船舶海水管路直流雜散電流仿真研究

邢少華，楊光付，劉廣義，鄭斐，徐傳鑫

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)重點實驗室，山東 青島 266237； 2. 中國人民解放軍海軍研究院，北京 100073）

雜散電流指設(shè)計或者規(guī)定回路以外流動的電流，雜散電流導(dǎo)致的腐蝕稱為雜散電流腐蝕。雜散電流腐蝕是導(dǎo)致船舶腐蝕的重要原因之一，具有破壞性強(qiáng)的特點，腐蝕速率是正常腐蝕速率的幾十甚至上百倍，其破壞性遠(yuǎn)大于其他類型腐蝕。一旦發(fā)生雜散電流腐蝕，可在短時間內(nèi)造成船體或管路腐蝕穿孔，嚴(yán)重威脅船舶的結(jié)構(gòu)安全[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的船舶建造及?？看a頭期間船體雜散電流腐蝕研究，研究結(jié)果表明，船體雜散電流主要來源于電焊機(jī)[2,4]、其他結(jié)構(gòu)物[5-6]以及船舶電氣設(shè)備泄漏電流[1]等，船體雜散電流腐蝕速率與海水中電位梯度密切相關(guān)[7]。目前國內(nèi)針對船體雜散電流腐蝕，建立了雜散電流測量方法[8-10]，頒布了相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)[11]。

海水管路系統(tǒng)是船舶的重要組成部分，承擔(dān)著冷卻主輔機(jī)、消防、壓載和清洗等任務(wù)，對船舶主要設(shè)備正常運(yùn)行、安全及平衡等方面起著重要保障作用。船舶安裝有眾多電氣設(shè)備，且為保證人員安全，大部分電氣設(shè)備與船體連接，電氣設(shè)備漏電流會不可避免地流入船體，由于海水管路系統(tǒng)與船體處于電連接狀態(tài)，流入船體的雜散電流同樣會流入海水管路。為避免海水管路系統(tǒng)異種金屬間電偶腐蝕，不同種金屬材料間采用絕緣法蘭（如圖1所示）進(jìn)行絕緣處理。在絕緣法蘭處，海水管路雜散電流流入管路內(nèi)部海水，通過海水流過絕緣法蘭后，又流回管路，雜散電流流出管路部位，管路發(fā)生陽極極化加速腐蝕，而雜散電流流回管路部位發(fā)生陰極極化，受到保護(hù)，腐蝕速率減小。文獻(xiàn)[12]分析了某船B10管路的異常腐蝕，結(jié)果表明，主要是由于雜散電流腐蝕導(dǎo)致。文獻(xiàn)[13]研究了不同頻率雜散電流對B10管路腐蝕影響，結(jié)果表明，雜散電流腐蝕速率隨著電壓幅值的增加而增加，但隨著頻率的增加而減小，形成的氧化亞銅腐蝕產(chǎn)物膜對雜散電流腐蝕具有一定抑制作用。由于雜散電流具有偶然性、隨機(jī)性特征，海水管路系統(tǒng)管壁雜散電流大小、海水中雜散電流大小、電氣設(shè)備接地電流大小等難以測量。國內(nèi)外關(guān)于船舶海水管路系統(tǒng)雜散電流與電氣設(shè)備接地電流大小關(guān)系鮮見報道，無法闡明電氣設(shè)備產(chǎn)生多大的對地（船體）電流才會對海水管路產(chǎn)生雜散電流腐蝕影響，制約了船舶海水管路系統(tǒng)雜散電流風(fēng)險分析，導(dǎo)致從設(shè)計、控制等角度防控海水管路系統(tǒng)雜散電流缺乏依據(jù)。數(shù)值仿真技術(shù)具有不受時間和空間限制的優(yōu)點，可快速模擬計算各種狀態(tài)下管路及海水中電流密度分布，并用于城市軌道 交通[14-17]、船舶[18]、管道[19-20]雜散電流仿真研究。

圖1 海水管路雜散電流腐蝕原理 Fig.1 Schematic diagram of stray current corrosion of seawater pipeline

與交流雜散電流腐蝕相比，直流雜散電流持續(xù)對金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電解腐蝕，其破壞作用顯著大于交流雜散電流影響。因此，文中采用數(shù)值仿真方法研究了船舶海水管路直流雜散電流密度大小與直流電氣設(shè)備機(jī)殼絕緣電阻的關(guān)系，分析提出直流電氣設(shè)備機(jī)殼絕緣電阻要求，為船舶海水管路系統(tǒng)直流雜散電流腐蝕防護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 直流雜散電流仿真

