于腐蝕狀態(tài)的金屬的電位降低至其免蝕區(qū)，達到該金屬的熱力學穩(wěn)定狀態(tài)，從而使金屬的腐蝕速率大大降低甚至停止。犧牲陽極陰極保護是船舶浸水部分最有效的、應(yīng)用廣泛的方法之一，所采用的陽極材料電化學性能的好壞是犧牲陽極陰極保護水平的技術(shù)關(guān)鍵。

目前，船體使用的犧牲陽極有鋅—鋁—鎘三元合金（稱為三元鋅犧牲陽極）、高效鋁合金陽極、鐵合金陽極等。各種不同船型所采用的犧牲陽極型號和數(shù)量是根據(jù)船體各部位的形狀、面積和環(huán)境情況專門設(shè)計的。犧牲陽極保護陰極不需要外加電流，不干擾鄰近設(shè)施，設(shè)備簡單，施工方便。犧牲陽極保護技術(shù)的發(fā)展趨勢是以新型的鋁合金陽極替代傳統(tǒng)的鋅合金陽極，達到延長保護壽命，降低保護費用的目的。

圖1圖2

3.2.2 外加電流保護技術(shù)

外加電流陰極保護技術(shù)是將犧牲陽極保護中的犧牲陽極塊更換成只起導(dǎo)電作用而不溶解的輔助陽極，在陽極和鋼板之間加一直流電源，并通過海水構(gòu)成回路。電源向鋼板輸入保護電流，使鋼板成為陰極而得到保護。該外加電流保護系統(tǒng)由恒電位儀也就是外加電源、參比電極、不溶性輔助陽極構(gòu)成。

整個系統(tǒng)使船體電位始終保持在保護電位范圍內(nèi)。外加電流保護技術(shù)越來越多地應(yīng)用于船舶殼體的腐蝕保護，其優(yōu)點是設(shè)計保護壽命長、電位、電流可調(diào)節(jié)性強，但目前仍存在可靠性和經(jīng)濟性較差等缺點，未來的發(fā)展趨勢是通過在恒電位儀的可靠性、輔助陽極的排流量、參比電極的長期穩(wěn)定性等方面的改進，提高外加電流系統(tǒng)的可靠性和降低保護費用，并進一步延長保護年限。

4.外加電流保護系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成

外加電流保護系統(tǒng)一般有直流電源、輔助陽極、陽極屏蔽層和參比電極四部分構(gòu)成.輔助陽極作用是使電流從電極經(jīng)介質(zhì)到被保護體表面，參比電極是用來測量被保護體的電位，并向控制系統(tǒng)傳遞信號，以便調(diào)節(jié)保護電流的大小，使結(jié)構(gòu)的電位處于保護范圍.采用此保護方法時使金屬的腐蝕速度降到允許程度所需要的電流密度值，稱為最小保護電流密度.最小保護電流密度是與最小保護電位相對應(yīng)的，要使金屬達到最小保護電位，其電流密度不能小于該值，否則金屬就達不到滿意的保護.保護電位也不能太高，否則會導(dǎo)致輔助陽極擊穿屏蔽層而發(fā)生陽極短路，使系統(tǒng)破壞。外加電流保護應(yīng)用于船體、舵、螺旋槳。下圖為外加電流保護法中的一個基本圖示，但實際船舶上比圖2更為復(fù)雜。

外加電流保護的特點：a）初始投資較高，需要專業(yè)知識，日常監(jiān)控；b）壽命較長，維護費用相對低；c）保護較好；d）通過外部直流電源提供保護電流；e）工藝要求高，安裝較復(fù)雜，需在船體上開孔；f）陽極排流量大，可自動調(diào)節(jié)保護電流輸出，使船體電位恒定；g）基本上對航行阻力沒有影響。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定性設(shè)計。

外加電流陰極保護技術(shù)越來越多地應(yīng)用于艦船殼體的腐蝕保護，其優(yōu)點是設(shè)計保護壽命長、電位、電流可調(diào)節(jié)性強，但目前仍存在可靠性和經(jīng)濟性較差等缺點，未來的發(fā)展趨勢是通過在恒電位儀的可靠性、輔助陽極的排流量、參比電極的長期穩(wěn)定性等方面的改進，提高外加電流系統(tǒng)的可靠性和降低保護費用，并進一步延長保護年限。恒電位儀是外加電流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，自問世以來，經(jīng)歷了磁控元件一可控硅元件一晶體管元件～提高的磁控元件的發(fā)展歷程。

目前，世界各國對以開關(guān)電源為中心器件的恒電位儀進行了深入的研究，這種新型恒電位儀具有體積小、重量輕、輸出功率大、電流效率高等諸多優(yōu)點，已開始在艦船上取代傳統(tǒng)的恒電位儀。另外，對微機控制的模塊化小型恒電位儀已進行了研究，這種恒電位儀可分別對每支陽極單獨供電，對船體各部位的保護電位分別進行監(jiān)控，具有較高的可靠性和準確性。未來恒電位儀的發(fā)展方向是小型化、高容量、高可靠性和程控化。

