艦船外加電流陰極保護系統修理和改進

王百戰

(4808工廠，山東青島 266001)

船體腐蝕主要原因是電化學腐蝕。陰極保護就是向被保護的船體施加電流，使被保護的船體變成陰極并且產生陰極極化，避免其與海水中的呈負離子狀態的溶解氧離子結合，抑制了腐蝕，船體從而得到保護。當被保護船體達到一定的電位范圍時，便處于保護狀態。陰極保護方法有兩種:犧牲陽極法和外加電流法。目前大中型艦船普遍采用外加電流陰極保護系統的方法。在此僅討論外加電流陰極保護系統在修理中遇到的有關問題。

1 參比電極性能與恒電位儀輸入阻抗的探討

參比電極的作用是測量船體電位和輸出電位控制信號，在修理中經常發現由于參比電極失效造成系統不能正常工作。

船用銀/氯化銀參比電極的正常使用壽命一般為6～10年，由于各種原因損壞，常常達不到壽命年限。引起參比電極失效，通常有如下原因。

1)某艦由于恒電位儀中的控制電路板上，運放電壓跟隨器電路 (型號FC72)損壞，此運放的同相輸入端連接在恒電位儀的參比電極輸入端，使參比電極的負載能力下降，引起參比電極失效。

2)參比電極由于密封不嚴或者密封損壞，使得參比電極受潮，引起輸出短路失效。

3)參比電極的電極芯是封裝在尼龍套中，由于生產時所采用的材料型號的問題，使尼龍材料的吸水率高，其絕緣性能降低。

4)某艦換裝新恒電位儀，由于恒電位儀電路的設計問題，引起電位測量輸入端阻抗偏低，造成船上的參比電極損壞。

在上述幾例中參比電極的主要失效原因是輸出信號短路，引起參比電極的電化學性能變化而損壞。

參比電極能夠用來測量船體電位是由銀/氯化銀參比電極的電化學性能所決定，在電路設計使用中必須考慮它的電氣性能。參比電極輸出電流的能力很弱，也就是說輸出內阻較高。參比電極的輸出阻抗是隨著使用時間變化的，其電化學性能逐漸老化，輸出阻抗逐漸增大，直到失效。

某艦換裝新恒電位儀之后不久，發現船上的3個參比電極都不正常，且電位明顯偏低。如果將其與恒電位儀斷開，電位能夠緩慢回升。當經開關接通某一參比電極，經過一天再觀察就會發現電位幅值有一定的下降。3個參比電極是通過恒電位儀的“參比選擇開關”連接到電壓跟隨器運放LM358上。根據以往的經驗，懷疑運放電路損壞，更換了運放集成電路，可是故障依舊。

經過測量恒電位儀的輸入阻抗為4 MΩ，是否因這個輸入阻抗值引起參比電極損壞呢?由分析可知，運放組成的電壓跟隨器電路的輸入電阻很高，可以認為等于∞。而且斷開運放電路后，測量還是4 MΩ。由此可知，故障不在這里。肯定是存在一處阻抗為4 MΩ的電路。沿著線路逐一檢查，終于發現在運放輸入端并聯了一個電路，它的阻抗為4 MΩ。將此電路斷開，排除了故障。

此恒電位儀是新裝設備，為此廠家修過多次，都沒修好。排除故障后，將此情況通報廠家并指出:故障原因是恒電位儀的輸入阻抗低。可是廠家說:恒電位儀的輸入阻抗4 MΩ是符合《船用恒電位儀》標準中“輸入阻抗≥1 MΩ”的。通過與廠家進一步探討分析故障原因，他們也認同了是由于輸入阻抗偏低造成的。