1.1 仿真模型

根據(jù)船舶海水管路系統(tǒng)雜散電流產(chǎn)生機(jī)理可知，仿真模型包括船體、管路、雜散電流泄漏點和回流點、管路與船體的連接部位、管路絕緣部位等。根據(jù)實船調(diào)研結(jié)果，管路絕緣部位主要位于異種金屬連接部位，如管路與冷卻設(shè)備連接部位、管路與截止閥連接部位等，管路與船體的連接部位主要位于穿艙部位。模擬實船海水管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、與船體連接狀態(tài)、管路構(gòu)件間絕緣狀態(tài)，建立了直管段、彎管段以及實船結(jié)構(gòu)的直流雜散電流仿真模型，如圖2所示。圖2a和圖2b采用3塊400 mm×400 mm鋼板模擬船體結(jié)構(gòu)，圖2a兩段φ57 mm×197.5 mm直管通過φ57 mm× 5 mm聚四氟絕緣乙烯墊片絕緣，圖2b中φ57 mm× 100 mm彎管入口通過φ57 mm×5 mm聚四氟乙烯絕緣墊片與φ57 mm×147.5 mm直管絕緣，彎管出口直接與直管連接。圖2c為模擬某型船一段船體和管路結(jié)構(gòu)，船體直徑為20 m，管路長度為10 m，管路規(guī)格包括DN100、DN50和DN32通徑直管和90°彎頭、DN100-DN50異徑三通、DN100-DN32異徑三通。管路絕緣部位見圖2d，絕緣材料同樣為5 mm厚的聚四氟乙烯。

圖2 海水管路直流雜散電流仿真模型 Fig. 2 Numericial simulation model of DC stray current: a) straight line; b) elbow; c) practical structure; d) insulation position of practical structure

1.2 計算方法

根據(jù)歐姆定律和腐蝕電化學(xué)原理，船體和管路中電流分布滿足歐姆定律，海水中電位和電流分布滿足式（1）和式（2）。采用comsol軟件，計算船體、管壁和管路內(nèi)部海水中的電流、電位分布。

式中：il為海水中電流密度矢量，A/m2；σl為海水電導(dǎo)率，S/m；φ1為電位梯度，V/m。。

1.3 計算邊界條件

船體材料為10CrNiCu低合金鋼，海水管路材料為B10銅鎳合金，管路內(nèi)部流動介質(zhì)為海水，兩種金屬材料和海水電導(dǎo)率見表1。聚四氟乙烯墊片為絕緣材料，電導(dǎo)率為0。

表1 不同材料電導(dǎo)率值 Tab.1 Conductivity of different materials

設(shè)置流入船體的直流雜散電流強(qiáng)度分別為0.1、1、10、100 A。根據(jù)電荷守恒定律，流入和流出船體的直流雜散電流大小相同，則流出船體的直流雜散電流強(qiáng)度分別為-0.1、-1、-10、-100 A。

管路內(nèi)壁在直流雜散電流作用下，發(fā)生電解腐蝕，腐蝕過程中產(chǎn)生電化學(xué)電阻，采用如圖3所示的極化曲線計算B10電解腐蝕過程中的電化學(xué)電阻。

圖3 B10管路靜態(tài)海水極化曲線 Fig. 3 Polarization curve of B10 in static seawater

2 管路直流雜散電流仿真

2.1 直管

采用如圖2所示的仿真模型、表1和圖3所示的邊界條件，計算管路存在一處絕緣、與船體兩處穿艙連接狀態(tài)時的管路直流雜散電流分布。根據(jù)船舶電氣設(shè)備接地要求，所有工作電壓高于50 V以上的電氣設(shè)備均要求接地，即電氣設(shè)備的金屬外殼和與金屬船體做可靠電氣連接。正常狀態(tài)下，電氣設(shè)備機(jī)殼絕緣電阻達(dá)到1 MΩ以上，電氣設(shè)備與船體間電流很小，但艙內(nèi)潮濕大氣、絕緣組件老化等，電氣設(shè)備機(jī)殼絕緣電阻可能失效，產(chǎn)生較大的雜散電流。采用數(shù)值仿真方法，計算直流雜散電流強(qiáng)度分別為0.1、1、10、100 A時（380 V電氣設(shè)備對應(yīng)機(jī)殼絕緣電阻分別為3800、380、38、3.8 Ω，220 V電氣設(shè)備對應(yīng)機(jī)殼絕緣電阻分別為2200、220、22、2.2 Ω），管路內(nèi)表面電流密度模值和腐蝕電位空間分布特征如圖4所示，圖中①、②、③、④顏色標(biāo)尺分別表示雜散電流強(qiáng)度分別為0.1、1、10、100 A時雜散電流和腐蝕電位大小。由圖4a可知，管路直流雜散電流最大值位于絕緣組件兩側(cè)，距離絕緣組件越近，電流密度越大。管路最大直流雜散電流密度隨流入船體直流雜散電流增加而線性增加（如圖5所示），大部分直流雜散電流通過船體回流，流入管路中的直流雜散電流較小，約占流入船體直流雜散電流的0.003%。由圖4b可知，直流雜散電流從管壁流入海水部位發(fā)生陽極極化，加速腐蝕，而直流雜散電流從海水流入管壁部位發(fā)生陰極極化，腐蝕受到抑制。管路最大陽極極化電位與船體直流雜散電流關(guān)系如圖5所示，陽極極化電位隨著船體直流雜散電流強(qiáng)度的增加而線性增加。

