海船PSPC海水壓載艙犧牲陽極設(shè)計(jì)

李應(yīng)波 吳鎮(zhèn)波

摘 要：本文介紹用于涂層性能標(biāo)準(zhǔn)（PSPC）海水壓載艙的犧牲陽極設(shè)計(jì)計(jì)算，著重介紹基于涂層的破損率、保護(hù)電流密度及犧牲陽極壽命的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，適應(yīng)于PSPC要求的航行船舶海水壓載艙。

關(guān)鍵詞：犧牲陽極設(shè)計(jì)；海水壓載艙；涂層性能標(biāo)準(zhǔn)； 涂層破損率

中圖分類號(hào)：U667.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

隨著船舶安全標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，海水壓載艙涂裝性能要求也達(dá)到新的高度，誕生了新的涂層性能標(biāo)準(zhǔn)（PERFORMANCE STANDARD FOR PROTECTIVE COATINGS，簡稱PSPC）。雖然涂層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大幅度提高，但海水壓載艙仍然需要犧牲陽極參與防護(hù)。如何設(shè)計(jì)與PSPC相配套的犧牲陽極？現(xiàn)有海船犧牲陽極陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)方法是否適用？筆者根據(jù)現(xiàn)有犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的資料，探討PSPC船舶壓載艙的犧牲陽極設(shè)計(jì)計(jì)算。

2 PSPC海水壓載艙涂層特征參數(shù)

2.1 基本目標(biāo)

使涂層達(dá)到15年的目標(biāo)使用壽命，指從最初的涂裝開始，涂層系統(tǒng)維持良好狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間；

希望整個(gè)船舶生命周期內(nèi)，壓載艙只須重新涂裝一次。

涂層系統(tǒng)達(dá)到其目標(biāo)使用壽命的能力取決于涂層系統(tǒng)的類型、鋼材處理、涂裝和涂層檢查及維護(hù)。

2.2 PSPC涂層的技術(shù)數(shù)據(jù)

涂層為環(huán)氧類涂層，NDFT（名義總干膜厚度）為320 μm；

涂層的初始期破損率小于2%。

2.3 涂層狀態(tài)的定義

見表1。

3 海水壓載艙犧牲陽極設(shè)計(jì)計(jì)算的相關(guān)問題

從IMO資料了解到PSPC涂層的特征，主要是壽命長、施工、維護(hù)質(zhì)量好、破損率低，也就是說滿足PSPC船舶海水艙的涂層質(zhì)量比以往有大幅度提高。因此，原來的壓載水艙犧牲陽極的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是否適用，值得探討。

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

壓載水艙犧牲陽極陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)不是規(guī)范、公約的強(qiáng)制性要求，一般根據(jù)船級(jí)社指南或國家標(biāo)準(zhǔn)的推薦做法進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同船級(jí)社的設(shè)計(jì)指南有所區(qū)別，總的來說主要有兩種設(shè)計(jì)計(jì)算方法：第一種是基于涂層的特性，根據(jù)涂層破損率計(jì)算裸鋼的面積，陰極為裸鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；第二種是簡約式計(jì)算辦法，不考慮涂層特性，陰極為有涂層的鋼面，按推薦的保護(hù)電流密度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。目前國內(nèi)主要按第二種方法計(jì)算，犧牲陽極用量按以下公式計(jì)算：

計(jì)算公式（1）簡潔明了，但應(yīng)用不太方便，保護(hù)電流密度Ii的推薦值跨度較大，不同取值的計(jì)算結(jié)果差異很大。實(shí)際應(yīng)用中，絕大多數(shù)設(shè)計(jì)人員對(duì)保護(hù)電流密度的取值采用平均法，即取推薦值的平均數(shù)，而且任何船舶、任何涂層都是一樣，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果很難保證與實(shí)際需求一致。由于PSPC涂層與以往的涂層有很大的差異，所以犧牲陽極用量不能用簡約方法計(jì)算。

3.2 涂層與犧牲陽極的關(guān)系

船舶的主要防腐手段是依靠涂料，涂料的作用是將金屬本體與大氣、海水等腐蝕介質(zhì)隔離，對(duì)浸泡海水中的鋼構(gòu)件，涂料起電絕緣作用，防污涂料還可以防止海洋生物附著船體。由于涂料施工過程的工藝水平無法保證涂料百分之百覆蓋鋼構(gòu)件表面，涂層服務(wù)期間出現(xiàn)老化、受損的現(xiàn)象，使涂層不斷擴(kuò)大破損，涂層破損部位的鋼構(gòu)件面失去涂層絕緣保護(hù)，直接接觸海水，涂層破損部位的防腐依靠犧牲陽極或外加電流進(jìn)一步保護(hù)。

目前船舶海水壓載艙的防腐手段依靠涂料（油漆）和犧牲陽極進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)，滿足PSPC的壓載水艙也是如此。涂料是防腐的第一道防線，犧牲陽極是第二道防線，涂層破損部位是犧牲陽極設(shè)計(jì)的關(guān)注對(duì)象。

涂層破損率，是指涂層破損面積占所統(tǒng)計(jì)面積的百分比，破損率為零，意味所統(tǒng)計(jì)的面積涂層完好，不需要犧牲陽極；破損率為100%，意味所統(tǒng)計(jì)面積無涂層，防腐任務(wù)完全依靠犧牲陽極。涂層破損率是個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，隨服務(wù)時(shí)間增長而增長的數(shù)據(jù)，通常根據(jù)涂層的服務(wù)壽命時(shí)間段劃分涂層的破損率，分別為初始期、保養(yǎng)期和終止期。初始期的破損率小，主要取決于涂層施工工藝；保養(yǎng)期的破損率是平均值，一般作犧牲陽極的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)，比初始期大；終止期為涂層的壽命極限，破損率最大，涂層無法進(jìn)行維護(hù)，需重新施工。PSPC海水壓載艙涂層的破損率很小，初始期小于2%，保養(yǎng)期小于3%。

