不同極化條件下艦船表體電位與大軸電流密度的關(guān)系驗(yàn)證

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(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

艦船電場(chǎng)的起因是艦船在海水中發(fā)生了電化學(xué)極化，形成了腐蝕電流，螺旋漿調(diào)制腐蝕和防腐電流形成了軸頻電場(chǎng)信號(hào)，軸頻電場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)弱與流經(jīng)大軸的腐蝕和防腐電流關(guān)系密切[1]。艦船的極化造成了艦船表體電位的變化，變化的電位與大軸電流之間的關(guān)系尚未明確。目前對(duì)艦船電場(chǎng)建立模型時(shí)主要采用三種研究方法：一是不考慮電化學(xué)極化，忽略極化電位和電流密度對(duì)艦船電場(chǎng)的影響[2-3]；二是做近似處理，將極化電位與電流密度看成線性關(guān)系[4-6]；三是用非線性極化曲線描述艦船表體電位[7-8]。就目前建立的艦船電場(chǎng)模型，多直接引入極化曲線描述，沒(méi)有充分考慮到不同極化條件下大軸電流密度與艦船表體電位的函數(shù)關(guān)系。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了不同極化條件下艦船表體電位與大軸電流密度的關(guān)系驗(yàn)證方法。

1 艦船大軸電流產(chǎn)生機(jī)理

不同金屬置于海水中，其自腐蝕電位是不同的。一旦異種金屬在海水中構(gòu)成閉合回路，就引起了金屬自腐蝕電位的變化，即發(fā)生了電化學(xué)極化。艦船置于海水中，艦船鋼質(zhì)船殼和青銅質(zhì)螺旋槳可以看作一對(duì)巨大的腐蝕電偶。鋼質(zhì)船殼和青銅質(zhì)螺旋槳主要材料為Fe、Cu兩種金屬元素，若忽略同種金屬材料間微小的腐蝕電偶作用，F(xiàn)e的氧化反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Cu的還原反應(yīng)速度，F(xiàn)e的極化電位會(huì)由其自腐蝕電位向高電位移動(dòng)，Cu的極化電位會(huì)由其自腐蝕電位向低電位移動(dòng)，鋼質(zhì)船殼可視為腐蝕電偶的陽(yáng)極，青銅質(zhì)螺旋槳可視為腐蝕電偶的陰極。若不開(kāi)啟艦船上的抑制腐蝕系統(tǒng)，也就是暫不考慮防腐電流，就只有腐蝕電流流經(jīng)船殼-海水-螺旋槳-大軸-軸承-船殼，如圖1所示。圖中示意的電流是未計(jì)入防腐電流的大軸電流，IB表示腐蝕電流，RB是腐蝕電流流過(guò)的可變軸承電阻。此時(shí)的大軸電流也是腐蝕電偶的極化電流，艦船表體電位與偏離其自腐蝕電位的差值，即過(guò)電位[9]。

2 艦船表體電位與大軸電流密度關(guān)系

在研究艦船表體電位與大軸電流密度關(guān)系中，真正有用的是過(guò)電位，也就是應(yīng)考慮電極電位的變化與大軸電流密度的關(guān)系。根據(jù)電化學(xué)極化理論，腐蝕電偶的極化電流密度與過(guò)電位關(guān)系滿足普遍化了的巴特勒-伏爾摩方程[9]，流經(jīng)艦船大軸上的電流密度與船體表體過(guò)電位變化關(guān)系滿足以下表達(dá)式：

(1)

(2)

F=96 500 C/mol，R=8.314 J/(mol·K)，
T=298 K[8]

其中，α，β為常數(shù)；Δηa為艦船船殼表體過(guò)電位，Δηc為螺旋槳過(guò)電位；j0為電極體系處于平衡電位時(shí)的交換電流密度；Jc，Ja為極化電流密度，這里是大軸電流密度，此時(shí)Jc，Ja是相等的。

當(dāng)船體電位偏離自腐蝕電位程度不同時(shí)，大軸電流密度會(huì)呈不同的規(guī)律變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，船體電位偏離自腐蝕電位大于0.1 V時(shí)，可視為高過(guò)電位；船體電位偏離自腐蝕電位小于0.1 V時(shí)，可視為低過(guò)電位，下面分高過(guò)電位和低過(guò)電位兩種情況討論艦船表體電位與大軸電流密度的關(guān)系。

2.1 高過(guò)電位下的電流密度

只考慮船殼氧化反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于螺旋槳還原反應(yīng)速度，即船殼發(fā)生陽(yáng)極極化時(shí)，陽(yáng)極過(guò)電位值很大，式(1)中第二項(xiàng)可以忽略，簡(jiǎn)化公式后，艦船船殼表體過(guò)電位與大軸電流密度關(guān)系表述為：

(3)

