艦船腐蝕相關(guān)靜電場隱身方法研究*

喻 鵬 姜潤翔 程錦房

(海軍工程大學(xué)兵器系 武漢 430033)

艦船腐蝕相關(guān)靜電場隱身方法研究*

喻 鵬 姜潤翔 程錦房

(海軍工程大學(xué)兵器系 武漢 430033)

為了達到最大程度減少艦船靜電場的目的，在利用邊界元數(shù)值仿真軟件的基礎(chǔ)上，對比分析了自然腐蝕狀態(tài)、犧牲陽極保護、外加電流陰極保護優(yōu)化和外加電流補償四種狀態(tài)下的船體電位及水下靜電場特性.結(jié)果表明，基于外加電流補償?shù)姆椒苡行Ы档团灤o電場，但是僅船體尾部和螺旋槳附近處于陰極保護狀態(tài).為了兼顧防腐與隱身的要求，提出“平時”采用外加電流陰極保護優(yōu)化技術(shù)和“戰(zhàn)時”采用外加電流補償技術(shù)的靜電場隱身方法.

艦船；靜電場隱身；防腐；陰極保護優(yōu)化；外加電流補償

0 引 言

艦船靜電場是水中兵器的重要被動攻擊源,其靜電場強度在近場可達mV/m的量級[1-2]，而現(xiàn)有電場測量裝置的測試精度已經(jīng)可以達到nV/m的量級，易被裝有電場引信的水雷武器(如俄羅斯的“MDM-6”[3]、意大利的“ASTERIA”[4]和西班牙的“MINEA”水雷等)攻擊，為了提高艦艇的生命力，各國通常將電場抑制技術(shù)運用在船舶設(shè)計和制造中[5-6].如俄羅斯海軍使用“Каскад-э”系統(tǒng)、美國研制“Advanced ICCP”系統(tǒng)等[7].

由于艦船靜電場主要是由于腐蝕和防腐電流產(chǎn)生的，為了降低艦船靜電場，普遍的做法的是采取優(yōu)化結(jié)構(gòu)工藝[8]、外加電流補償和陰極保護優(yōu)化設(shè)計[9-10]等幾種方法.針對上述問題，利用邊界元軟件仿真計算了同一艘中型艦船在不同狀態(tài)下的水下電場值及船體表面的電位值，厘清外加電流補償與陰極保護優(yōu)化之間的關(guān)系，明確最大程度地實現(xiàn)艦船靜電場隱身的技術(shù)方法.

1 靜電場產(chǎn)生機理

艦船是由多種材料制成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)物，主要包括不同種類的碳鋼、低合金鋼、鑄鋼、銅合金、鋁合金、不銹鋼和鈦合金等.由于不同金屬材料在海水中的電極電位不同，當(dāng)使用金屬導(dǎo)線將不同金屬電連接時，就形成腐蝕原電池(電解偶電路)，從而在回路中產(chǎn)生電流.隨著電流的產(chǎn)生，陽極逐漸被腐蝕，而陰極得到保護，最后達到動態(tài)平衡，在海水中產(chǎn)生穩(wěn)恒電流.根據(jù)歐姆定律的微分形式j(luò)=σE可知，海水中將產(chǎn)生電場.

2 靜電場隱身方法

2.1 結(jié)構(gòu)工藝

減小艦船靜電場的結(jié)構(gòu)工藝可理解為艦艇主要電場源材料之間的電隔離工藝及用于降低艦艇電場源數(shù)量或強度的結(jié)構(gòu)措施.采用的方法主要包括：合理使用電介質(zhì)材料和涂層、采用電隔離措施增大電場源的回路內(nèi)阻、減小異種金屬的數(shù)量及使用電極電位差小的金屬、合理屏蔽電場源等幾種方法.

