船舶雜散電流腐蝕問題及其防護(hù)

劉華軍

應(yīng)用研究

船舶雜散電流腐蝕問題及其防護(hù)

劉華軍

（黃海造船有限公司，山東威海 264300）

在船舶和海洋工程中，有許多常見的腐蝕問題，尤其是雜散型電流的侵蝕。雜散電流的侵蝕一直是世界各國船舶工業(yè)共同面臨的問題，無論是造船業(yè)比較發(fā)達(dá)的日本、歐洲等國，還是一些落后的國家，都存在著腐蝕問題，給造船業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為了解決上述問題，本文首先分析了船舶中雜散電流產(chǎn)生的原因，介紹了船舶腐蝕的類型和特征原理，然后對雜散電流腐蝕的防護(hù)方法展開研究，最后分析得出：目前船舶雜散電流腐蝕主要是在船上進(jìn)行焊接作業(yè)造成的，采用雙線路供電焊接方法、焊機(jī)上船方法、犧牲陽極排流方法、排流導(dǎo)線等方法可以避免或減少雜散電流對船體的侵蝕，也具有較好的防腐蝕效果，對于船舶的防腐蝕具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

船舶工程 雜散電流腐蝕 防護(hù)措施

0 引言

船舶在建造過程中，要在港口停留比較長的時(shí)間，因此很容易受到雜散電流的腐蝕。由于船舶的建設(shè)與維修，必須采用電焊機(jī)等電力設(shè)施，而這些電力裝置往往因?yàn)槟承┰驎?huì)發(fā)生漏電現(xiàn)象，這部分泄漏的電流會(huì)導(dǎo)致船身的腐蝕。此外，在港口周圍還會(huì)有電力設(shè)施，也就是海岸電力，它們會(huì)在船只周圍形成一個(gè)不均勻的電場，在電勢梯度的作用下，導(dǎo)體（船體）很可能會(huì)發(fā)生雜散電流，從而導(dǎo)致腐蝕。雜散電流屬于電化學(xué)腐蝕，其腐蝕過程不但會(huì)引起材料的損壞，還會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生污染，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使部件失去其整體或部分的技術(shù)系統(tǒng)功能，從而危及到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

1 雜散電流產(chǎn)生原因

雜散電流，也稱迷散電流，根據(jù)其產(chǎn)生雜散電流的來源，可以劃分成三類：直流雜散電流、交流雜散電流、地球自轉(zhuǎn)引起的雜散電流。雜散電流可以使金屬的腐蝕速度加快[1]。

雜散電流是一種不穩(wěn)定的物理量，會(huì)被周圍的多種因素所干擾。其成因多種多樣，但大體可歸納為兩個(gè)方面：一是電流泄漏。電流泄漏是造成雜散電流的重要因素，電流泄露的原因很多，比如接觸不良、絕緣不良等。在泄露電流的作用下，金屬結(jié)構(gòu)中的電子由自由移動(dòng)改為定向移動(dòng)，電子與金屬陽離子發(fā)生分離現(xiàn)象。而船舶處于海水（電解質(zhì)）中，在電流作用下，陽離子脫離船身進(jìn)入海水中，這就造成了船身的腐蝕。二是電位梯度。電位梯度是造成雜散電流的又一重要因素。當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)被放置在電場中時(shí)，其電場的電位分布不均勻，存在電位梯度，電位梯度會(huì)對放置在其內(nèi)部的帶電粒子（金屬中的自由電子）產(chǎn)生電場力，從而使金屬中的自由電子產(chǎn)生方向上的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致電子和金屬之間的分離。如果金屬結(jié)構(gòu)物處于電解質(zhì)環(huán)境中，那么它就會(huì)從金屬結(jié)構(gòu)中分離出來，進(jìn)入到電解液中，使該金屬結(jié)構(gòu)很容易受到雜散電流的侵蝕。

2 腐蝕原因分析

2.1 常規(guī)電化學(xué)腐蝕的主要特征

船舶的電化學(xué)腐蝕具有如下特點(diǎn)：在全浸區(qū)，采用普通的碳鋼制甲板，其腐蝕速度在0.09-0.10毫米/a之間，在局部腐蝕區(qū)，可以達(dá)到0.50毫米/a；在交變水線區(qū)，侵蝕的最大值一般為0.10～0.15毫米/a。

如果按照傳統(tǒng)的電化學(xué)腐蝕速度計(jì)算，船塢檢查周期按2.5 a，船體的平局腐蝕量約為0.25毫米，局部蝕損量約為1.25毫米。而在實(shí)際船體損傷中，發(fā)現(xiàn)腐蝕的主要部位往往不在水線區(qū)，而在船底、尾柱、舵葉和船頭側(cè)推管等部位，這與傳統(tǒng)的化學(xué)腐蝕特性并不相符。從這一點(diǎn)來看，船身材料在海洋中的普通電化學(xué)腐蝕并非引起輪船嚴(yán)重腐蝕的主要原因，一般為雜散電流引起的侵蝕較為常見。

