外加電流陰極保護(hù)裝置在船舶防腐中的應(yīng)用

張 平

摘要: 本文介紹了船舶外加電流的陰極保護(hù)的原理，系統(tǒng)組成，應(yīng)用中的常見問題。

關(guān)鍵詞：船舶；陰極保護(hù)；腐蝕

Impressed Current Cathodic Protection on the Application of Anticorrosion of the Ship

ZHANG Ping

（Navel Representatives Office of Jiangnan shipyard (group) Co., Ltd,Shanghai 201913）

Abstract:This article introduces the principle of ship of the impressed current cathodic protection, system composition and application of common problems.

Key words:ship;cathodic protection;corrosion

1引言

海水是一種很強的腐蝕性介質(zhì),對鋼質(zhì)船體有很強的腐蝕性。鋼板遭到海水腐蝕生成鐵銹，鐵銹質(zhì)地松脆，無法阻止鋼板進(jìn)一步的腐蝕。且腐蝕使船體外表面粗糙，易附著一些海生物，增加船體的阻力。目前在船體防腐蝕方面，除增加涂層外，一般還有犧牲陽極和外加電流兩種陰極保護(hù)形式。犧牲陽極方法由于簡單、經(jīng)濟，被廣泛采用，但效果欠佳，焊在船體外表面的鋅塊也會增加船體阻力。使用永久性外加電流的陰極保護(hù)裝置是目前控制鋼質(zhì)船體在海水中腐蝕的最有效方法。

2外加電流陰極保護(hù)

2.1外加電流陰極保護(hù)的原理

鋼鐵在海水中的腐蝕是一個電化學(xué)過程，鐵電位較負(fù)，比較活潑，放出電子成為正離子進(jìn)入海水，處于陽極狀態(tài)，遭到腐蝕。如使鋼鐵表面全部處于陰極狀態(tài)來抑制微陽極區(qū)鋼鐵的電子釋放，就可以防止鋼鐵的腐蝕。

外加電流陰極保護(hù)即在金屬表面上加上陰極電流。當(dāng)這些電子來不及與水中的氧作用時，就會在鋼鐵表面聚集起來。使鋼鐵表面的電位向負(fù)方向移動，形成陰極極化。這時，微陽極釋放電子的能力就減少。電流愈大（或時間愈長）電子積聚就越多，鋼鐵表面的電位就越負(fù)，微陽極釋放電子的能力就越弱。當(dāng)陰極電流釋放的電子足夠多，使鋼鐵表面達(dá)到了等電位，腐蝕位電子作用被迫停止，鋼鐵就得到了保護(hù)。

鋼鐵在海水中對不同參比電極的保護(hù)電位值是不同的。目前我國一般選用銀/氯化銀電極，鋼鐵在海水中的保護(hù)電位取-0.75 V～0.95 V（相對于銀/氯化銀參比電極）最佳電位為-0.85 V～-0.90 V。

保護(hù)電流密度不是恒定不變的。由于船體電勢隨著航速、海區(qū)鹽度、海水溫度、油漆的破壞程度等船舶外界條件的變化而不斷變化。如果陰極保護(hù)電流過小，就不能有效保護(hù)船體，導(dǎo)致船體受到腐蝕，減少船舶使用壽命。如果陰極保護(hù)擴散電流過大，則容易造成船體鋼板產(chǎn)生氫脆，韌性降低，使得船體遇到大風(fēng)浪或其他外力沖擊時，發(fā)生船體開裂的危險。同時，電極輸出的電流過大，還會導(dǎo)致電極的壽命降低。所以，我們在船體外板外加電流陰極保護(hù)設(shè)計中，需要系統(tǒng)隨著外部環(huán)境的變化，自動調(diào)節(jié)所需保護(hù)電流，使船體始終處于最佳保護(hù)電位范圍內(nèi)（200 mV~300 mV / 鋅參比電極）。

2.2外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的組成

外加電流陰極保護(hù)裝置主要由恒電位儀，陽極和參比電極組成，如圖1所示。

圖1外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)

恒電位儀—船體外加電流陰極保護(hù)的直流電源。它根據(jù)參比電極提供的信號能自動調(diào)節(jié)保護(hù)電流的大小，由陽極向船體表面輸送電流，使船體始終處于最佳保護(hù)電位范圍內(nèi)。

陽極--陽極的主要作用是在海水中產(chǎn)生保護(hù)電流。陽極的安裝必須與船體絕緣。在造船或進(jìn)塢檢修時,應(yīng)該通過合理的設(shè)計、安裝使陽極和海水間維持較低的電氣摩擦(指不同的物理材料間由于相互的摩擦而在兩者接觸面間產(chǎn)生電子的流動形成電流),使陽極達(dá)到最佳的運行效果。在正常情況下,直接安裝在船體外殼上的標(biāo)準(zhǔn)陽極具有多種電流規(guī)格,例如75 A、100 A、150 A、200 A和300 A。對于船舷安裝的系統(tǒng)和具有特殊用途的系統(tǒng)應(yīng)該使用凹進(jìn)型陽極。

參比電極—在外加電流陰極保護(hù)中，參比電極的作用是測量船體電位和提供訊號給恒電位儀。在正常環(huán)境條件下,每一個控制器裝有兩個參比電極。但是,單個控制器對參比電極的最低要求是至少得安裝一個。這些參比電極的安裝位置以距陽極的最小距離為7.5 m(在10 m左右)時最為理想。在船舶總長不超過200 m的船上只需安裝船體系統(tǒng),而在總長超過200 m的船上最好再安裝一套船舷系統(tǒng)。如果安裝更多的參比電極(一般為4個),則還可以防止船體受到過保護(hù)或欠保護(hù)所造成的損害,這樣使得在環(huán)境不斷變化時也能維持良好的船體防腐保護(hù)性能。