那么恒電位儀的輸入阻抗究竟應該在什么范圍?參比電極通過測量控制電路再通過儀表指示出船體電位，并作為控制信號，對恒電位儀進行自動控制。參比電極測量信號連接到測量控制電路的輸入端。這就存在前后級電路阻抗匹配的問題。根據工作原理，測控電路的輸入端要從參比電極中吸取電流并消耗能量，這個電流就要在前級和后級電路中的阻抗上產生壓降，使得測量值電壓小于零電流輸出電壓值，從而引起測量誤差。另一方面，如果測控電路的輸入阻抗較小，就會從前級的參比電極吸取較多的電流，超出了其輸出電流的能力，就使其電化學性能變差而損壞。

由于參比電極的輸出阻抗較高，為了減少測量誤差，所以恒電位儀的輸入電路都是采用了運放電壓跟隨器電路，由于電路中采用了深度負反饋，使得其輸入阻抗很高，輸入阻抗一般可達到103～106 MΩ，此數值遠高于參比電極的輸出阻抗，是完全滿足要求的。

在恒電位儀電路設計中，在設備的測量和控制電路中，在運放的輸入端與地之間并聯一個10～20 MΩ的電阻，恒電位儀的輸入電阻主要由此決定。這個并聯電阻在設計中是為了考慮電路的穩定性而設置的。在實際電路中，經過多次試驗，取消這個電阻對電路沒有明顯影響。即使保留此電阻，在實際電路中這個電阻不能小于10 MΩ。

綜上所述，可以得知在標準CB 3220－1984《船用恒電位儀》中“輸入阻抗≥1 MΩ”是偏低的。所以建議在以后修訂標準時將CB 3220－1984《船用恒電位儀》中的上述內容改為“恒電位儀的輸入阻抗≥10 MΩ”。

如果遇到參比電極損壞的情況，必須要查明失效原因，排除故障，然后再更換。由于更換參比電極是在塢內施工，如果沒查明原因匆忙更換，待船出塢后還會損壞，那時就不可能再進塢修理了。

2 對陰極保護系統各部分的設計和修理的探討

陰極保護系統由恒電位儀、輔助陽極、陽極屏蔽層、參比電極、軸接地和舵接地裝置等組成，分布于船體不同的位置。

1)參比電極。

(1)參比電極電極芯一般為粉壓型圓柱體結構，為了提高參比電極測量信號的輸出能力，降低輸出內阻，在設計時，適當增加電極芯的體積，使其與海水接觸的工作表面大一些，以提高負載性能和使用壽命。

(2)根據我們的經驗，對參比電極結構設計進行了改進，使得艦船每次進塢修理時，都可以在船體外將其拆開，對工作表面清潔處理，使其性能得到恢復，延長了壽命，這種可維護的結構可以推廣。

(3)參比電極使用較長時間后，由于封裝的樹脂老化，其與尼龍外殼的結合部位會產生老化裂紋，產生海水滲漏現象，影響使用壽命，是否可以從結構和材料上改進。所用的尼龍必須是低吸水率材料。

2)輔助陽極。

目前多數采用長條形結構和盤形結構，其絕緣托架一般采用熱壓成型環氧玻璃鋼材料，陽極種類主要有鉑/鈦復合陽極、鉑/鈮復合陽極。其性能較好，采用冶金軋制等工藝使鉑層致密均勻與基體結合牢固，因而具有較高的可靠性。鉑復合陽極的工作電流密度大，尺寸小，重量輕，消耗速率極低，一般設計使用壽命20年。除此外還有一些其它種類，例如近幾年采用的金屬氧化物陽極，以前常用的鉛銀合金陽極等應用在不同種類的船上。

在工作中發現，上世紀90年代生產的鉑/鈦復合陽極所采用的鉑層一般較厚，大約為幾十微米，而且鉑層的復合工藝也較好，經過近20年的使用，在船塢中經過處理后，仍能達到較好的性能狀態。近些年來，在陽極絕緣托架的材料方面有所改進，提高了壽命。但是為節省材料減少了鉑層的厚度，在工藝方面采用了類似電鍍一類工藝，表面的光潔度也不如前者，感覺表面密度也有降低，厚度大約不超過10μm。經過幾年使用，在近兩年修船時發現一些鉑層脫落現象，質量明顯不如前者，影響了陽極的排流性能，這點應該引起重視。

