PCP系統(tǒng)的優(yōu)化對船舶水下電場的抑制作用*

譚 浩，陳 聰，沈 濱

(1.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部，湖北 武漢 430033；3.武漢東湖學(xué)院 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430212)

聲場和磁場一直都是水下目標(biāo)探測主要的信號特征源，但是消聲降噪和消磁技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，使得探測這兩種物理場信號的難度不斷增大，于是海水中的電場信號逐漸受到了更大的關(guān)注，因為無論船舶是靜止還是運動，其周圍海水中都存在電場[1]。傳感器和信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)使水下的電場成為除聲場和磁場外另一個重要的暴露源[2]。

船體由金屬構(gòu)成，主要成分方面，船身是鋼，螺旋槳是銅。海水中，鋼和銅因極化電位不同而產(chǎn)生的腐蝕電流和陰極保護(Cathodic Protection，CP)系統(tǒng)輸出的防腐電流會經(jīng)海水由船殼流向螺旋槳，再通過螺旋槳主軸及各機械部件流回船殼形成回路，從而在海水中產(chǎn)生0.1 Hz以下的準(zhǔn)靜態(tài)電場[1]，如圖1所示。如果船身防腐涂層不均勻，也會造成局部腐蝕更加劇烈，那么腐蝕電流也會在船身的不同區(qū)域之間形成“船殼腐蝕區(qū)域—海水—犧牲陽極”回路。而靜態(tài)電場經(jīng)過螺旋槳的調(diào)制，還會形成頻率與螺旋槳轉(zhuǎn)動頻率一致的軸頻電場，其信號的頻譜特征明顯，也容易成為船舶水下的暴露源[3-5]。

圖1 產(chǎn)生水下電場的電流回路Fig.1 Current loop of electrostatic field underwater

總的來說，船體的腐蝕和水下電場的形成是由于船殼不同金屬成分的極化電位存在差異，因此，船身電位的均勻化程度就能夠影響船體的腐蝕狀況和水下的電場目標(biāo)特征。

本文主要針對犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)的優(yōu)化在船身電位均勻化方面能夠起到的作用進行研究。犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)也稱被動陰極保護(Passive Cathodic Protection，PCP)系統(tǒng)，其工作原理是將極化電位較低的金屬(如犧牲陽極Zn等)與被保護的金屬(如構(gòu)成船體的Fe和Cu等)相連，通過犧牲陽極的腐蝕所產(chǎn)生的電流來保護船殼。因此，犧牲陽極的數(shù)量與分布能夠改變船體表面的電位分布，進而影響水下電場的目標(biāo)特征。

1 邊界元模型

為了計算船身電位均勻化對船體防腐和水下電場的抑制作用，采用邊界元法建立了計算模型。模型中，海水視為均勻且連續(xù)的電解質(zhì)，電導(dǎo)率為4 S/m，其中不存在凈電荷，所以靜電場服從Lapace方程[6]。船體表面電位和電流之間的關(guān)系由實驗測得的極化曲線決定。

海床和空氣的電導(dǎo)率相對于海水而言非常低，如果海水很深，則可以近似認為海床-海水界面不存在電流；一般航行狀態(tài)下場源在空氣-海水界面附近，可用鏡像法求解[7]；犧牲陽極可視為恒電位源；船身為陰極表面(分為涂層保護區(qū)域與涂層脫落區(qū)域兩種情況)，以材料的電極化方程或極化曲線作為邊界條件；絕緣部位可認為電流為0且電位值已知。

船身材料為鋼(有涂層覆蓋)，螺旋槳為銅(無涂層覆蓋)，水下部分長約117 m，寬約15.6 m，最深處約6.7 m。場強測量平面為邊長400 m的正方形，位于船體下方50 m深處。設(shè)置以龍骨為軸呈對稱分布的四塊涂層完全脫落的區(qū)域，靠近船頭兩塊區(qū)域面積約為6.4 m2，靠近船尾兩塊區(qū)域面積約為3.3 m2，畫點單元區(qū)域添加18塊犧牲陽極，如圖2所示。

圖2 船體水下模型Fig.2 Model of the ship underwater

2 電位均勻化對防腐和水下電場的作用

由以上模型，分別計算得到船體自然腐蝕和PCP系統(tǒng)防腐兩種情況下的船身電位分布和測量平面電流密度的分布，計算結(jié)果如圖3和圖4所示。用電流密度表征測量平面電場的優(yōu)勢在于更利于分析不同的特征量：其分布反映了水下電位變化的梯度，與電導(dǎo)率的比值則為電場強度的值。

