船體外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王金福 汪成宿 宋 航

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

船舶結(jié)構(gòu)大多為金屬材質(zhì)，金屬的腐蝕是自然界不可避免的現(xiàn)象，如今，陰極保護(hù)技術(shù)在船舶領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，明顯減輕了船舶結(jié)構(gòu)的腐蝕，延長了船舶的使用壽命。船體外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)是通過外加電源，控制船體電位或電流密度使船體陰極極化而達(dá)到不受海水腐蝕的目的[1]，船舶無論在系泊、航行狀態(tài)，系統(tǒng)都應(yīng)具有隨外界條件變化（如航速、海域、油漆破損程度等）而自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流，使船體始終處于最佳保護(hù)電位范圍內(nèi)的功能。船體外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要包含：恒電位儀、輔助陽極、陽極屏蔽層、參比電極、螺旋漿軸接地、舵接地等部件。

1 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

本文案例船舶，船體采用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，壓載艙、冷卻系統(tǒng)等部位采用犧牲陽極保護(hù)（本文不做講解）。按照GB/T 3108-1999《船體外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)》[2]進(jìn)行保護(hù)電流密度的選取，船體參數(shù)、保護(hù)電流密度的選取如表1所示。

該船所需陰極保護(hù)電流：I總＝S1×i1＋S2×i2＋S3×i3＋S4×i4＝176.76A，因外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)需長期連續(xù)運(yùn)行，應(yīng)考慮系統(tǒng)裕量和冗余設(shè)計(jì)，經(jīng)過綜合計(jì)算和選型，恒電位儀選用2臺120A/20V開關(guān)電源型恒電位儀，參比電極、輔助陽極參照GB/T 7387-1999《船用參比電極技術(shù)條件》[3]和GB/T 7388-1999《船用輔助陽極技術(shù)條件》[4]進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)成套表如表2所示。

表1 船體參數(shù)、保護(hù)電流密度

表2 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)成套表

2 系統(tǒng)布置要求

2.1 恒電位儀

恒電位儀：將交流電轉(zhuǎn)換成低壓直流電，輸出保護(hù)電流。

恒電位儀選用2臺120A/20V開關(guān)電源型恒電位儀，其應(yīng)安裝在便于操作管理的艙室，系統(tǒng)布置示意圖如圖1所示。

恒電位儀安裝完成后，應(yīng)測量絕緣電阻（冷態(tài)），用500V兆歐表分別測量恒電位儀三相電源輸入端與機(jī)殼間的絕緣電阻，其應(yīng)≥10MΩ。

2.2 輔助陽極

輔助陽極：連接恒電位儀的正極，將保護(hù)電流經(jīng)過海水傳遞到船體。

輔助陽極選用8套CYB型輔助陽極，其布置在螺旋槳上方2套，艉部至舯部左、右舷各布置3套，高度在水線以下約1.5m，兩舷對稱安裝。輔助陽極外形圖如圖2所示，輔助陽極安裝示意圖如圖3所示。

輔助陽極安裝完成后，陽極體或?qū)щ姉U與陽極密封填料函或水密裝置之間的絕緣電阻，在干燥狀態(tài)下應(yīng)＞1MΩ。

輔助陽極安裝完畢后，對水密裝置內(nèi)部充氣196kPa進(jìn)行密封性能檢查，歷時(shí)15min不漏氣。

2.3 陽極屏蔽層

陽極屏蔽層：使輔助陽極的輸出電流分布到較遠(yuǎn)的船體表面，提高保護(hù)電位分布的均勻性。

陽極屏蔽層材料選用H8702-5型環(huán)氧膩?zhàn)油苛?，涂敷尺寸原則是確保陽極屏蔽層邊緣處船體電位不負(fù)于船體涂層的最大保護(hù)電位，根據(jù)GB/T 3108-1999《船體外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)》附錄B2計(jì)算取整，陽極屏蔽層的尺寸為3000×2000mm，厚度由輔助陽極邊緣向外逐漸減薄，厚度0.5～3.0mm。

2.4 參比電極

參比電極：測量船體電位，將測量的船體電位反饋到恒電位儀。

參比電極選用4套CCY型參比電極，每臺恒電位儀使用兩套[5]，縱向布置于左、右舷輔助陽極中間，與輔助陽極高度一致（約水線以下1.5m）。參比電極外形圖如圖4所示，參比電極安裝示意圖如圖5所示。

參比電極安裝完成后，參比電極體或?qū)щ姉U與電極密封填料函或水密裝置之間的絕緣電阻，在干燥狀態(tài)下應(yīng)＞1MΩ。

參比電極安裝完畢后，對水密裝置內(nèi)部充氣196kPa進(jìn)行密封性能檢查，歷時(shí)15min不漏氣。

2.5 接地裝置

螺旋漿軸、舵接地：通過接地裝置使螺旋漿軸、舵柱與船體形成良好的電性連接，增加系統(tǒng)對螺旋漿、舵板保護(hù)的可靠性。

螺旋槳軸接地：在船艙內(nèi)的螺旋槳軸上加裝銅滑環(huán)和電刷，使螺旋槳與船體保持良好的電接觸，每根軸上裝三只電刷，兩只接船體，使保護(hù)電流通過。第三只與船體絕緣安裝并連接到電位監(jiān)測表，測量螺旋槳對地電位差，軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電位差應(yīng)≤100mV。

