船用密封閥控式蓄電池失效分析及維護(hù)

孔建華，李 凱

(廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江 524000)

蓄電池在船上的應(yīng)用很普遍，包括作為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的電源、無(wú)線電設(shè)備的備用電源以及為應(yīng)急照明、報(bào)警及信號(hào)裝置等低壓設(shè)備供電，在船舶運(yùn)作中起著十分重要的作用。密封閥控式蓄電池(VRLA)的工藝與技術(shù)水平日漸成熟，維保方便，基本無(wú)酸氣泄漏，逐漸取代了開(kāi)口式的鉛蓄電池。因其能在正常壽命中，甚至不用考慮往蓄電池中添加電解液，享有著“免維護(hù)電池”的美稱(chēng)。圖1為密封閥控式蓄電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 密封閥控式蓄電池結(jié)構(gòu)示意圖

1 密封閥控式蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理

密封閥控式蓄電池通常由6個(gè)單格構(gòu)成，電池內(nèi)里包含著正極極板、負(fù)極極板和防止兩極接觸短路的隔板，電解液充滿整個(gè)蓄電池的內(nèi)部，蓄電池頂部有電池槽和蓋，還有確保密封的排氣閥(單向安全閥)。正常運(yùn)行的密封閥控式蓄電池具有2大密封特征：氣密和液密。一旦在工作中出現(xiàn)了蓄電池內(nèi)部氣體壓力超過(guò)預(yù)設(shè)值的現(xiàn)象，單向安全閥就會(huì)被頂開(kāi)，快速泄壓；當(dāng)內(nèi)部氣壓下降到安全閥的預(yù)設(shè)值及以下時(shí)，單向安全閥迅速關(guān)閉，防止外部氣體倒灌進(jìn)電池內(nèi)部。利用電池的正、負(fù)極活性物質(zhì)和稀硫酸、電解液之間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行充、放電[1]。

以下是放電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)方程式:

充電過(guò)程所發(fā)生的反應(yīng)跟放電過(guò)程相反,它們是:

密封閥控式蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)如圖2所示。

圖2 密封閥控式蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)

2 密封閥控式蓄電池使用壽命的影響分析

2.1 浮充

浮充充電即將蓄電池組并聯(lián)在負(fù)載匯流排上用恒定的電壓進(jìn)行充電，是密封閥控式蓄電池充電最常用的模式。浮充使蓄電池的溫度很快上升，隨著溫度升高，熱效應(yīng)激增，電池的內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)激烈。長(zhǎng)期處于這種環(huán)境下，蓄電池的壽命就會(huì)大打折扣。

2.2 閑置

在密封閥控式蓄電池原材料上下足功夫可以減少材料損耗的影響，控制其自放電率很小，但不能完全抵消。尤其是蓄電池長(zhǎng)時(shí)間閑置時(shí)，也會(huì)因自放電激發(fā)極板硫酸鹽化而提早失效。通常來(lái)說(shuō)，蓄電池投入使用前，閑置的時(shí)間不可控制，甚至長(zhǎng)達(dá)好幾個(gè)月，這也是蓄電池早期容量低的原因。船舶在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，有太多的不確定因素，可能因突發(fā)狀況被迫長(zhǎng)期拋錨，或因大修長(zhǎng)時(shí)間擱置在船塢，加之本身作為船用應(yīng)急能源的蓄電池平時(shí)使用機(jī)會(huì)并不多而導(dǎo)致被閑置。而且閑置存放的環(huán)境溫度越高，自放電率越大，硫酸鹽化越嚴(yán)重，對(duì)使用壽命的影響越嚴(yán)重[2]。有些船舶蓄電池間甚至裝設(shè)空調(diào)保證恒溫以消除高溫對(duì)閑置蓄電池的影響。

3 密封閥控式蓄電池的典型失效分析

密封閥控式蓄電池的常見(jiàn)失效形式有干涸失效、落后電池失效、極板硫酸鹽化失效等。

3.1 干涸失效

密封閥控式蓄電池并非是一個(gè)完全的密封體系，而是與外界環(huán)境有能量交換并產(chǎn)生物質(zhì)的半封閉體系。干涸失效即是電池中的水通過(guò)蓄電池的外殼空隙或安全閥等地方泄漏出去引發(fā)的失效。其往往會(huì)通過(guò)以下幾種形式實(shí)現(xiàn)。①電解水反應(yīng)，密封閥控式蓄電池在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中存在著電解水這一有害反應(yīng)，通過(guò)電解水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣，水被消耗；②極板腐蝕消耗水，負(fù)極極板上的鉛板長(zhǎng)期與電解液接觸，電解液中的水容易與其發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)被消耗；③蓄電池總體密封性不佳，在極端惡劣海況下或受到強(qiáng)外力的沖擊時(shí)，船舶會(huì)搖晃不定，蓄電池的液位也會(huì)隨之來(lái)回?fù)u擺，極易發(fā)生電解液滲漏；④充電時(shí)，當(dāng)電池得不到適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，過(guò)高的內(nèi)部氣壓就會(huì)通過(guò)排氣閥泄壓，伴有電解液水分蒸發(fā)。綜上所述，失水是干涸失效的主要原因，一般直接往蓄電池里面加蒸餾水即可。