2.2 雜散電流腐蝕的主要特征

雜散電流是一種獨(dú)特的電化學(xué)腐蝕類型。這是一種強(qiáng)烈的腐蝕性物質(zhì)，通過船舶的外部或內(nèi)部電流通過船身流入海水，從而引起船舶的電解[2]。在船體的水下局部位置處，雜散電流造成的腐蝕往往最嚴(yán)重。雜散電流腐蝕主要特征為：

（1）腐蝕速率快，一般為鋼在水中的腐蝕速度的50倍，有時(shí)只需要幾個(gè)小時(shí)的雜散電就能使鋼板發(fā)生較大的腐蝕。

（2）腐蝕強(qiáng)度大，能產(chǎn)生大范圍的點(diǎn)狀、坑狀或穿孔狀的侵蝕，坑洞形狀為圓或橢圓形，具有鋒利邊緣，坑洞中含黑色的粉狀淤泥狀銹斑。

（3）腐蝕易發(fā)生在電阻小和易放電的位置，例如船體鍍膜破損處、尾柱、龍骨等位置。

（4）由于雜散電流的侵蝕，導(dǎo)致船體電位值與船的常規(guī)電位值有很大的偏差。

（5）雜散電流的侵蝕使船體的消耗顯著高于常規(guī)消耗。因?yàn)殡s散電流一般都很大，如果它的工作持續(xù)時(shí)間比較久，那么采用陰極防護(hù)的方法很難防止雜散電流的侵蝕。

2.3 引起船舶雜散電流腐蝕的原因

如果船塢中有雜散電流會(huì)導(dǎo)致船身的雜散電流腐蝕。雜散電流的來源有以下幾種：

（1）船舶在建造或修理時(shí)，一般由碼頭直流焊機(jī)進(jìn)行作業(yè)，因接線方法不當(dāng)，導(dǎo)致部分電流從船體流入水中，再回流到碼頭，這就形成了以船身作為陽極的回路，對船體進(jìn)行電解腐蝕，如圖 1 所示。從并聯(lián)電路原理進(jìn)行分析，接地電阻越大（即接地條件越差，或接地線截面越小，長度越長），流入海水中的雜散電流越多，船體受到的侵蝕就越嚴(yán)重。

圖1 接線方式不當(dāng)引起的船體雜散電流腐蝕示意圖

（2）船舶上自有的動(dòng)力裝置或使用岸-船、船-船電源發(fā)生漏電時(shí)，電流會(huì)通過船體流入水中，與碼頭或其它船形成電路，造成電解腐蝕[3]。

（3）船塢附近有電力設(shè)備或海底電力傳輸線泄漏，形成海底電場，造成船體電解。

3 雜散電流腐蝕的防護(hù)方法分析

通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，交流雜散腐蝕只有直流雜散腐蝕的1%，只要安裝了陰極保護(hù)裝置，就可以有效地避免交流雜散電流的侵蝕。雜散電流腐蝕的根源在于干擾源，所以，只有找到干擾源并采取相應(yīng)的處理方法，就能從根本上消除雜散電流。在無法確定干擾源的情況下，必須對被干擾的船舶采取保護(hù)措施，以防止雜散電流由排流導(dǎo)線流出或?qū)⒏g轉(zhuǎn)移至替代品（如犧牲陽極）。

3.1 雙線路供電焊接方法

當(dāng)需要在港口?？坎⑿枰罅康暮附幼鳂I(yè)的時(shí)候，將電焊機(jī)置于港口或漂浮設(shè)備上，這時(shí)若采用單一導(dǎo)線進(jìn)行焊接，會(huì)造成較多的雜散電流，船體受到強(qiáng)烈的腐蝕，電弧從焊槍中涌出，通過船體-海洋-碼頭流回焊機(jī)的負(fù)極，產(chǎn)生的雜散電流和焊接電流相當(dāng)，具有很強(qiáng)的腐蝕性，可以在很短的時(shí)間內(nèi)將船體腐蝕穿孔。

要改善這種情況，應(yīng)將焊機(jī)置于原來的位置，采用雙線焊，也就是增設(shè)一條回流線，將焊接設(shè)備的外殼與焊接設(shè)備的負(fù)極直接電連接起來，這樣的工作環(huán)境下，電流可以從回流線路返回焊接設(shè)備，而不需要通過海水返回焊接設(shè)備，能有效地去除雜散電流，對船體的侵蝕作用微乎其微。

為了確保船舶上兩個(gè)點(diǎn)的電連接，應(yīng)避免使用各種管道系統(tǒng)、設(shè)備等作為回流通路。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，回流線與船身的連接部位及焊接槍頭的間距不得超過30米，同時(shí)應(yīng)采用良好的電源和焊接設(shè)備與船塢地面進(jìn)行可靠的絕緣。