3.3 保護(hù)電流密度

海水壓載艙的陰極保護(hù)電流密度，CCS的推薦值為3～10 mA/m2，BV的推薦值為2～10 mA/m2。這個(gè)推薦值跨度較大，取其中任一數(shù)值的計(jì)算結(jié)果都無法令人信服。PSPC涂層有明確的破損率，維護(hù)期的破損率<3%，可認(rèn)為壓載艙有3%浸水面積為裸鋼，按壓載水所在的地理位置，即船舶航線的地理位置，為壓載艙的破損部分選擇合適的裸鋼保護(hù)電流密度。

裸鋼保護(hù)電流密度取值可參考DNV或BV的推薦值（表2）。

3.4 犧牲陽極保護(hù)壽命

犧牲陽極保護(hù)壽命問題，規(guī)范公約的文件沒有提及，通常情況下犧牲陽極保護(hù)壽命與涂層的壽命等同，因?yàn)楦鼡Q陽極不容易。PSPC的目標(biāo)壽命15年，希望整個(gè)船舶生命周期內(nèi)，壓載艙只須重新涂裝一次，壓載艙的裝載率為50%～60%時(shí)，與涂層等同壽命犧牲陽極的實(shí)際使用壽命必需7.5～9年，但目前用于壓載艙的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格陽極最大使用壽命僅為6年，不能滿足PSPC涂層要求。解決辦法有兩種：第一種是設(shè)計(jì)非標(biāo)陽極規(guī)格，加大陽極外形尺寸，使單個(gè)陽極壽命達(dá)到7.5～9年；第二種是選用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，通過富裕的數(shù)量延長至與涂層的壽命等同。

從安全角度出發(fā)，任何設(shè)計(jì)都必須留有一定的裕度，犧牲陽極設(shè)計(jì)也不例外，建議增加10%～30%的計(jì)算裕度。

3.5 犧牲陽極的選型

犧牲陽極化學(xué)成份決定陽極的電位、電容量的大小，不同化學(xué)成分陽極的性能差異較大，目前可用于海水壓載艙的犧牲陽極有鋅基、鋁基兩類：鋅基犧牲陽極負(fù)電位小，電容量也小，但適用范圍廣，應(yīng)用歷史長，相同的保護(hù)壽命，外形尺寸、重量比鋁基大，適應(yīng)于保護(hù)壽命短的海船；鋁基犧牲陽極負(fù)電位大，電容量大，鋁基犧牲陽極在海船上應(yīng)用廣泛，具有較大的電容量，但其碎片跌落時(shí)容易產(chǎn)生電火花，規(guī)范限定其在貨油艙及其相鄰液艙中使用的勢能不超過275J，在這些危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)用鋁基犧牲陽極需控制其安裝高度或采取防護(hù)措施防止碎片跌落。綜合利弊，PSPC海水壓載艙采用鋁基犧牲陽作陰極保護(hù)比較合適。

3.6 犧牲陽極性能計(jì)算

犧牲陽極的性能計(jì)算，主要是根據(jù)所確定的犧牲陽極外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式及安裝方式計(jì)算陽極的接水電阻。根據(jù)所計(jì)算的接水電阻的數(shù)值，計(jì)算陽極的發(fā)生電流量。最后根據(jù)計(jì)算的電流量、陽極質(zhì)量及電容量估算陽極的使用壽命，判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足則從新選型。犧牲陽極性能的計(jì)算，各大船級(jí)社的指南或推薦的公式基本一致，不再贅述。

3.7 犧牲陽極用量計(jì)算

以上討論犧牲陽極陰極保護(hù)的計(jì)算數(shù)據(jù)，最終的目的是用以計(jì)算犧牲陽極的用量。針對(duì)現(xiàn)有犧牲陽極用量的計(jì)算公式中存在的問題，建議計(jì)算公式（1）作如下修訂：

4 計(jì)算實(shí)例

分別以熱帶、溫帶、北極帶海區(qū)的海水為壓載水，比較不同海區(qū)的壓載水所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)差異，及兩種計(jì)算方法結(jié)果的差異。計(jì)算不同海區(qū)的電流保護(hù)密度按 DNV的推薦值，具體過程從略。通過實(shí)例計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

（1）壓載水所在海區(qū)地理位置對(duì)計(jì)算結(jié)果影響比較大。通過海區(qū)地理位置細(xì)分保護(hù)電流密度，可進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)，避免保護(hù)電流密度無根據(jù)的取值；

（2）兩種設(shè)計(jì)壽命方法對(duì)比結(jié)果比較接近，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格陽極成本更低。

5 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)有犧牲陽極陰極保護(hù)的技術(shù)文獻(xiàn)資料進(jìn)行歸納整理，結(jié)合作者的理解提出針對(duì)PSPC涂層海水壓載艙的犧牲陽極設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)調(diào)犧牲陽極設(shè)計(jì)需結(jié)合PSPC涂層的特征、海區(qū)地理位置對(duì)保護(hù)電流密度的影響，分析與PSPC涂層相配套的犧牲陽極壽命的不同理解，希望能為船舶設(shè)計(jì)工作者提供一個(gè)借鑒和參考。PSPC實(shí)施時(shí)間不長，許多問題仍需業(yè)界同仁去探討，由于作者水平所限，文中不足之處請(qǐng)諒解。

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