3.2 落后電池失效

密封閥控式蓄電池組由多個(gè)蓄電池組合而來(lái)，保證各個(gè)蓄電池的內(nèi)阻、容量等性能一致，以使整組蓄電池的性能達(dá)到最佳狀態(tài)，但因各個(gè)蓄電池組的材料選配有差異、蓄電池組裝配工藝不良、設(shè)計(jì)與制造工藝不能完美對(duì)等的原因，使得各蓄電池的性能狀態(tài)可能達(dá)不到一致，串聯(lián)使用下不同的蓄電池性能會(huì)呈現(xiàn)出離散型分布。在蓄電池的充、放電過(guò)程當(dāng)中，電池實(shí)際的輸入、輸出電壓會(huì)因電路的電流脈動(dòng)呈現(xiàn)出不平衡的差別；在不同的充電方式下，充電對(duì)蓄電池的影響不盡相同，鑒于以上種種原因，就會(huì)造成個(gè)別電池的性能出現(xiàn)問(wèn)題。反復(fù)的充放電下，性能差異現(xiàn)象就愈發(fā)突出，有些電池就會(huì)變成落后電池。隨著循環(huán)次數(shù)增加，落后電池比其他電池失效的時(shí)間要提前，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組的失效。

若判斷到蓄電池組中存在落后電池，就必須及時(shí)更換落后蓄電池或全部蓄電池，確保整個(gè)蓄電池組的供電系統(tǒng)正常。

3.3 極板硫酸鹽化失效

主要是指負(fù)極極板硫酸鹽化失效。當(dāng)蓄電池因長(zhǎng)期處于充電不足或者是過(guò)放電狀態(tài)，氫氣析出過(guò)多，導(dǎo)致負(fù)極附近氫離子濃度下降而產(chǎn)生了硫酸鉛沉淀，就會(huì)在負(fù)極極板上形成一圈不溶于電解液的沉淀物，而且很難再重新轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)，讓電池容量不斷減少，甚至使蓄電池完全失效。

與正常的蓄電池相比較，發(fā)生極板硫酸鹽化失效的電池實(shí)際容量均有顯著的下降；利用密度計(jì)測(cè)量會(huì)發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)電池電解液的密度長(zhǎng)期低于正常值，性能差于正常蓄電池。在同一蓄電池組的電池的充電過(guò)程中，極板出現(xiàn)硫酸鹽化的蓄電池冒泡的時(shí)刻比其他電池要早，電壓上升得更快，且極板的狀態(tài)和顏色異于尋常，極板顏色變淺，有白色沉淀物附著，負(fù)極板明顯變硬。而且放電電壓下降得也很快，兩、三個(gè)小時(shí)就能夠耗完電量。

4 船用閥控密封式蓄電池的維護(hù)

研究表明，密封閥控式蓄電池在額定的放電電流下放電，且放電容量不低于額定容量的80%的情況下，使用的壽命一般都可以在10年以上。在海船運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，船舶面臨著復(fù)雜的外部環(huán)境，船用密封閥控式蓄電池組長(zhǎng)期在高鹽分、潮濕環(huán)境下運(yùn)行，加上機(jī)艙環(huán)境狹小、溫度高、振動(dòng)大、環(huán)境散熱效果差，多種因素加速蓄電池腐蝕老化。結(jié)合失效模式總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，需要對(duì)船舶蓄電池維護(hù)保養(yǎng)做出更有效的措施，一般從以下3個(gè)方面著手[3]。

1)月度保養(yǎng)。在外觀上，檢查其殼體是否膨脹變形、存在裂痕及污跡，發(fā)現(xiàn)了盡早更換；保證蓄電池表面的銘牌清晰，注意清理積灰，防止其污損蓄電池表面；檢查電池的極柱、安全閥、槽蓋處是否有電解液滲漏，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)更換處理；檢查蓄電池組中的各個(gè)電池的完整性，留意各個(gè)電池之間的連接處是否可能因連線松動(dòng)脫落和腐蝕導(dǎo)致開(kāi)路，若有發(fā)現(xiàn)則及時(shí)修復(fù)。定期(月度)剩余容量檢測(cè)，通過(guò)放電測(cè)試計(jì)算剩余容量，判斷蓄電池的狀態(tài)，是否能夠繼續(xù)使用。

2)年度保養(yǎng)。在做好月度維護(hù)的同時(shí)，要對(duì)蓄電池做好全方面的放電核容實(shí)驗(yàn)，檢查電池組中各個(gè)蓄電池是否在長(zhǎng)期使用的情況下出現(xiàn)了提早失效，為避免因單一電池故障對(duì)蓄電池組的影響，要及時(shí)對(duì)其維修保養(yǎng)或更換。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，密封閥控式蓄電池組的使用追求的是性能一致性，就像木桶短板效應(yīng)一樣，裝水的多少取決于最短板的長(zhǎng)度，電池組正常使用的總效用依賴于各個(gè)蓄電池的正常發(fā)揮，剔除落后電池的影響，使同組中各個(gè)蓄電池的實(shí)際容量值的公差值越小，蓄電池的性能一致性越好，蓄電池組才能夠在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中達(dá)到最佳使用狀態(tài)。管理人員要對(duì)蓄電池的當(dāng)前狀態(tài)做出準(zhǔn)確的判斷，能依據(jù)各種失效因素的影響作出正確的處理方法，對(duì)密封閥控式蓄電池的規(guī)范使用、合理管理和有效維護(hù)，也為船舶安全航行提供可靠的保障，為船員的安全保駕護(hù)航。