圖3 自然腐蝕的船殼電位分布Fig.3 Potential distributing of the ship in natural corrosion

計算結(jié)果表明，自然腐蝕時的船身電位基本處于-610～-520 mV之間，高于保護區(qū)間-1 100～-800 mV，腐蝕區(qū)域與螺旋槳之間的電位差達到了170 mV左右，所以船體處于腐蝕狀態(tài)；而PCP系統(tǒng)防腐時，船身電位基本處于-840～-770 mV之間，腐蝕區(qū)域與螺旋槳之間的電位差也減小到100 mV左右，腐蝕狀況得以緩解。水下的測量平面處，參考Y方向的電流密度，計算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖6 PCP防腐的測量點電流密度Fig.6 Current density underwater of the ship in PCP anticorrosion

由計算結(jié)果可知，隨著正橫距的增大，靜電場信號的幅值衰減較快，且在同一水深條件下，正橫距為0B和0.5B(B為船寬)、1.0B的信號明顯大于1.5B和2.0B的信號，所以在后續(xù)實驗中，重點對正橫為0B、0.5B和1.0B的電場峰-峰值進行分析。

由圖5和圖6還能夠發(fā)現(xiàn)，自然腐蝕時測量平面的電流密度峰值達到了約0.28 mA/m2，而PCP防腐后峰值則減小到0.23 mA/m2左右。這個結(jié)果說明，盡管添加PCP系統(tǒng)后會增大防腐電流，但是，只要針對陽極的數(shù)量和分布進行合理的設(shè)計，就能夠在起到防腐作用的同時對水下電場的目標(biāo)特征產(chǎn)生抑制作用。

3 優(yōu)化PCP系統(tǒng)

電解液中，陰極的腐蝕程度與陰、陽兩極的極化電位差關(guān)系密切，所產(chǎn)生的腐蝕電流與水下電場的大小趨勢一致。而船殼的涂層狀況如果并不均勻，甚至出現(xiàn)局部脫落的情況則會增大電位差。由于船身電位相對于水下的電場信號更易測量，對陰極保護系統(tǒng)的優(yōu)化可致力于船身電位均勻化的目標(biāo)上[8]。

當(dāng)犧牲陽極的數(shù)量較少時，如圖7左半部分所示，假設(shè)犧牲陽極的數(shù)量只有1個，為對腐蝕區(qū)域起到保護作用，防腐電流就需要保持一定的強度；如果適當(dāng)增加陽極數(shù)量，如圖7右半部所示，為達到與左半部分相同的防腐效果，所需的防腐電流可由多個陽極共同提供，各個陽極的輸出都會相對減小，若同時出現(xiàn)多個防腐區(qū)域，電流所途經(jīng)的距離也會相對縮短。因此，陽極數(shù)量適當(dāng)增多時，船身電位的均勻化程度會得到提高，這樣就能夠在防腐的同時起到減弱水下靜電場的作用。這也就是陰極保護系統(tǒng)的優(yōu)化原則。

圖7 PCP系統(tǒng)優(yōu)化示意圖Fig.7 Sketch of optimization in PCP system

根據(jù)以上優(yōu)化原則，在圖2模型中設(shè)置78塊犧牲陽極，如圖8所示，計算得到船身與水下的情況如圖9和圖10所示。

圖8 添加犧牲陽極的船體水下部分Fig.8 Underwater part of the ship with more sacrificial anodes

圖9 添加犧牲陽極后的船身電位Fig.9 Potential of the ship with more sacrificial anodes

圖10 添加犧牲陽極后的測量點電流密度Fig.10 Current density underwater of the ship in PCP anticorrosion with more sacrificial anodes

可以發(fā)現(xiàn)，此時的船身電位基本處于-1 050～-960 mV之間，電位差進一步減小至約60 mV，起到了較好的船體防腐作用；同時，水下電流密度的峰值也降低到0.20 mA/m2以下，低于優(yōu)化前的水平。可見，優(yōu)化后不僅增強了防腐功能，而且盡管犧牲陽極的數(shù)量增加了，水下靜電場依然得到了進一步的抑制。

