船舶B10管路犧牲陽極保護器數(shù)量和保護年限計算

汪裕明，譚起龍，田崇歡，陳東泉

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海200129）

0 引 言

船舶系統(tǒng)和動力系統(tǒng)管路是船舶動力和輔助機械設備正常運轉(zhuǎn)的基本保障，直接影響著船舶航行的安全性和續(xù)航能力，其中涉及的海水管路大多處于潮濕、高溫易腐蝕的惡劣環(huán)境中，腐蝕漏水的情況時有發(fā)生，嚴重影響著設備的正常使用。海水管路防腐防漏措施一直是管路制造和后期使用維護階段的重要研究課題。目前，國外對海水管路防腐蝕的研究主要以犧牲陽極保護為主，犧牲陽極主要采用犧牲鋅棒和犧牲短管的型式。犧牲鋅棒的缺點是鋅棒的腐蝕速度快，更換周期短；犧牲短管的缺點是犧牲短管腐蝕穿孔之后會造成艙內(nèi)浸水。我國的船舶海水管系雖然也主要采用犧牲陽極的方式防護，但已應用新型的犧牲陽極保護器。目前，有關犧牲陽極保護器的布置原則和使用年限的理論研究還較少，因此需對犧牲陽極的性能開展研究，獲取犧牲陽極領域更豐富的理論基礎和應用實踐。本文結合實船海水管系，對國內(nèi)新型犧牲陽極保護器的布置數(shù)量和保護年限計算進行詳細闡述，為實船安裝該類型保護器和確定換修檢驗周期提供參考。

1 新型犧牲陽極保護器的原理、特點與安裝

1.1 電偶腐蝕原理［1］

電偶腐蝕實質(zhì)上是由不同金屬或合金電極構成的宏觀原電池腐蝕。圖1為電偶腐蝕示意圖。船舶海水管系涉及的材料類型有很多，這些材料因自然腐蝕，其電位存在很大差異，當在海水管路中共同使用時，很容易發(fā)生電偶腐蝕。由于海水的導電率很高，當2種不同的金屬或合金在海水中腐蝕時，二者之間通常存在電位差，若二者互相接觸或電導通，該電位差即導致電子由電位較低的金屬流向電位較高的金屬。此時，電位較低的金屬因表面發(fā)生以氧化為主的電化學反應而成為陽極，電位較高的金屬因表面發(fā)生以還原反應為主的電化學反應而成為陰極。與未發(fā)生電偶腐蝕時相比，陽極金屬因腐蝕溶解速度升高，電位較高的陽極金屬因腐蝕速度下降或停止而受到保護。犧牲陽極由電位較低的金屬材料制成，當其與被保護的管道連接時，自身發(fā)生優(yōu)先離解，從而抑制管道腐蝕，故稱為犧牲陽極。

圖1 電偶腐蝕示意圖

1.2 特點

近年來，國內(nèi)學者針對海水管路防腐蝕開展了很多研究，考慮到材料、工藝和制造等因素之后，綜合分析現(xiàn)有的幾種犧牲陽極，設計一種新型犧牲陽極保護器。該保護器的結構型式為圓筒型，內(nèi)徑與海水管路的內(nèi)徑相同，從而減少對整個海水系統(tǒng)流量和流速的影響；同時，避免犧牲陽極部分過度受腐蝕，造成管路泄漏。保護器內(nèi)部選用新型合金陽極材料，在起到防腐蝕效果的同時，延長犧牲陽極保護器的使用壽命。該新型犧牲陽極保護器相比常規(guī)型犧牲陽極具有使用壽命長和更換方便等優(yōu)點。