2.2 外加電流補償技術(shù)

隨著艦船服役期的增長，電絕緣層的老化將導(dǎo)致電隔離措施的性能大幅下降，仍然會產(chǎn)生腐蝕電場.為了更有效地減小“船殼-海水-螺旋槳”回路產(chǎn)生的靜電場信號，可采用外加電流補償技術(shù)進一步降低靜電場信號.外加電流補償技術(shù)的是通過外加與自然腐蝕相反的電流實現(xiàn)靜電場隱身的方法，其基本原理見圖1.其中，實線為腐蝕電流，虛線為補償電流，R為船殼和螺旋槳之間的內(nèi)部回路電阻.

圖1 電流補償技術(shù)原理圖

2.3 陰極保護優(yōu)化設(shè)計

在艦船設(shè)計中，為防止船體腐蝕，艦船一般采用陰極保護技術(shù).但是，陰極保護技術(shù)會產(chǎn)生較大的防腐電流，使艦船靜電場增大，影響靜電場隱身效果.為了兼顧防腐和電場隱身，可利用電場仿真計算軟件(如“CP Master”“PROCA”“COMCAP”和“BEASY”等)和縮比船模根據(jù)艦船的實際線型對犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)和外加電流陰極保護系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，合理選擇參比電極和輔助陽極或犧牲陽極的位置和數(shù)量，在有效保護船體的前提下，使艦船腐蝕防護靜電場降低，其基本原理是使船體保護電流分布的更加均勻.

3 算 例

為了對比分析不同靜電場隱身技術(shù)的效果，同時厘清外加電流補償與陰極保護優(yōu)化之間的關(guān)系，利用邊界元軟件對一船舶在不同狀態(tài)時的水下靜電場及船體表面電位進行仿真計算.其中，船長L=130 m、寬B=15 m，吃水T=4 m，以船底部幾何中心為坐標原點，x軸指向船首方向，y軸指向左舷，z軸指向船體正上方.船首尾對應(yīng)的坐標分別為65，-65 m，船體結(jié)構(gòu)見圖2，船體表面材料為涂層破損率為2%的鋼，螺旋槳為鎳鋁青銅，船體及螺旋槳的極化曲線見圖3.

圖2 艦船結(jié)構(gòu)

圖3 不同材料的極化曲線

取海水電導(dǎo)率為4 S/m(海水深度60 m)，海底電導(dǎo)率為0.1 S/m，利用邊界元軟件分別計算不同狀態(tài)下的水下電場和船體表面電位值.

3.1 自然腐蝕

表1為自然腐蝕狀態(tài)下艦船龍骨正下方不同深度平面電場、電位峰-峰值.從已有資料可以知道，電場探測系統(tǒng)如水雷等利用傳感器測量艦船周圍某兩點的電勢差[12-13]，目前電場引信水雷所采用的電極距通常在0.5～1 m，所得信號近似為電場信號，為此，文中采用電場|E|值作為評價指標.

表1 自然腐蝕狀態(tài)下電場、電位峰-峰值

由表1可知，自然腐蝕狀態(tài)下，艦船靜電場在近場可達mV/m的量級，極易被探測到.隨著水深的增大，艦船水下電場信號逐步減弱，這主要是點電荷電位及電場衰減特性決定的.

3.2 全船犧牲陽極保護

犧牲陽極保護是利用犧牲陽極塊提供所需的陰極保護電流，使金屬結(jié)構(gòu)的電位達到陰極保護的最佳保護電位.由圖3可知，船體材料達到保護電位-0.80 V時的陰極極化電流密度為10 mA/m2左右，而螺旋槳材料的保護電位低于自平衡電位-100 mV時(此時電位為-480 mV)的陰極極化電流密度為500 mA/m2左右.