3.2 焊機(jī)上船方法

采用雙線路焊焊接可以有效避免雜散電流侵蝕船身，但是必須定期檢查回流線的電連接情況，確保焊機(jī)和碼頭地面的安全接地，以及電源等設(shè)備齊全，可以把焊機(jī)放在甲板上，在此情況下，可以從根本上消除因焊接產(chǎn)生的雜散流對船舶造成的侵蝕，并且可以減少維修工作[4]。由于船舶的鐵質(zhì)屬性，因此可以視為良好的導(dǎo)電材料，其電阻遠(yuǎn)小于海洋，焊條中的電弧可以從焊槍上流回焊機(jī)，不會(huì)從船體留至海洋再流回焊機(jī)造成雜散電流，所以，即便焊機(jī)的負(fù)極與船體接觸不好，也只會(huì)對造成焊頭發(fā)熱等輕微損傷，并不會(huì)像雙線路焊那樣出現(xiàn)從船內(nèi)溢出的電流，從而消除了因意外原因造成的雜散電流的腐蝕。

3.3 犧牲陽極排流方法

犧牲陽極排流是把被侵蝕物損傷轉(zhuǎn)嫁到對陽極進(jìn)行犧牲的一種保護(hù)措施。它是一種無源保護(hù)裝置，而且因?yàn)殡s散電流會(huì)造成短暫的強(qiáng)烈的腐蝕性，所以犧牲陽極法雖然可以排除大部分的雜散電流，卻無法徹底阻止船身的侵蝕，這與散射電流大小、涂層質(zhì)量、犧牲陽極數(shù)目等因素相關(guān)。通常采用犧牲陽極排流，應(yīng)先經(jīng)檢測，查明雜散電流的分布及方向，再將犧牲陽極放于電流流出方向。在海洋中，可以選用鋅合金或鋁合金材料作為替代，采用大電容的鋁陽極。在停靠港口時(shí)，無論采用犧牲陽極保護(hù)或附加電流陰極保護(hù)，只要船身電壓達(dá)-0.85 V，即可視為船身受到了很好的防護(hù)。犧牲陽極排流方法原理圖如下圖2所示。

圖2 犧牲陽極排流方法原理圖

3.4 排流導(dǎo)線方法

排流導(dǎo)線是一種用于將船體與岸邊接地回路（或鄰近船舶）之間具有良好導(dǎo)電性能的銅芯纜線，其作用是將干擾船體的雜散電流引入岸邊接地回路。對于已安裝了陰極保護(hù)裝置，但仍處于使用中的船舶，不宜使用排流導(dǎo)線，主要原因?yàn)椋旱谝?，由于陰極保護(hù)裝置能將船體的電勢維持在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而保證船體的安全，船舶腐蝕在允許的限度之內(nèi)；第二，由于岸邊接地回路由排流導(dǎo)線與船舶相連，因此，陰極保護(hù)裝置既給船舶和岸邊接地電路供電，又增加了陰極保護(hù)區(qū)域，存在超過其設(shè)計(jì)容量而使船舶無法得到應(yīng)有保護(hù)的可能[5]。

對于未安裝陰極保護(hù)系統(tǒng)或雖已安裝但未使用該系統(tǒng)的船舶，應(yīng)使用排流導(dǎo)線來避免或減少雜散電流的侵蝕。排流導(dǎo)線的一端為接地回路，另一端接在船舶上，位置可以設(shè)置在船頭、船尾、船舷等，每隔50米設(shè)置一個(gè)直徑為20毫米的銅制接觸螺栓接線。

4 結(jié)語

總之，雜散電流腐蝕速度快、強(qiáng)度大，給船舶造成了很大的外觀及功能上的損害，從各方面的分析研究可知，目前船舶雜散電流腐蝕主要是在船上進(jìn)行焊接作業(yè)造成的，采用雙線路焊接作業(yè)模式可以有效地避免雜散電流的發(fā)生。

同時(shí)采用犧牲陽極或采用附加電流陰極來避免或減少雜散電流對船體的侵蝕，也具有較好的防腐蝕效果。隨著科技的進(jìn)步和我國的經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，雜散電流的腐蝕問題一定會(huì)找到更好的解決辦法。

[1] 邢少華, 楊光付, 劉廣義, 等.船舶海水管路直流雜散電流仿真研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2021, 18(09): 93-100.

[2] 黎峰, 晉文菊, 張明杰.船舶雜散電流腐蝕問題及其防控[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊, 2019, (01): 22-25.

[3] 劉英杰. 船舶雜散電流腐蝕與防護(hù)案例分析[J]. 船電技術(shù), 2019, 39(07): 13-15.

[4] 劉賓. 案例法淺析船舶雜散電流腐蝕問題[J]. 中國水產(chǎn), 2009(10): 64-65.

[5] 王璐. 鋼板樁碼頭靠泊船雜散電流腐蝕研究[D]. 大連理工大學(xué), 2008.

Ship Stray Current Corrosion and Its Protection

Liu Huajun

(Yellow Sea Shipbuilding Co., Ltd. Weihai 264300, China)

U664

A

1003-4862（2023）10-0061-03

2023-04-23

劉華軍（1980-），男，工程師。研究方向：船舶電氣設(shè)計(jì)及自動(dòng)化。E-mail: 632847010@qq.com