一般為了保護(hù)舵和推進(jìn)器，還裝有軸接地裝置。軸接地裝置就是將舵柱，推進(jìn)器與船體短接，防止舵和推進(jìn)器的腐蝕。但由于軸的轉(zhuǎn)動及不能做到完全的短接，使軸和船體間產(chǎn)生一個周期性變化的電阻，加上陰極電流，就調(diào)制出了副產(chǎn)物—軸頻電場。軸頻電場作為現(xiàn)代船舶的特性，容易被用于偵測。

另外還得考慮陽極屏蔽層，由于陽極周圍的電流密度較高，船體表面陰極電位較負(fù)，致使船體表面堿性增加，引起船體涂料的皂化而被破壞，尤其是負(fù)于-1.0V時，由于“析氫”則會引起涂料的鼓泡脫落。因此，為了防止電流短路，擴大電流分布范圍，使船體電位分布均勻，確保陰極保護(hù)效果，在陽極的周圍一定范圍內(nèi)涂刷陽極屏蔽層。

3 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計時注意的幾個原則

（1）根據(jù)船體的有關(guān)參數(shù)，計算出船體的浸水面積，然后計算出此船需要的保護(hù)電流，以此確定恒電位儀的規(guī)格。

（2）根據(jù)船體總圖、船體線型圖、機艙布置圖，艙室布置圖等有關(guān)圖紙，確定輔助陽極和參比電極的位置和數(shù)量。一般情況下輔助陽極布置左右舷對稱。根據(jù)船體情況布置2個或4個或6個等。陽極的數(shù)量確定后，以此確定陽極的規(guī)格。一般情況下，一艘船上布置兩只參比電極就夠了。一個布置在陽極屏蔽層的邊緣，另一個布置在兩個陽極中間，測量船體最高、最低電位并提供訊號給恒電位儀。

（3）自航船的外加電流陰極系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)輪機機艙布置圖、推進(jìn)器軸系等，確定軸接地裝的安裝位置和規(guī)格。

（4）根據(jù)船舶電力系統(tǒng)確定恒電位儀的設(shè)備電源的電制。陽極、參比電極與恒電位儀之間用電纜連接。確定了恒電位儀、陽極的規(guī)格、安裝位置后，計算確定電纜的規(guī)格。

4 應(yīng)用時應(yīng)注意的問題

（1）船體外涂層質(zhì)量或噴涂工藝非常重要,否則會在陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流的作用下被破壞。在此情況下,船體與海水間的電化學(xué)反應(yīng)加劇,陰極保護(hù)系統(tǒng)在電流控制器的作用下輸出近乎額定的工作電流量仍無法達(dá)到船體所需的保護(hù)電位,而電子的流動特性是選擇電阻較低的途徑,在外涂層質(zhì)量低劣的程度超過一般設(shè)計陰極保護(hù)系統(tǒng)時采用的比例(30%~35%)的情況下,大部分電流會在接近陽極的區(qū)域進(jìn)人船體外板,從而造成該局部涂層區(qū)域遭受損壞。

（2）由于輔助陽極輸出的低壓大電流，因此要注意輔助陽極的電纜電壓降，否則影響保護(hù)效果。

（3）輔助陽極的布置要注意：輔助陽極安裝要根據(jù)船體的線型圖；陽極在輕載時不能露出水面；盡量避免安裝在水艙內(nèi)；船靠離碼頭時陽極不要被碼頭碰撞。

（4）輔助陽極和參比電極裝在易維修的地方。

（5）在船舶進(jìn)人淡水、水質(zhì)惡劣水域時,由于水的電阻加大從陽極產(chǎn)生的電流效果會受到限制,正常情況下這會使控制器增加輸出電壓到最大但電流卻非常小,這種情況是正常的,不會產(chǎn)生不良后果,只要船舶回到海水中系統(tǒng)就會重新對船體起到最佳保護(hù)效果。盡管如此,如果船船在淡水環(huán)境中超過7天的話,建議最好是關(guān)掉系統(tǒng)電源以避免在陽極上形成絕緣的氧化膜,從而導(dǎo)致陽極所能傳輸?shù)碾娏鳒p少。

（6）船舶進(jìn)塢后,陰極保護(hù)系統(tǒng)一定要切斷電源,若非檢修的話出塢前不可供電。在塢修中要進(jìn)行船體外部件的檢查,如發(fā)現(xiàn)任何絕緣材料損壞或老化,應(yīng)及時安排修理或更新,為維持高水平的保護(hù)作用,應(yīng)盡量采用高質(zhì)量和高純度的鋅參比電極。船體外部件要用膠布密封,以防船殼鋼板表面處理或噴漆時污染其表面,出塢前切記清除密封膠布并檢查確認(rèn)。出塢后,接通電源檢查系統(tǒng)工況,確認(rèn)系統(tǒng)各參數(shù)顯示正常,建議將系統(tǒng)停用5一7天。讓船殼涂層充分固化以避免由此導(dǎo)致涂層剝落。

作者簡介：張平（1981-），男，工程師。從事電氣工程監(jiān)造專業(yè)。

收稿日期：2014-01-18