圖4 直管管壁直流雜散電流仿真結(jié)果 Fig.4 DC current density and corrosion potential distribution on pipe influenced: a) DC current density distribution; b) corrosion potential distribution

圖5 直管最大直流雜散電流密度及陽極極化電位與船體直流雜散電流關(guān)系 Fig.5 Relationship between DC stray current density/anodic polarization potential of pipe and DC stray current on hull

根據(jù)法拉第定律，采用式（3）計算管路直流雜散電流腐蝕速率，管路最大直流雜散電流腐蝕速率與船體直流雜散電流關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，管路直流雜散電流腐蝕速率隨著船體直流雜散電流強(qiáng)度的增加而增加。B10管路在靜態(tài)海水中的腐蝕速率約為7 μm/a，根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)船體直流雜散電流達(dá)到1.8 A時（即380 V和220 V電氣設(shè)備機(jī)殼絕緣電阻分別為211 Ω和123 Ω時），管路直流雜散電流腐蝕速率與其自腐蝕速率相當(dāng)。

圖6 直管最大直流雜散電流腐蝕速率與船體直流雜散電流關(guān)系 Fig.6 Relationship between DC stray current corrosion rate of pipe and DC stray current on hull

式中：v為直流雜散電流腐蝕速率，mm/a；J為管壁中最大直流雜散電流密度，A/cm2；t為常數(shù)，為一年時間對應(yīng)的秒數(shù)，即31 536 000 s；M為銅原子量，g/mol；n為1 mol金屬溶解時參與電極反應(yīng)的電子摩爾數(shù)；F為法拉第常數(shù)，C/mol，ρ為管路密度，g/cm3。

2.2 彎頭

采用相同的仿真方法，彎管內(nèi)表面電流密度模值和腐蝕電位空間分布特征計算如圖7所示。由圖7可知，管路直流雜散電流最大值位于絕緣組件兩側(cè)，距離絕緣組件越近，電流密度越大，雜散電流流出管壁部位陽極極化越嚴(yán)重，雜散腐蝕越嚴(yán)重。船體直流雜散電流對管壁最大直流雜散電流密度及陽極極化電位影響如圖8所示。大部分雜散電流通過船體回流，只有0.002%雜散電流流入管路中。與直管路相比，彎頭處雜散電流密度減小，說明對于彎管結(jié)構(gòu)，雜散電流更多通過船體回流，彎頭雜散電流密度和陽極極化電位同樣隨著船體雜散電流增加而線性增加。彎管直流雜散電流腐蝕速率隨著船體直流雜散電流強(qiáng)度增加而線性增加，如圖9所示。船體直流雜散電流相同條件下，彎管直流雜散電流腐蝕速率小于直管直流雜散電流腐蝕速率。通過線性擬合分析，當(dāng)船體直流雜散電流達(dá)到3.0 A時（即380 V和220 V直流電氣設(shè)備機(jī)殼絕緣電阻分別為127 Ω和73 Ω時），彎頭處直流雜散電流腐蝕速率與其自腐蝕速率相當(dāng)。

圖7 彎管管壁直流雜散電流仿真結(jié)果 Fig.7 DC current density and corrosion potential distribution on elbow: a) DC current density distribution; b) corrosion potential distribution

圖8 彎管最大直流雜散電流密度及陽極極化電位與船體直流雜散電流關(guān)系 Fig.8 Relationship between DC stray current density/anodic polarization potential of elbow and DC stray current on hull

圖9 彎管最大直流雜散電流腐蝕速率與船體直流雜散電流關(guān)系 Fig.9 Relationship between DC stray current corrosion rate of elbow and DC stray current on hull

2.3 實船管路結(jié)構(gòu)

以某船發(fā)生雜散電流腐蝕的一段管路為研究對象，其結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2c、d所示，管壁直流雜散電流密度和極化電位分布仿真結(jié)果如圖10所示。由于電氣設(shè)備泄漏電流為0.1、10 A時，管壁陰陽極極化程度很小，圖10b僅給出了電氣設(shè)備泄漏電流為10、100 A時的腐蝕電位分布。由仿真計算結(jié)果可知，直流雜散電流主要在第一個絕緣點處流向海水，導(dǎo)致管路腐蝕，距離第一個絕緣點越近，管壁直流雜散電流密度越大，電流從管壁流向海水部位陽極極化越嚴(yán)重，腐蝕越快。

