船体浸水区阴极保护

引言

由于舰船长期处于海洋环境中，海水腐蚀一直是困扰舰船的一大难题。海水及海洋大气对船体金属的腐蚀要比陆地上严重，若不釆取有效的防护措施，将加快其腐蚀速度。调研结果表明，船体腐蚀问题触目惊心，通常会造成设备损坏、管子泄漏，有些局部甚至腐蚀穿孔，使船体失去应有的强度，极大地影响了舰船的战斗力，缩短了舰船的寿命。由此可见，控制舰船的腐蚀是一项十分重要的任务。

根据腐蚀过程的机理，舰船材料的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀是材料同周围介质发生直接的化学作用。电化学腐蚀是材料在潮湿气体以及导电的液体中，由于电子流动而引起的腐蚀。在海洋环境中，舰船多属于电化学腐蚀，其主要发生在舰船的水上部位、水线区、水下部位、内部舱室、设备和管系等，且由于海水的长期直接作用，以水下部位（包括船体、螺旋桨、舵等）、压载水舱、设备管系的腐蚀更为严重。

舰船船体防腐保护主要采用阴极保护和涂层保护两种方式。阴极保护是基于电化学反应机理而釆取的有效保护技术之一，通过导电介质向被保护结构提供阴极电流，使被保护的船体变成阴极，从而得到防腐保护。涂层的作用则是将保护结构与腐蚀介质隔离，达到防止腐蚀的目的。通常阴极保护和涂层联合应用能够形成完善的保护体系，能够有效地解决上述腐蚀问题。然而，由于涂层自身的缺陷和施工过程中工艺上存在的缺陷，腐蚀仍将在这些缺陷处发生。因此，根据船体的实际情况和使用状态，在接触海水的部位通常釆取以阴极保护方法为主，消除涂层缺陷造成腐蚀的保护措施。

水面舰船防腐蚀设计方法

利用先进的防腐技术，降低腐蚀造成的损失是工程设计中重点考虑的问题.目前，国内外针对舰船的防腐与防护，主要釆取以结构防腐和防腐蚀保护为主的总体综合防腐蚀设计方法。

2.1船体结构和设备防腐设计结构

防腐设计的内容较多，主要包括结构的选材、防止水滞留、缝隙腐蚀、电偶腐蚀和考虑腐蚀裕量等方面的设计。主船体外板应选用耐腐蚀材料，船底部位、水线部位、船壳及上层建筑部位内部液舱部位、船底、船壳和露天甲板等，需进行重点防腐设计。在舰船结构设计中，应特别注意防止滞留水对该处甲板或船底板的腐蚀，不出现结构死角；内部液舱流水通道应畅通。此外，舷外与海水接触、压载水舱和油污水舱内的基座材料采用耐腐蚀的合金结构钢。对与海水接触的设备选型时，应考虑其防腐蚀要求，原则上要与舰总体防腐能力匹配。设备订货前，在设备的技术规格书中应明确防腐蚀的要求，到货后按技术规格书上的防腐蚀要求进行验。

2.2外加电流和牺牲阳极阴极保护设计

基于电化学反应机理，防腐蚀保护是以阴保护措施为主的设计方法，使阴极极化而防止腐蚀，其保护方式主要分为牺牲阳极法和外加电流法两种。

2.2.1牺牲阳极法

利用腐蚀电池的原理，在原来的腐蚀电池体系中接入1个更加活泼的金属。由于该金属的腐蚀对原有腐蚀电池提供保护，加快了自身的腐蚀，因此，被称为牺牲阳极。该方法优点在于,选材容易，方便、安全可靠，平时无须管理。但是，为了保证防腐效果其阳极块数要足够多，且不能实现随外界条件变化而自动控制，适用于中、小型舰船和无法提供可调电源的地方。

2.2.2外加电流法

顾名思义，其由外部的直流电源直接向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化,达到阴极保护的目的。夕卜加电流保护方案由辅助阳极、参比电极、直流电源以及相关连接电缆组成。一般安装于大、中型舰船上，电源正极接于安装在船壳外部且与船壳绝缘的阳极上，电源的负极接在舰壳上。当电路接通后，电流将从阳极经海水至船壳构成闭合回路，这样使船壳免遭腐蚀外加电流法的电压、电流可调性好，可随外界条件变化实现自动控制，使用周期长，并且用于不同介质之中。但需要1套控制设备,施工安装及调试过程比较复杂，并须舰员经常检查管理。