1.3 安裝

新型犧牲陽極保護器安裝示意圖見圖2。

圖2 新型犧牲陽極保護器安裝示意圖

1.4 材料

犧牲陽極主要有鎂合金犧牲陽極、鋁合金犧牲陽極、鋅合金犧牲陽極和鐵合金犧牲陽極等4種。在當前的陰極保護系統(tǒng)中，采用的犧牲陽極材料是鎂、鋁和鋅基合金。從性能上看，這些材料相對于鐵基陽極材料來說，均具有足夠低的開路電位，有效電位差大于200 mV。從電流效率方面看，鎂基合金最差，這是因為鎂的電位很低，其表面的局部腐蝕微電池具有極大的活性，自溶性高；其次是鋁基合金，這是因為鋁易鈍化，其表面易形成氧化膜，雖能通過合金化得到改善，但仍存在非均勻溶解；鋅和鋅基合金的電流效率要好些，但其對雜質(zhì)的影響敏感。鋅含量大于99.995%的純鋅和鐵含量小于0.001 4%的高純鋅才可直接作為犧牲陽極使用。即使可通過合金化消除雜質(zhì)的影響，鐵、銅和鉛等物質(zhì)的最大含量仍需小于0.005%，這無疑會增加鋅陽極的制造難度，相應會增加成本。鐵合金犧牲陽極性能，其陽極開路電位可根據(jù)在海水中的穩(wěn)定電位序表得到，自然腐蝕電位約為-700 mV，保護電位為-850 mV，紫銅的自然腐蝕電位約為-240 mV，B10銅鎳合金管的自然腐蝕電位還要高一些，它們的保護電位為-450 mV，即用鐵合金陽極保護銅鎳合金海水管路，犧牲陽極與被保護結構之間至少有460 mV的電位差，相對于鉛、錫和銅等電位更高的合金來說，已有足夠低的開路電位，有效電位差可大于200 mV。鐵的電流效率不會太低，因為鐵的電位較高，在中性液中主要是吸氧腐蝕，對陰極夾雜不敏感，自溶性也??；同時，鐵的自鈍化傾向小于鋁，其均勻溶解性優(yōu)于鋁。從使用環(huán)境方面看：鎂合金因其開路電位較低，有效電位差較大，可適用于電阻率高的水和土壤環(huán)境；鋅和鋁合金適用于電阻率小的海洋環(huán)境介質(zhì)。綜上所述，鐵合金犧牲陽極具有更適宜的驅(qū)動電位，其除了對B10有電化學保護作用之外，溶解下來的鐵離子還能在銅合金表面形成富鐵保護膜，從而降低陰極保護有效區(qū)段內(nèi)的保護電流輸出，減少陽極消耗，延長陽極使用壽命，并緩解距陽極較遠的B10管表面的腐蝕。此外，鐵合金犧牲陽極的電流效率性能更優(yōu)，在海水中恒定保持均勻溶解狀態(tài)，受水質(zhì)的影響較小，無晶間腐蝕敏感性；鐵合金犧牲陽極資源豐富，價格低廉，可顯著降低B10管路的防腐蝕費用。因此，用鐵合金犧牲陽極保護B10銅鎳合金管，從理論上看是最優(yōu)的。表1為各種材料犧牲陽極電容量。

表1 各種材料犧牲陽極電容量

1.5 鐵合金犧牲陽極保護器參數(shù)

鐵合金犧牲陽極保護器參數(shù)見表2。

表2 鐵合金犧牲陽極保護器參數(shù)

2 計算實例

以某船的B10海水消防管路系統(tǒng)為例進行分析，該系統(tǒng)通過機艙內(nèi)的2臺消防泵與船首的1臺應急消防泵向二甲板消防管路供水，主要管路有DN80、DN100和DN125等3種規(guī)格。系統(tǒng)采用鐵合金犧牲陽極保護器。

2.1 3種規(guī)格的犧牲陽極保護器發(fā)生電流量計算

2.1.1 犧牲陽極保護器的接水電阻

犧牲陽極保護器的接水電阻R為

式（1）中：ρ為海水電阻率，一般取ρ＝25 Ω˙cm。

1）DN125犧牲陽極保護器的長度L＝10 cm，寬度B＝39.878 cm，由式（1）可得其接水電阻R＝0.5 Ω；

2）DN100犧牲陽極保護器的長度L＝10 cm，寬度B＝31.42 cm，由式（1）可得其接水電阻R＝0.6 Ω；

3）DN80犧牲陽極保護器的長度L＝10 cm；寬度B＝25.13 cm，由式（1）可得其接水電阻R＝0.71 Ω。

2.1.2 犧牲陽極保護器發(fā)生電流量

犧牲陽極保護器發(fā)生電流量I為

式（2）中：ΔE為犧牲陽極保護器的驅(qū)動電壓，鐵合金犧牲陽極取0.25 V；R為犧牲陽極保護器的接水電阻，見第2.1.1節(jié)。

1）DN125犧牲保護器的發(fā)生電流量I＝ΔE／R＝0.5 A；

2）DN100犧牲保護器的發(fā)生電流量I＝ΔE／R＝0.417 A；

3）DN80犧牲保護器的發(fā)生電流量I＝ΔE／R＝0.352 A。

2.2 二甲板管路長度估算

圖3為二甲板消防管路布置圖。管路通徑為DN125，規(guī)格為?133×2.5，管材為B10銅鎳合金材料。經(jīng)測量，該管系總長220 m，左右舷各長100 m，連通管長20 m（計算時因海水箱已設置海水管系防污防腐裝置，故泵前管路不計算，二甲板管路中的隔離閥件默認為管路）。