圖10 實船管路直流雜散電流仿真結(jié)果 Fig.10 DC current density and corrosion potential distribution on practical pipeline: a) DC current density distribution; b) corrosion potential distribution

實船管路直流雜散電流密度、陽極極化電位與船體直流雜散電流強(qiáng)度關(guān)系如圖11所示。實船管路中 直流雜散電流密度、陽極極化電位隨著船體直流雜散電流增加而增加，但由于管路長度增加，海水管路系統(tǒng)電阻增加，船體直流雜散電流相同條件下，實船管路中直流雜散電流密度和陽極極化電位顯著減小，僅為直管直流雜散電流密度的0.38%。不同船體直流雜散電流影響下，實船管路直流雜散電流腐蝕速率如圖12所示。船體直流雜散電流達(dá)到100 A時，實船管路最大直流雜散電流腐蝕速率不超過1 μm/a，遠(yuǎn)小于B10管路海水中腐蝕速率，可以忽略不計。對圖12所示仿真結(jié)果進(jìn)行線性擬合后分析可知，當(dāng)船體直流雜散電流達(dá)到776 A時（即380 V和220 V直流電氣設(shè)備機(jī)殼絕緣電阻分別為0.5 Ω和0.3 Ω時），管路系統(tǒng)直流雜散電流腐蝕速率與其自腐蝕速率相當(dāng)。

圖11 實船管路最大直流雜散電流密度及陽極極化電位與船體直流雜散電流關(guān)系 Fig.11 Relationship between DC stray current density/anodic polarization potential of practical pipeline and DC stray current on hull

圖12 實船管路最大直流雜散電流腐蝕速率與船體直流雜散電流關(guān)系 Fig.12 Relationship between DC stray current corrosion rate of polarization potential and DC stray current on hull

3 直流雜散電流控制分析

船舶上安裝有大量的直流電氣設(shè)備，包括直流發(fā)電機(jī)、電力拖動設(shè)備等。為保障艇員人身安全，所有工作電壓高于50 V的電氣設(shè)備均要求接地，即電氣設(shè)備的金屬外殼和與船體進(jìn)行可靠電氣連接。通常情況下，直流電氣設(shè)備輸入端、控制端和輸出端對機(jī)殼絕緣電阻均大于1 MΩ，即直流電氣設(shè)備元器件對船體電阻大于1 MΩ。對于380 V電氣設(shè)備，船體電流小于0.38 mA；對于220 V電氣設(shè)備，船體電流小于0.22 mA。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，其對管路腐蝕的影響可忽略不計。當(dāng)直流電氣設(shè)備機(jī)殼與內(nèi)部元器件絕緣失效后，電氣設(shè)備與艇體電阻減小，電氣設(shè)備流向艇體電流IL增加，直流電氣設(shè)備產(chǎn)生漏電，流至船體。然后從船體與管路連接部位流入管道，在管道絕緣處流入海水，產(chǎn)生雜散電流腐蝕，再通過管道流回負(fù)極，如圖13所示。通過對直管、彎管以及實船管路直流雜散電流腐蝕仿真分析可知，對380、220 V直流電氣設(shè)備，只要機(jī)殼絕緣電阻不小于211、123 Ω，其泄漏產(chǎn)生的直流雜散電流所引起的管路直流雜散電流腐蝕速率小于其自腐蝕速率，即380、220 V直流電氣設(shè)備機(jī)殼絕緣電阻不應(yīng)小于211、123 Ω。

圖13 電氣設(shè)備漏電流導(dǎo)致管路雜散電流腐蝕等效電路 Fig.13 Equivalent circuit of stray current formation on hull and pipe

4 結(jié)論

通過直流雜散電流仿真研究，分析了管路直流雜散電流密度與船體直流雜散電流強(qiáng)度關(guān)系，討論了直流電氣設(shè)備機(jī)殼絕緣電阻要求，得到的主要結(jié)論如下：

1）根據(jù)歐姆定律和腐蝕電化學(xué)原理，建立了海水管路直流雜散電流腐蝕仿真方法，實現(xiàn)了不同直流雜散電流強(qiáng)度下海水管路直流雜散電流腐蝕仿真。

2）電氣設(shè)備接地產(chǎn)生的直流雜散電流大部分通過船體回流，只有少部分通過海水管路回流。正常狀態(tài)下，直流電氣設(shè)備機(jī)殼絕緣電阻海水管路不會發(fā)生直流雜散電流腐蝕。

3）對380、220 V直流電氣設(shè)備，機(jī)殼絕緣電阻分別減小至211、123 Ω時，管路直流雜散電流腐蝕速率與自腐蝕速率相當(dāng)。

4）管路直流雜散電流腐蝕速率隨著船體直流雜散電流強(qiáng)度的增加而線性增加。