2.2.3舰船阴极保护措施

对于水面舰船，通常釆取外加电流阴极保护与牺牲阳极相结合的阴极保护方法。船底和水线以下船体部位及附体，釆用外加电流阴极保护和长效配套涂料联合防腐保护。压载水舱、污油水舱釆用高效牺牲阳极和长效配套涂料联合防腐保护。此外，接触海水部位的不同管材的接头、法兰之间，必须进行有效的电绝缘处理。同时，由于外加电流阴极保护是一种成熟有效的船体防腐蚀保护方法,在国内外已经得到了广泛的应用。尤其是对于大、中型舰船釆用外加电流阴极保护方法，可以避免安装大量的牺牲阳极，减少航行阻力，并具有不受外界条件（如航速、温度、海区和油漆涂层状态等）和坞期限制等优越性，从而有效地抑制船体腐蚀，延长舰船进坞周期。这样不仅节省费用，而且保证了舰船处于良好的战备状态，具有明显的经济效益和显著的经济军事意义。

现代水面舰船防腐蚀设计现状和存在的主要问题

3.1国内外现代水面舰船防腐蚀设计现状

舰船的腐蚀问题对国民经济和国防建设有着重大的影响，各国对舰船的腐蚀问题十分重视美国制定的美国海军舰船通用规范、MIL标准、英国BS7361、挪威DNV规范都提出了釆用阴极保护与涂层联合防腐蚀的措施，并对方案设计设备选型、系统安装、调试验收、日常维护进行了详细的规定。50年代开发牺牲阳极的同时，美国、英国及加拿大在海军舰船上也开始试验外加电流阴极保护系统。如在1954年，加拿大海军就釆用手控外加电流系统，辅助阳极采用消耗性钢板，为达到年的设计寿命，阳极重量竞超过了10t。经过几十年的发展，外加电流系统的各部件如辅助阳极参比电极、控制电源等都已逐渐成熟。目前，国外舰船阴极保护技术的发展主要表现在两方面：一是阴极保护设计技术的提高，釆用计算机辅助优化设计；另一方面就是外加电流阴极保护系统部件材料的不断改进和性能的不断提高，如辅助阳极就从早期的废钢铁、高硅铁发展到铅银合金伯复合阳极以及混合金属氧化物阳极等。我国船体材料通常采用较高强度低合钢，其在海水中的平均腐蚀速率为0.14mm/a（92钢青岛实海挂片数据），局部腐蚀速率为0.4mm/a（921钢）。实船应用时，由于受螺旋桨等不同材质结构的影响，实际腐蚀速率会更大。这就意味着，船体钢板在无任何保护或只有涂层保护的情况下，在3〜5年内将腐蚀穿孔。因此，作为船体本身，釆取阴极保护与涂层联合防腐是必不可少的措施.我国于60年代中期开始进行外加电流阴极保护的实船试验，70年代初，在第一艘驱逐舰上安装了外加电流系统。1982年制定了''船体外加电流阴极保护系统”的国家标准。现在，我国研制生产的外加电流阴极保护装置已在舰船上大量安装应用。

3.2我国水面舰船防腐蚀设计存在的主要问题

随着舰船外加电流阴极保护技术的不断发展进步，智能化、高效率、长寿命的阴极保护系统已在国外舰船上得到应用，并在大型舰船上已普遍应用现代数值分析计算方法和以计算机作为工具进行阴极保护系统设计的现代设计方法］。由于这一技术属于高新技术，在国外的文献报道中对其求解和寻优等关键技术只字未提。但是，国内在这方面的技术研究起步较晚，存在较大的差距。我国在实际工程中，外加电流阴极保护系统的设计方法一直是基于单纯依据经验估算和简单的暴露试验方法为主的传统计算设计方法，对于辅助阳极和参比电极数量及布置位置，只能定性，而不能定量分析，带有极大的盲目性；尚未实现智能化管理和控制，未实现数据通信与互动；电源装置容量小，辅助阳极排流量小，参比电极寿命短；对系统防护的效果和功能状态也只能凭肉眼观察，没有试验数据作为支撑和评估，系统在使用和维护中也需要反复更正等问题。同时，随着大型舰船排水量的增加，船体浸水面积大，所需的保护电流量也成倍增加。