圖3 二甲板消防管路布置圖

按照圖3，∑L（DN125）管路長度為240 m（DN125），∑L（DN100）管路長度為20 m（DN125）。

2.3 全部管路的犧牲陽極保護器數(shù)量

管路需要的犧牲陽極保護器的總數(shù)量N為

式（3）中：I為保護電流密度；S為管路浸水面積；I為犧牲陽極保護器發(fā)生電流量。

圖3中，DN125管路浸水面積為

DN100管路浸水面積為

式（4）和式（5）中：D為管路內(nèi)徑；L為管路長度。

管路浸水總面積為

圖3中管路需要的犧牲陽極保護器的總數(shù)量為

式（7）中：I為保護電流密度，為54.1 mA／m；S為管路浸水面積，為101.98 m；I為犧牲陽極保護器發(fā)生電流量，為0.5 A。設置DN125共10套；DN100共1套。

按上述計算結果，該泵出口至二甲板管路中設置的犧牲陽極數(shù)量為11套，其布置見圖4。

圖4 二甲板海水系統(tǒng)的犧牲陽極保護器管路圖

2.4 犧牲陽極保護器保護年限計算

犧牲陽極保護器保護年限的計算公式為

式（8）中：Y為犧牲陽極保護器保護年限；U為犧牲陽極利用系數(shù)，取0.8；C為犧牲陽極消耗率；I為平均發(fā)生電流量。

2.4.1 單套鐵合金犧牲陽極保護器保護年限

鐵合金犧牲陽極的消耗率C為

式（15）中：Q為鐵合金犧牲陽極電容量，取930 Ah／kg；8 760 h為1 a的小時數(shù)。

二甲板11套鐵合金犧牲陽極保護器單套的保護年限Y為

式（10）中：U為犧牲陽極利用系數(shù)（取0.8）；C為犧牲陽極消耗率；I為平均發(fā)生電流量，0.75I＝0.375 A；M為單個DN125犧牲陽極保護器的質(zhì)量，7 kg。

二甲板11套鐵合金犧牲陽極保護器單套的保護年限Y為

式（17）中：U為犧牲陽極利用系數(shù)，取0.8；C為犧牲陽極消耗率；I為平均發(fā)生電流量，0.75I＝0.312 A；M為單個DN100犧牲陽極保護器的質(zhì)量，5.58 kg。

綜合分析：二甲板11套鐵合金犧牲陽極保護器單套的保護年限Y和Y取小值，為1.52 a。

2.4.2 犧牲陽極的總數(shù)量

計算系統(tǒng)管路要求達到20 a保護年限所需的犧牲陽極的總數(shù)量為

式（12）中：N為管路需要犧牲陽極保護器的總數(shù)量；M為單個犧牲陽極保護器的質(zhì)量；I′為全船平均保護電流數(shù)值，I′＝（0.7∽0.8）I；C為犧牲陽極消耗率；Y′為全船犧牲陽極保護器的保護年限；U為犧牲陽極利用系數(shù)，0.8。

原來系統(tǒng)設計二甲板布置11套犧牲陽極保護器，故總數(shù)量為11的倍數(shù)，取154套。

若使二甲板管路中的犧牲陽極設計保護期限達到20 a，共需要犧牲陽極154套。按20 a期限計算的總數(shù)量采購。當這些保護器達到相應的使用期限之后，根據(jù)檢查螺栓檢查結果進行更換。

3 結 語

船舶海水管系承擔著冷卻主輔機、消防、壓載和清洗等任務，在保證船舶主要設備正常運行及安全、船舶平衡等方面起著重要作用。海水管系輸送的均為海水，致使海水管系必然面臨著腐蝕嚴重的問題，從而影響設備的正常運行和船舶的安全運行，大量維修也造成了人力和物力上的損失。因此，開展海水管路的犧牲陽極設計研究具有重要意義。以往類似設計通常采用估算法，不僅不能對設計成本進行準確計算，而且已不適應當前的數(shù)字造船要求。本文對船舶B10管路新型犧牲陽極保護器的布置數(shù)量和保護年限進行了實例計算，通過計算可準確得出海水管路需要布置犧牲陽極保護器的數(shù)量和管路中設置的陽極保護器的保護期限，為犧牲陽極的實際應用提供了理論依據(jù)。雖然現(xiàn)代船舶在航率更高、服役工況更復雜的環(huán)境中遭受的腐蝕破壞作用更強，但通過采取合理設計選材、設置新型犧牲陽極保護器等一系列防腐蝕措施，一定能有效解決海水管路系統(tǒng)海水電化學腐蝕和電偶腐蝕等問題，保障船舶海水系統(tǒng)的運行可靠性。