計算得到浸水面積為2 351.6 m2的船體需要的保護電流為23.5 A，而螺旋槳的保護電流為33.08 A，犧牲陽極采用鋁基陽極(尺寸為1 000 mm×120 mm×50 mm)，其輸出電流按照22.5 A/m2計算，得到陽極的總面積為2.51 m2，從而估算出的陽極塊個數(shù)為20塊.利用邊界元軟件仿真得到犧牲陽極安裝的最佳位置，由于船體左右對稱，僅給出船體左舷犧牲陽極安裝位置，見表2(序號由小至大依次代表由船尾至船首的犧牲陽極)，此時全船犧牲陽極總輸出電流為41.105 A.全船犧牲陽極保護狀態(tài)下的龍骨正下方電場及電位峰峰值見表3.

由表3和表1可知，使用全船犧牲陽極保護時，艦船水下靜電場相比自然腐蝕狀態(tài)增加將近3倍，靜電場隱身性能降低.這主要是由于在犧牲陽極防腐狀態(tài)下，防腐電流的產(chǎn)生使螺旋槳電流得到大幅度提升的原因.

表2 犧牲陽極塊安裝位置

表3 全船犧牲陽極狀態(tài)下電場、電位峰-峰值

3.3 外加電流陰極保護及優(yōu)化

外加電流陰極防腐是由外部的直流源直接向被保護金屬通以陰極電流，使之陰極極化，達到陰極保護的目的.相比于犧牲陽極法具有設(shè)計使用壽命長，輸出電流、電位可調(diào)等優(yōu)點.

3.3.1外加電流陰極保護

兩對輔助陽極ICCP1和ICCP2均以龍骨為中線對稱分布，相對于艦船尾部的縱向距離分別為18.2 m和52.2 m，都在水線以下1.5 m.以船體剛好處于保護電位為目標函數(shù)，利用邊界元軟件計算得到的電流值分別為：ICCP1=16.591 A和ICCP2=32.244 A，雙軸電流之和為35.94 A.龍骨正下方電場及電位峰峰值見表4.

表4 兩對輔助陽極狀態(tài)下電場、電位峰-峰值

3.3.2外加電流陰極保護優(yōu)化

為了使船體表面電位更加均勻，采用多對輔助陽極進行優(yōu)化，對比分析其防腐及靜電場隱身效果.將船體劃分為三個區(qū)進行保護，輔助陽極由兩對增加至八對(四個陽極變?yōu)?6個陽極)，輔助陽極關(guān)于龍骨左右對稱，給出左舷的輔助陽極安裝位置及輸出電流值，見表5.

此電流條件下，雙軸電流和為51.39 A.龍骨正下方電場及電位峰峰值見表6.

表5 輔助陽極安裝位置及電流值

表6 八對輔助陽極狀態(tài)下電場、電位峰-峰值

由表4和表6可知，采用多對輔助陽極后，電場值有所減小，以水深15 m平面為例，|E|的峰-峰值由3 475.06降低至2 451.24，降低幅度約30%，主要是由于增加多對輔助陽極，使得船體表面電位更加均勻.但它對電場的降低是有限的，這主要是由于在陰極保護狀態(tài)下，螺旋槳電流得到大幅度提升的原因，且輔助陽極的尺寸均遠小于螺旋槳的尺寸，隨著距離的增大，輔助陽極的電場值衰減較快，在遠距離上，電場值主要取決于螺旋槳等效點電荷電場值的緣故.

由表3和表6可知，八對輔助陽極和全船犧牲陽極防腐時的水下電場大小基本相當(dāng).事實上，外加電流陰極保護和全船犧牲陽極防腐在艦船隱身與防腐方面原理基本一致，但是由于犧牲陽極輸出電流不可控，當(dāng)艦船涂層電阻、航速等外部條件改變時，其現(xiàn)有防腐與靜電場隱身的性能便不是最優(yōu)的.故多對輔助陽極防腐的方法不僅能達到有效防腐的效果，也可以在防腐的前提下降低靜電場信號.

3.4 外加電流補償

外加電流補償技術(shù)一般在螺旋槳正上方安裝補償陽極，輸出補償電流.通過軟件仿真分析可得當(dāng)補償陽極輸出電流為21.5 A時，艦船水下1B處靜電場達到了最小值，此時的軸電流為21.98 A.龍骨正下方電場及電位峰峰值見表7.