随之而来，如何使保护电位和电流分布均匀，也是外加电流阴极保护优化设计技术需要开展的研究内容。此外，在防腐方面，国内舰船偏重于保护寿命的设计，但对由防腐弓I起的舰船周围的电场情况没有考虑，造成潜在的不安全性。尤其是对舰船的外加电流阴极保护系统中保护电位指标值的选取和使用中如何正确控制，才能做到既能满足电化学防腐的要求，又能满足电场防护的安全性的要求，使之达到舰船防腐与隐身双重效果，都是值得研究的重要课题。

现代水面舰船防腐蚀优化设计方法和发展趋势

现代水面舰船防腐蚀设计是一项系统工程，从总体综合防腐观点出发，需要总船设计、各系统和专业设计及工艺技术部门互相配合，协调一致.

4.1选用合适的耐腐蚀结构材料和防腐涂料结构材料

使用耐海水腐蚀性能好的材料建造船体，这对船体的使用、保养、维修都比较方便，并直接影响舰船的使用寿命、经济性及可靠性。在船体结构设计时，应尽量选用相同的材料或经可焊接性、材料性能匹配性等试验合格的高强度、耐腐蚀的特种造船用钢。在异种金属结构的材料之间进行绝缘处理，减少异种金属电位腐蚀。舰船主船体、上层建筑和内部各种不同用途舱室需使用长效无毒防腐涂料.舰船上大容积的燃油舱或重油舱、航空煤油舱等部位，需用浅色导静电耐油涂料。

4.2舰船阴极保护系统

整个舰船体需采用外加电流阴极保护与牺牲阳极双重阴极保护措施。从而，船体水下的主船体、螺旋桨、球鼻首导流罩三极电偶电池系统与防腐保护的外加电流阴极保护系统以及牺牲阳极系统共同形成了一个广义上的电池耦合系统。在这个广义电池耦合系统中，需要由耦合外加电流阴极保护系统向复杂电偶电池系统提供充分的保护电流，以覆盖螺旋桨及球鼻首导流罩对主船体产生的电偶腐蚀作用，使得主船体处于良好的防腐状态。同时，各类电池在船体周围形成的诱导电场耦合叠加而成的统一电场也需被控制在一个合理的水平上。

由于外加电流阴极保护优于牺牲阳极的阴极保护而得到迅速发展。但是，对于现代大型水面舰船的防腐,外加电流保护装置关键在于大功率直流电源控制装置的研制以及护电位指标值的选取和控制。今后，还需对电场的空间和表面分布计算方法、电流的电场计算方法、异种金属结构之问电绝缘等进行深人研究。压载水舱是封闭空间，由于可能产生氢气，不允许釆用外加电流系统，所以应釆用防腐涂装和牺牲阳极并用的复合防腐技术。牺牲阳极的布置方案，关键技术在于优化布置，使压载水舱的全部结构表面的保护电位水平达到基准范围。

4.3釆用计算机仿真技术进行阴极保护防腐优化设计方法

随着计算机应用的发展日益深人，计算机仿真技术是一种强有力的技术手段。从仿真模型中，可以得到满足整个舰船阴极保护系统设计所需的高精度数值分析解法来预测电位和阳极电流，从而优化设计，达到在船体上产生均匀分布的电位，使电位保持在特定的范围内，避免发生过保护或欠保护现象。

4.3.1建立计算机仿真模型

基于数值模拟仿真技术建立船体水面下广义耦合电池系统的仿真计算模型（局部模型见图3）.建模的基本思想是，将水面以下的主船体表面、螺旋桨表面、球鼻首导流罩表面、牺牲阳极表面等离散成三角形单元或四边形单元集合，在三角形或四边形单元集合中隐含着对保护电流及保护电位的描述.同时，对船体进行网格离散化，再根据它们的电化学特性，形成广义耦合电池系统仿真计算模型的边界条件。计算机模型能描绘船体湿表面阴极保护电位分布状态，实现全寿命周期船体阴极保护状态的可视化。此外，该模型不仅可以用来优化外加电流阴极保护系统的电极的总体布置位置，而且也可以用于定义外加电流阴极保护系统的控制规则，从而在提高系统性能和图3广义耦合电池系统算模型局部示意图降低系统风险的情况下实现优化设计的目标。