只考慮螺旋槳的還原反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于船體的氧化反應(yīng)速度，即螺旋槳發(fā)生陰極極化時(shí)，陰極過(guò)電位值很大，式(2)中第二項(xiàng)可以忽略，簡(jiǎn)化公式后，螺旋槳過(guò)電位與大軸電流密度關(guān)系表述為：

(4)

式(3)、式(4)中第一項(xiàng)為常數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式可以統(tǒng)一成Δη=α+blnJ，其中a，b為常數(shù)。Δη即艦船(船殼、螺旋槳)過(guò)電位，J即大軸電流密度。該數(shù)學(xué)模型表明在高過(guò)電位條件下，艦船表體(船殼、螺旋槳)電位與大軸電流密度成對(duì)數(shù)關(guān)系。

2.2 低過(guò)電位下的電流密度

當(dāng)大軸電流密度很小時(shí)，艦船表體(船殼、螺旋槳)過(guò)電位會(huì)很小，普遍化了的巴特勒-伏爾摩方程按級(jí)數(shù)展開(kāi)，可統(tǒng)一表示為：

(5)

當(dāng)過(guò)電位Δη很小，式(5)高次項(xiàng)可以忽略，只保留前兩項(xiàng)。由此得到低過(guò)電位下的陽(yáng)極和陰極公式近似為：

(6)

(7)

3 不同極化條件下的艦船電位分布

極化電流密度反映了電極的反應(yīng)速度，對(duì)過(guò)電位的高低影響很大，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)大軸電流密度，來(lái)區(qū)分艦船表體是進(jìn)入了高電位區(qū)還是處于低電位區(qū)。用921合金鋼條、錫青銅片分別模仿艦船船體、螺旋槳，921合金鋼條面積為200 cm×4 cm，錫青銅片面積為3 cm×3 cm，鋼銅面積比為800∶9≈89∶1，接近實(shí)驗(yàn)用船殼體與螺旋槳表面積之比。包圍921合金鋼條和錫青銅片的海水面積為3 m×2 m，海水電導(dǎo)率為3.96 S/m。采用Matlab仿真921合金鋼條電位、錫青銅片電位與流經(jīng)921合金鋼條、錫青銅片電流密度的關(guān)系。根據(jù)腐蝕材料提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]，忽略海水的濃差極化，艦船殼體處于平衡電位時(shí)的交換電流密度取j0=7.1×10-5mA/cm2，螺旋槳處于平衡電位時(shí)的交換電流密度取j0=1.5×10-2mA/cm2，船體自腐蝕電位取-0.76 V，螺旋槳自腐蝕電位取-0.31 V。

3.1 高過(guò)電位下的電位分布

當(dāng)艦船表體(船殼、螺旋槳)電位偏離其自身的自腐蝕電位0.1 V以上時(shí)，921合金鋼條、錫青銅片的電位分布如圖2 所示。在921合金鋼條與錫青銅片聯(lián)結(jié)處，偏離自腐蝕電位較??；越遠(yuǎn)離二者連接處，偏離自腐蝕電位越大。同時(shí)，在二者連接處，電位梯度越小，即電位變化越快；越遠(yuǎn)離二者連接處，位梯度越大，即電位變化越慢。仿真完全符合電偶的腐蝕規(guī)律。921合金鋼條電位、錫青銅片電位與流經(jīng)921合金鋼條、錫青銅片的電流密度成對(duì)數(shù)關(guān)系，變化規(guī)律如圖 3所示。圖3表明，在高過(guò)電位區(qū)，大軸電流密度越大，艦船船殼表體電位越大，螺旋槳表體電位越小。

3.2 低過(guò)電位下的電位分布

當(dāng)船殼、螺旋槳偏離其自身的自腐蝕電位不足0.1 V時(shí)，921合金鋼條、錫青銅片的電位分布如圖4 所示。921合金鋼條電位值偏離其自腐蝕電位較大，錫青銅片基本維持原電位，幾乎無(wú)變化。921合金鋼條電位梯度均勻，即電位變化均勻；錫青銅片電位梯度無(wú)變化，電位無(wú)變化。仿真符合電偶的腐蝕規(guī)律。921合金鋼條電位、錫青銅片電位與流經(jīng)921合金鋼條、錫青銅片的電流密度變化規(guī)律如圖5所示。圖5表明：在低過(guò)電位區(qū)，螺旋槳表體電位幾乎無(wú)變化，大軸電流密度對(duì)螺旋槳電位影響不大；艦船船殼表體電位與大軸電流密度成線性關(guān)系，大軸電流密度越大，船殼表體電位越大。