其最基本的也是最重要的參數(shù)有兩個：保護電位、保護電流密度。保護電位，取決于金屬性質(zhì)和所處介質(zhì)的性質(zhì)，變化不大。通常最佳保護電位(船體鋼板相對于銀/氯化銀參比電極的電位)-0.75～-1.00V，因此通過建立電位監(jiān)測系統(tǒng)，對電位進行監(jiān)測，同時建立相應(yīng)反饋系統(tǒng)，如果電位偏離正常電位范圍，系統(tǒng)通過反饋調(diào)節(jié)，使其回到正常電位范圍。對電流保護下的金屬電位進行模擬監(jiān)測，建立科學合理的電位監(jiān)測反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)對電位的監(jiān)測和調(diào)節(jié)。

4.3 相關(guān)參數(shù)

船體外加電流保護，通過調(diào)節(jié)保護電位和保護電流達到保護船體鋼板的目的，所以其最基本的也是最重要的參數(shù)有兩個：保護電位、保護電流密度。

①保護電位

保護電位，取決于金屬性質(zhì)和所處介質(zhì)的性質(zhì)，變化不大。通常最佳保護電位（船體鋼板相對于銀/氯化銀參比電極的電位）-0.75～-1.00V，ICCP控制儀-恒電位儀的工作電壓范圍±2V。

②保護電流密度

保護電流密度，除金屬和介質(zhì)的性質(zhì)外，還受環(huán)境影響，變化較大，可能包括：

船舶在靜止海水中，電流密度150mA/m2時，可以很快達到保護電位（-0.80V）；但若電流密度小于40mA/m2，則幾乎無法達到保護電位。

船體鋼板表面有無復(fù)蓋物、復(fù)蓋物的種類、復(fù)蓋物的完整性等，很大程度上影響最佳電流密度的大小。例如，涂有完整油漆的鋼板所需的保護電流密度，比裸鋼板小得多：在靜止海水內(nèi)，涂有三道聚二乙烯乙炔涂料的鋼板，電流密度0.35mA/m2可即刻達到保護電位；而裸鋼板卻需154mA/m2，大400多倍。再如，同樣在靜止海水內(nèi)：涂有三道聚二乙烯乙炔涂料的鋼板，電流密度0.11mA/m2只要幾小時就可達到保護電位；而裸鋼板，電流密度高達45mA/m2也需要9天左右。

海水是流動的而且海流和風浪時大時小，船舶也有時停泊有時航行且航速有快慢，都影響最佳保護電流密度。例如惡劣氣象航行和破冰航行，所需要的保護電流密度顯著增高。

不同海域海水含鹽量有差別，不同季節(jié)海水溫差不同，都會影響最佳保護電流密度。

保護電流密度，需要綜合考慮上述各種因素，而且主要靠大量的實踐才能得到比較切實的數(shù)據(jù)。船體外加電流保護裝置的管理者，日常應(yīng)針對這些環(huán)境因素不斷調(diào)節(jié)、修整裝置的相關(guān)參數(shù)，以確保其充分發(fā)揮作用。

相對于常用的銀/氯化銀參比電極，保護電流密度要保證保護電位-0.75～-1.00V，最佳保護電流密度30～60mA/m2，我國海船選用40～60mA/m2較為合適。

船體外加電流保護裝置的種類型號很多，工作參數(shù)也有差異，但工作原理大同小異。下面，以一款應(yīng)用較普遍、效果較顯著的ICCP船體外加電流陰極保護裝置為例，提出船體外加電流陰極保護裝置的使用和維護建議。

4.4 案例分析

①船體參數(shù)

船體長103.90m

垂線間長95.90m

型寬14.00m

設(shè)計吃水5.70m

輕載吃水3.376m

方形系數(shù)Cb0.62

②ICCP船體外加電流保護裝置概況

保護面積

船體浸水面積（估算）1814.32m2

螺旋槳表面積16.36m2

舵表面積20.04m2

外加電流陰極保護裝置設(shè)計參數(shù)

保護區(qū)域：水線以下的船體表面（海底門內(nèi)仍需按常規(guī)安裝犧牲陽極，不包括在內(nèi)）。

保護電位：船體水下表面-0.75~-0.95V(相對于Ag/AgCl參比電極，下同)；

總保護電流：94A

保護電流密度：船體，45mA/m2；螺旋槳，600mA/m2；舵，150mA/m2。

外加電流陰極保護系統(tǒng)主要部件（規(guī)格、數(shù)量）

SF-300恒電位儀一臺，輸入380V/50Hz，輸出100A/16V；

B型釕－鈦輔助陽極二只，每只最大輸出50A，水密罩2只；

銀/氯化銀參比電極二只，水密罩2只；

陽極屏蔽層，8910涂料甲乙組份各3桶，總重量41.4kg(由上述設(shè)備制造商提供)。

[1]許友林,姚智剛,熊玲.船舶防腐蝕技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展[J].中國修船,2008(6):17-19.

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