表7 外加電流補償狀態(tài)下電場、電位峰-峰值

由表7可知，相對于自然腐蝕狀態(tài)，外加電流補償后，不同深度平面的電位U、電場|E|的峰-峰值均有所減小，但減小的比例不一致，且隨著水深的增大，補償后的電場值衰減的更快.以水深1.0B為例，電場減小了56%，電場隱身效果明顯.主要是由于外加電流補償了船體腐蝕產(chǎn)生的電流，使極值點的縱向距離縮短，即等效偶極矩的距離明顯減小，隨著距離的增大，靜電場抑制效果將明顯增大.

3.5 不同狀態(tài)電場及電位對比

圖4為幾種狀態(tài)下龍骨表面的電位，由圖4可知，自然腐蝕時，船體未處于保護電位(-800～-1 000 mV)，此時防腐效果最差.八對輔助陽極保護相比兩對輔助陽極以及全船犧牲陽極保護，船體表面保護的更加均勻，防腐效果最佳.

圖4 不同狀態(tài)下龍骨表面的電位

相比于外加電流陰極保護，外加電流補償僅補償了船體產(chǎn)生的腐蝕電流，只有船體尾部和螺旋槳附近處于陰極保護狀態(tài)，而中部及首部位置只達到了自平衡電位，處于欠保護狀態(tài)，易造成腐蝕.

所以從陰極保護即艦船防腐的效果來看，多對輔助陽極效果最優(yōu)，外加電流補償效果較差.

圖5為幾種狀態(tài)下水深15 m，正橫8 m的水下電位和電場信號，由圖5可知，外加電流補償狀態(tài)時的靜電場信號最小，且大幅低于陰極保護優(yōu)化時的靜電場信號.

圖5 不同狀態(tài)下水下電位信號和電場模值

所以從艦船靜電場隱身的角度來看，外加電流補償時的隱身效果最好.

4 結(jié) 束 語

基于多對輔助陽極的陰極保護優(yōu)化技術(shù)能夠使整個船體處于最佳防腐狀態(tài)，相比于優(yōu)化前的靜電場信號可達30%的抑制效果.

采用外加電流補償技術(shù)，可以使船體靜電場信號明顯低于陰極保護優(yōu)化狀態(tài)及自然腐蝕狀態(tài)，但是船體陰極保護不充分，會產(chǎn)生一定的腐蝕.

所以為了最大限度降低艦船靜電場信號，解決防腐與隱身的矛盾，實際使用中可采用兩種工作狀態(tài)模式：當(dāng)艦船通過疑似水雷區(qū)或電場探測裝置時，可采取外加電流補償技術(shù)進行靜電場隱身；而在平時，則采用基于多對輔助陽極的陰極保護優(yōu)化技術(shù).

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Stealth Method Research on Corrosion Related Electrostatic Field of Warship

YUPengJIANGRunxiangCHENGJinfang

(WeaponDepartment,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

In order to reduce ship electrostatic field to the greatest extent, the hull potential and underwater electrostatic field characteristics are compared and analyzed based on boundary element calculating software under four different conditions, natural corrosion, sacrificial anodes protection, advanced impressed-current cathodic protection and impressed-current compensation. The results show that the method based on impressed-current compensation can effectively decrease ship electrostatic field, but only the areas near ship tail and propeller are under cathodic protection. In order to realize the needs for anti-corrosion and stealth in electric field, the advanced impressed-current cathodic protection method is proposed for daily use and the impressed-current compensation method proposed for wartime use.

warship; Electrostatic field stealth; anti-corrosion; cathodic protection optimization; impressed-current compensation

U672.72

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.026

2017-09-16

喻鵬(1991—)：男，碩士，主要研究領(lǐng)域為軍用目標特性探測、艦船電場

*國家自然科學(xué)基金項目資助(51509252)