3)水密函進水造成電極損壞。

輔助陽極和參比電極的水密函數量一般幾個至十幾個，分布位置各不相同，進水有兩種情況:一是電極安裝在船艙較低的位置，船艙底經常積水，使水密函浸在水中。盡管安裝時都要進行水密性試驗，但還時常發現水密函進水現象。這種現象主要發生在艙內溫度變化較大的地方，水密函內的空氣隨著溫度脹縮，使水密函內形成負壓容易進水。其二，有些艙內溫度較高，船外海水溫度較低，即使周圍沒有水，也會在水密函內凝露。所以定期維護時都要對水密函進行檢查，并更換密封墊和做好電纜擠箍密封處理。如果設計時對經常浸在水中的電極改進密封設計，就會有效地避免發生水密函進水，起到很好的效果。

4)恒電位儀和設備的可靠性。

外加電流陰極保護系統要求可靠性高，通常采用的恒電位儀可分為:磁飽和式、可控硅式、大功率晶體管式、高頻開關式。目前前兩種在艦船采用較多。

(1)磁飽和式恒電位儀可靠性最高，它采用磁飽和電抗器做為輸出電流的控制單元，磁飽和電抗器是由鐵心和線圈組成，堅固耐用，性能可靠。電子電路集中在一塊電路板上，安裝、調試、維修均很方便。其缺點是在恒電位儀內要多出3個磁飽和電抗器，再加上電源和控制變壓器，一共5個電感器件，都要靠手工加工，工藝要求較高，造價貴，不適應大批量制造。磁飽和恒電位儀能承受各種惡劣的環境條件，可靠性高，因此很適用于船用陰極保護系統。

(2)可控硅式恒電位儀產品的發展經歷了幾代機型，電路從分立元件電路到集成電路，現在又逐漸采用單片機可控硅觸發電路，PID控制等電路，控制精度和穩定性較好，電路單元組件化程度高。隨著工藝技術水平的提高，電路可靠性比以前有了很大提高，適合于大批量制造，成本較低，也廣泛應用于船用陰極保護系統。

陰極保護系統是連續工作的設備，要求系統可靠性高，例如恒電位儀的故障會引起系統工作異常，恒電位儀的零部件多，較易發生故障。例如:某艦輸出電壓和電流不穩，儀表指針擺動沒有規律，有時還會產生過載保護斷電。經檢查發現是由于面板上的開關接觸不良引起控制信號不穩。對于面板上的開關、電位器可能產生觸點氧化接觸不良的故障，控制電路板有時也會因為元件損壞產生故障。建議在設計、制造工藝各環節應引起注意，選擇元件時注重可靠性，盡量選擇船用器件，例如選擇船用萬能轉換開關，船用儀表等，還要對電路板進行老化和防潮處理。

5)減少犧牲陽極的使用。

外加電流陰極保護系統相比犧牲陽極具有性能好，經濟等優點。現在外加電流陰極保護系統可靠性也大為提高，不必采用雙保險的設計思路。除了在海底門等部位，減少犧牲陽極的使用，有些艦船由于犧牲陽極使用較多，在船岀塢后，即使陰極保護系統不開機，電位仍能超過－1.0 V。修理后開機很容易造成兩種保護的電位疊加，造成船體過保護。其一，過保護會對船體油漆造成損壞;其二，犧牲陽極采用貴金屬材料制造，減少使用可以節省可觀的費用。

外加電流陰極保護技術是控制船體和海上工程等在海水中腐蝕的最經濟有效的方法。陰極保護系統要求必須保持連續可靠地工作，尤其是在軍用艦船上要比民用船上要求高。除了設計和維修需要不斷地改進，對于使用人員可以加強專業的培訓，掌握陰極保護裝置的工作原理、操作方法，正確地維護保養也很重要，只有掌握好專業技術，才能有效地發揮設備性能。