舵接地：在舵機(jī)艙內(nèi)用截面積≥25m2的船用軟電纜使舵柱與船體相連，接地電阻應(yīng)＜0.02Ω。

3 系統(tǒng)調(diào)試方法及注意事項(xiàng)

3.1 系統(tǒng)接線檢查

船體外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)接線包含：輸入電源、輔助陽極、陰極、參比電極、延伸報(bào)警信號、零位接地、機(jī)殼接地、螺旋漿軸接地、舵接地。系統(tǒng)接線完畢后，需對接線正確性進(jìn)行檢查，應(yīng)特別注意：

（1）輔助陽極和陰極切勿接反，如果接線錯(cuò)誤，將會(huì)加速船體腐蝕；

（2）參比電極零位接地應(yīng)單獨(dú)接地，嚴(yán)禁與陰極相連，否則將引起電位測量誤差；

（3）參比電纜屏蔽線應(yīng)與零位接地相連，可有效防止參比電極信號干擾；

（4）恒電位儀機(jī)殼必須良好接地。

3.2 自動(dòng)工況調(diào)試（恒電位工作模式）

（1）用萬用表AC 750V檔測量恒電位儀的輸入電源是否正常；

（2）恒電位儀開機(jī)，設(shè)定為恒電位工作模式；

（3）選擇其中一只參比電極為參考參比電極（自動(dòng)工況電位數(shù)據(jù)反饋）；

（4）設(shè)定電位為-0.80～-1.00V（2臺恒電位儀的設(shè)定電位值保持應(yīng)一致，且同步運(yùn)行），觀察各參比電極的測量電位、總輸出電流、各輔助陽極電流、輸出電壓；

（5）船舶無論在系泊或航行狀態(tài)，恒電位儀的恒定電位應(yīng)該保持不變（控制誤差±20mV），其它數(shù)據(jù)在額定值范圍內(nèi)變化為正?，F(xiàn)象。自動(dòng)工況運(yùn)行數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

3.3 手動(dòng)工況調(diào)試（恒電流工作模式）

（1）用萬用表AC 750V檔測量恒電位儀的輸入電源是否正常；

（2）恒電位儀開機(jī)，設(shè)定為恒電流工作模式；

（3）設(shè)定恒電流在合適值（測量電位應(yīng)在－0.80～－1.00V之間）；

（4）觀察各參比電極的測量電位、總輸出電流、各輔助陽極電流、輸出電壓；

（5）恒電流工作模式，總輸出電流應(yīng)該保持不變，其它數(shù)據(jù)在額定值范圍內(nèi)變化為正?，F(xiàn)象；應(yīng)注意觀察各參比電極的測量電位，如測量電位超出額定值范圍，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整恒電流的設(shè)定值，以保證測量電位在-0.80～-1.00V之間。

表3 自動(dòng)工況運(yùn)行數(shù)據(jù)（恒電位儀1）

表4 自動(dòng)工況運(yùn)行數(shù)據(jù)（恒電位儀2）

表5 船體自然電位記錄表（未通電）

表6 自動(dòng)工況船體電位記錄表

3.4 船體保護(hù)電位測量

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行在自動(dòng)工況下，在船舷兩側(cè)從前至后各均取5個(gè)測量點(diǎn)，用萬用表DC 2V檔及便攜式參比電極在測量點(diǎn)處測量保護(hù)電位值，萬用表紅表筆接船體、黑表筆接參比電極，船體保護(hù)電位應(yīng)在-0.80～-1.00V之間（相對于銀/氯化銀參比電極）。本文船體電位使用便攜式銅/飽和硫酸銅參比電極測量，系統(tǒng)通電前船體電位如表5所示，自動(dòng)工況船體電位如表6所示。

3.5 注意事項(xiàng)

（1）系統(tǒng)通電調(diào)試前應(yīng)先檢查各部件的接線情況，確保滿足通電要求再對設(shè)備進(jìn)行通電，以免因接線錯(cuò)誤等原因?qū)ο到y(tǒng)造成損壞；

（2）船體外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)通常運(yùn)行于自動(dòng)工況，手動(dòng)工況主要應(yīng)用于自動(dòng)工況出現(xiàn)故障、參比電極出現(xiàn)故障、船體有焊接作業(yè)等情況；

（3）船舶進(jìn)干塢或淡水區(qū)域應(yīng)將系統(tǒng)關(guān)閉；

（4）為延長船舶的使用壽命，無特殊情況陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)持續(xù)運(yùn)行，且船體電位相對于銀/氯化銀參比電極應(yīng)在-0.80～-1.00V范圍內(nèi)。船舶停泊時(shí)，可用便攜式參比電極測量船體電位的分布情況，以便更好的調(diào)整系統(tǒng)工作在最佳保護(hù)電位范圍內(nèi)[6]。

4 結(jié)語

GB/T 3108-1999《船體外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)》規(guī)定，在海水中船體鋼板的保護(hù)電位范圍相對于銀/氯化銀參比電極應(yīng)達(dá)到-0.80～-1.00V，特殊情況下，當(dāng)陽極布置位置受到限制時(shí)，保護(hù)電位范圍可為-0.75～-1.00V。該船外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試完成、投入運(yùn)行后，船體保護(hù)電位滿足設(shè)計(jì)和實(shí)際使用要求，達(dá)到了陰極保護(hù)效果，可以有效預(yù)防船體腐蝕，延長船舶的使用壽命。