通過(guò)仿真可以看出，在921合金鋼條、錫青銅片的交換電流密度j0一定時(shí)，不論是處于高過(guò)電位區(qū)還是低過(guò)電位區(qū)，大軸電流密度越大，921合金鋼條電位偏離其自腐蝕電位越大。說(shuō)明電極反應(yīng)要以更快的速度進(jìn)行，需要更大的推動(dòng)力[9]，這是符合電極動(dòng)力學(xué)規(guī)律的。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電流密度多用于理論計(jì)算與研究，大軸電流密度在工程中不方便測(cè)量，但由于流經(jīng)大軸的電流面積是不變的，大軸電流與大軸電流密度只相差一個(gè)比例系數(shù)，工程上可以轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)大軸電流與艦船表體電位的變化。實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)施包括無(wú)磁性實(shí)驗(yàn)水池、實(shí)驗(yàn)船模組成。無(wú)磁性實(shí)驗(yàn)水池，尺寸為8 m×5 m×1.5 m，在水池中放入0.4 m深的水，并將工業(yè)用鹽倒入池中，讓其充分溶解并混合均勻,用來(lái)模擬淡鹽水，測(cè)得所配制的海水的電導(dǎo)率為3.96 S/m。實(shí)驗(yàn)船模大軸直通，按實(shí)船縮小比例1∶100制得，船殼由鋼板構(gòu)成，螺旋槳由銅制成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程船模靜止不航行，不開(kāi)啟外加電流防腐系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)如圖6所示。為增大腐蝕電流，易于實(shí)驗(yàn)測(cè)量，船模殼體未涂防腐層，大軸電流采用電流互感器監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)前分別對(duì)船殼和螺旋槳材料的自腐蝕電位進(jìn)行了測(cè)量，船殼材料自腐蝕電位為-0.69 V，螺旋槳材料自腐蝕電位為-0.32 V。艦船表體電位取船體后部靠近螺旋槳的A點(diǎn)電位，以及船體中部的B點(diǎn)電位，A、B點(diǎn)電位隨大軸電流變化如圖7所示。濾波、擬合后的船體A、B點(diǎn)電位與大軸電流的關(guān)系如圖8所示。當(dāng)船殼電位偏離自腐蝕電位在0.1 V以?xún)?nèi)時(shí)，大軸電流與船體A、B點(diǎn)電位近似線性；當(dāng)船體電位偏離自腐蝕電位大于0.1 V時(shí)，可視為進(jìn)入高過(guò)電位區(qū)，大軸電流與船體A、B點(diǎn)電位基本接近對(duì)數(shù)關(guān)系。整體而言，B點(diǎn)電位偏離自腐蝕電位大于A點(diǎn)，也就是靠近螺旋漿區(qū)域，表體電位偏離自腐蝕電位變小。同時(shí)，進(jìn)入高過(guò)電位區(qū)后，A點(diǎn)電位梯度變化大于B點(diǎn)電位梯度變化，也就是靠近螺旋漿區(qū)域，表體電位變化變快。實(shí)驗(yàn)結(jié)論與仿真結(jié)論吻合。但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法重現(xiàn)仿真結(jié)果，這與極化反應(yīng)的交換電流密度、反應(yīng)活化能、自腐蝕電位變化等微觀因素有關(guān)。由于船模是大軸直通，兩種異種金屬在海水中形成的腐蝕電偶經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的穩(wěn)定，最終會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)平衡電位[9]，因此該實(shí)驗(yàn)是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有不可復(fù)制性，即使船體面積、海水濃度、浸泡時(shí)間、室內(nèi)溫度等因素不變，每次實(shí)驗(yàn)也不能作出一致的結(jié)果，只能進(jìn)一步從宏觀角度探索大軸電流與船體電位的關(guān)系規(guī)律。

5 結(jié)論

本文提出了不同極化條件下艦船表體電位與大軸電流密度的關(guān)系驗(yàn)證方法。該方法分別在高過(guò)電位區(qū)和低過(guò)電位區(qū)對(duì)艦船大軸電流密度與艦船表體電位建立了兩套函數(shù)關(guān)系，并給出了不同極化條件下艦船大軸電流密度與艦船表體電位的數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：

1)當(dāng)船殼、螺旋槳偏離自腐蝕電位0.1 V以上時(shí)，艦船表體電位與大軸電流密度成對(duì)數(shù)關(guān)系，大軸電流密度越大，船殼電位越大，螺旋槳電位越小。

2)當(dāng)船殼、螺旋槳偏離自腐蝕電位不足0.1 V時(shí)，螺旋槳電位幾乎無(wú)變化；船殼電位與大軸電流密度成線性關(guān)系，大軸電流密度越大，船殼電位越大。

3)越接近螺旋漿區(qū)域，船殼表體電位變化越快，

但電位偏離自腐蝕電位越小。

4)可考慮以大軸電流作為監(jiān)測(cè)信號(hào)，通過(guò)抑制船體極化來(lái)改變艦船表體電位分布，為下一步的船體防腐、降低艦船電場(chǎng)等研究提供理論依據(jù)。

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