4 實驗室船模實驗

為了對仿真結(jié)果進行驗證，在實驗水池進行了船模實驗，坐標(biāo)方向選取與仿真相同的方向。

實驗水池長、寬和深分別為12 m、7 m和1.2 m。船模長272 cm，寬34 cm，吃水9.14 cm，船體的材料為鋼，螺旋槳為鎳鋁青銅，部分區(qū)域為絕緣材料，美人架為鋼。船模螺旋槳的轉(zhuǎn)軸上安裝有滑動變阻器，通過調(diào)整其阻值來模擬船殼整體的涂層完好程度。為了增強實驗效果，船用漆僅涂一層，并利用刀片在船體增加幾處破損位置。實驗過程示意圖如圖11所示。

圖11 實驗過程示意圖Fig.11 Schematic diagram of the experiment

按照模型的縮比狀況配置人工海水，海水電導(dǎo)率設(shè)置為2.61 S/m，船模吃水深度約為9.2 cm。電場測量傳感器為低噪聲全固態(tài)Ag/AgCl電極，距離水面的深度同樣按照相同比例進行縮比，布置于水下1.0B的深度，在該深度上分別測量正橫距0B、0.5B、1.0B測線上的電場信號。

為了能夠有效測量水下電場信號，研制了低噪聲電場放大器，信號帶寬為0～0.5 Hz，前置放大器增益為60 dB，在0.1～10 Hz范圍內(nèi)，噪聲峰-峰值小于1 μV/m。

實驗過程中分別采用局部(減搖鰭、美人架和螺旋槳)犧牲陽極防腐(6個Zn塊)和全船犧牲陽極防腐(16個Zn塊)來對比兩種情況下的船身電位和水下電場特征，其中全船防腐多出的10個Zn塊基本均勻布置于船底(如此設(shè)計犧牲陽極的數(shù)量和位置只是相對于局部而言定性地預(yù)計能夠使電位更加均勻，是否為最佳的優(yōu)化方案則需要通過邊界元建模進行定量計算)。將測量電極布放于水池中央，利用電機拖動裝置調(diào)整縮比船模的運動速度，船模螺旋槳旋轉(zhuǎn)螺旋槳運轉(zhuǎn)速度分別為61 r/min、90 r/min、140 r/min和240 r/min，對應(yīng)的船模行進速度分別約為：6.70 cm/s、10.08 cm/s、17.14 cm/s和26.60 cm/s。

在不同航速、不同涂層完好程度下測量到的軸電流、參比電極電位和不同正橫距的電場峰-峰值在局部PCP防腐和整體PCP防腐兩種狀態(tài)下的實驗測量結(jié)果如表1和表2所示。

其中，由于電極尺寸相對于船模而言較大，且由于實驗條件的限制，電極難以完全固定于船身，船模在行進過程中會造成電極的晃動甚至脫落，水流也會導(dǎo)致電極極化的不穩(wěn)定，所以船身電位僅用參比電極進行總體的表征，用來判定船模整體是否處于保護區(qū)間，參比電極安裝于船底幾何中心位置。

對比表1和表2中參比電極的電位可以發(fā)現(xiàn)，局部PCP防腐和整體PCP防腐兩種情況下，參比電極的電位基本上位于保護區(qū)間內(nèi)，說明兩種狀態(tài)下都對船體起到了較好的防腐作用。而整體防腐時參比電極的電位相對更低，說明犧牲陽極數(shù)量的增多會使防腐電流增大，起到了更好的防腐效果。當(dāng)然，如果犧牲陽極的數(shù)量過多，會造成船體的過保護，也會增大水下電場的強度，所以犧牲陽極的數(shù)量需要通過對船體的大小、結(jié)構(gòu)和材料等具體參數(shù)進行計算后才能確定。

要判斷防腐電流的增大是否必然導(dǎo)致水下電場目標(biāo)特征的增強，可以考察變阻器阻值和航速相同時，兩種防腐狀態(tài)在水下產(chǎn)生的電位峰-峰值。由表1和表2可知，涂層完好程度相同時相同的測量點在絕大部分情況下，整體防腐的電場峰-峰值相對于局部防腐時的值更低，這說明犧牲陽極的增多盡管會增大防腐電流，但是通過合理優(yōu)化犧牲陽極的個數(shù)和位置，可以在保證防腐的條件下，達到降低艦船電場的目的，而其中優(yōu)化的原則與仿真計算時的原理是一致的——盡可能使多個犧牲陽極去保護同一塊腐蝕區(qū)域，雖然總的防腐電流會增大，但是每個防腐模塊輸出的電流則會相對減小，從而使得整個船體的電位更加均勻并使水下電場得到抑制。