4.3.2数值模拟计算

釆用数值模拟计算技术，对船体耦合阴极保护系统进行模拟计算，确定全寿命周期外加电源的容量和控制参数指标。利用计算模型可以得到不同的操作环境下，夕卜加电流阴极保护系统的保护信息。通过改变模型中涂装导电率的方法，可模拟随时间改变的电流需求量。从而，得到外加电流阴极保护系统需求的总电流需求以及在较好和较坏的舰船涂装条件下，单个辅助阳极电流的信息。在考虑海水导电率情况下的保护电位，计算机模型还可预测舰船在不同服役期内由于涂装导电率改变而导致的损害。优化设计的过程包括对船体电位截面的一系列计算，以及对可替换辅助阳极的设计，这些都可以由仿真模型模拟计算完成。

计算机仿真可以提供例如电位分布、总电流等应用中需要的设计参数，以及一些不同环境的参数同样可以根据计算机仿真来实现。应用阴极保护数值模拟技术能够克服先行防腐设计方法中的固有缺陷，对阴极保护系统的动态过程进行模拟仿真，在确认船体表面上保护电位及保护电流分布状态随时间变化规律的基础上，确保船体表面在全寿命周期内处于有效保护状态。

4.3.3计算结果分析

(1)根据计算结果可以评估设计的外加电流阴极保护系统的实际效能。其中一些部位存在过保护或欠保护的现象，可通过阳极数量、位置和电流的调整，使之达到较好的保护等级以达到较优化的目标。因此,通过分析外加电流阴极保护装置的运行状态、牺牲阳极的工作状态、船体周围海水中电场特性，以及船体水面下三极电偶电池系统表面上的保护电流及保护电位分布状态等，能够提出更为合理的外加电流阴极保护与牺牲阳极的阴极保护措施的优选方案。计算机设计具有方便、快捷、灵活等优点，尤其是对一些复杂的被保护对象而言，影响的因素众多，光凭_些经验及试验是难以达到理想保护状态的，通过计算机仿真和设计的方法，使得阴极保护、电场分析和辅助阳极形状、尺寸、布置方式、数量、位置等方面的优化以及值，勿使过高。在工况发生变化时，要根据各机器特性，合理调整油门开度，使主机的速度特性适应螺旋桨特性的变化。例如，当船舶在大风浪中航行及船舶过狭窄水道或浅水道等工况时，柴油机转速会自行下降，于是往复惯性力减小，气缸至大爆破压力则变化不大，因此气体力与往复惯性力的差值相应增大，从而使十字头轴承所受机械负荷增大，这样就容易造成该轴承龟裂。因此，工作人员要特别注意当工况变化时，不要使柴油机超负荷运转。

(2)要保证轴承的良好润滑和冷却。前面提到十字头轴承所处的工作条件苛刻，不易形成良好的润滑油膜，因此，必须对轴承的润滑情况给予密切注意。要保证供给该处足够的合适的润滑油，而且必须保持滑油的干净，严防水份、柴油、金属粉末等杂质的混入。滑油不洁将造成配合件的磨损加剧和其他故障，造成十字头轴承的损伤因此，要时常检査系统的管路及容器，定期清洗滑油滤器。柴油机外部滑油管路清洗一定要与其内部滑油管路分开来，绝不允许清洗外部管路油液流经主机。

(3)机器运行时，严格按要求控制温，另外十头轴承在工作时摩擦产生的热量，如不及时冷却，轴承的温度会升高到不能允许的程度这会导致轴承承载能力的急剧下降和轴瓦材料的损坏，所以需要有一定的润滑油流量，把摩擦产生的热量带走。为此在柴油机工作时要密切注意润滑油泵的工作情况，运行时，要特别注意滑油的正常供应(包括油压、油量)，为提高十字头轴承的工作可靠性，按要求提高滑油压力外，在滑油的流向上还将滑油首先引入十字头轴承，以减少管路损失所导致的油压降低。

(4)加强值班工作，在柴油机动转过程中，应经常仔细倾听曲柄箱的声音和触摸曲柄箱的冷热，以检査是否有异常温升及不正常的运转声，密切注意轴承的工作情况，发现有异常，应及时釆取相应的措施。