由表1和表2還能夠看出，在相同的航速下隨著涂層電阻的增大，軸電流逐漸減小，而水下電場值卻呈上升趨勢，這與通常對船舶水下電場成因的電流走向的認識存在出入。經(jīng)分析，由于存在數(shù)量較多的犧牲陽極，其極化電位相對于船殼腐蝕區(qū)域和螺旋槳的電位更低，所以經(jīng)海水流向螺旋槳及轉(zhuǎn)軸的腐蝕和防腐電流都會降低，更多的電流會直接經(jīng)過犧牲陽極和腐蝕區(qū)域或在犧牲陽極之間直接流進海水。

另外，隨著變阻器阻值的增大，軸電流呈下降趨勢，這一點是正常的，表明涂層越完好，產(chǎn)生電場回路中的電流在減小。不過對于局部防腐，涂層破損較高時，隨著航速的增加，軸電流呈下降趨勢；涂層較為完好時，隨著航速的增加，軸電流呈上升趨勢；而整體防腐時，在相同的涂層下，隨著航速的增加，軸電流的變化卻不大。分析其中的原因在于：航速的加大會使材料的去極化作用增大、極化電阻減小。局部防腐時，如果變阻器阻值較小，電流主要經(jīng)“船殼—海水—螺旋槳”完成回路，所以航速提高帶來的去極化作用對軸電流的影響比較大；如果變阻器阻值增大，則“船殼—海水—螺旋槳”回路中的電流會有一部分分流到“船殼腐蝕區(qū)域—海水—犧牲陽極”回路，所以去極化作用對軸電流的影響被弱化；到了整體防腐，由于犧牲陽極的數(shù)量增多，“船殼—海水—螺旋槳”回路中的電流會進一步減小，去極化作用對軸電流的影響則進一步被弱化。

5 結(jié)論與展望

本文通過仿真計算，分析了PCP系統(tǒng)犧牲陽極的數(shù)量和分布對船身電位和水下電場的影響，并在此基礎(chǔ)上進行了實驗。結(jié)果表明，以保持船身電位的均勻為目標(biāo)對PCP系統(tǒng)進行優(yōu)化，能夠同時起到防腐和抑制水下電場的功能，且相對于以水下電場的抑制為目標(biāo)的優(yōu)化方式，本文方法更加便于測量與評估優(yōu)化效果的實際操作。

不過，由于PCP系統(tǒng)在安裝完成后不易更改其犧牲陽極的分布，且由表1和表2可知，隨著涂層狀態(tài)的改變，盡管犧牲陽極在短時間內(nèi)沒有太大變化，但是水下的電場信號卻依然是變化的，這就說明犧牲陽極輸出的防腐電流僅受環(huán)境因素影響(如溫度、海水電導(dǎo)率、船殼腐蝕狀況甚至航速等)，難以人為的控制，且電流輸出不穩(wěn)定。而且，隨著犧牲陽極的不斷腐蝕，也需要定期更換陽極塊，這些都是PCP系統(tǒng)存在的缺陷。

相較而言，PCP系統(tǒng)的防腐電流相當(dāng)于“恒壓輸出”，而外加電流陰極保護(Impressed Current Cathodic Protection，ICCP)系統(tǒng)的防腐電流則相當(dāng)于“恒流輸出”。盡管在建造完成后，兩種陰極保護系統(tǒng)中陽極的數(shù)量和位置都難以改變，但ICCP系統(tǒng)防腐電流的輸出更加易于人為控制和監(jiān)測，只要維持每個輔助陽極輸出電流與犧牲陽極的輸出電流一致，則仍然可以達到防腐和控制水下電場的目的。

所以，為了使船舶在不同海域、不同航速、不同涂層狀態(tài)下均能得到有效的保護且能夠抑制水下電場的目標(biāo)特征，應(yīng)進一步對ICCP系統(tǒng)開展研究，實現(xiàn)ICCP為主、PCP為輔的一套系統(tǒng)，這也是下一步的研究重點。