某型船艙底犧牲陽極應用改進研究

楊青松，陳文君，余 鵬

(91872部隊，廣東 湛江 524000)

0 前言

艦艇船底板腐蝕穿孔是艦艇安全最大的危害之一，它嚴重影響艦艇戰斗力，增加艦員臨時搶修等繁重工作。此外，由于艙底結構復雜，艙底板的腐蝕將增加大量的額外修理費用和修理難度。目前艦艇船體外板腐蝕防護技術趨于完善，腐蝕問題已基本得到控制，但艦艇內底板積水造成的腐蝕問題卻依然嚴重，艙底積水含有大量的油污、細菌，其腐蝕性比舷外普通海水要嚴重得多，時有內底板腐蝕穿孔事故的發生。艦艇內底板腐蝕穿孔，不僅影響艦艇安全，而二層底板的穿孔使污染的艙底水進入下面的油艙、水艙，將嚴重威脅主機運行，并造成油水報廢。如:某型船由于機械振動及設備的滲漏等眾多原因，其艙底始終存在著嚴重積水;又因其艙底設備擁擠、空間狹小，管路設備復雜、材質各異，且多為耐蝕性好的材料，易引起內底板的電偶腐蝕。如此嚴重的腐蝕問題已嚴重威脅到艦船的正常使用及安全航行。目前雖焊有犧牲陽極作為陰極保護措施，但該陽極是采用水面艦船應用的艙底犧牲陽極技術，在形狀設計、布置樣式等方面均達不到設計保護要求。具體表現在:焊接點多，涂層多處損傷易失效，破損部位難以及時得到修補;大部分陽極溶解程度不一致，易結殼失效等等。因此，需要針對某型船艙底環境和積水的實際情況，在犧牲陽極材料確定的基礎上，對陽極的形狀、數量及布置樣式重新進行設計改進研究，以保護艙底免受腐蝕危害。

1 艙底犧牲陽極的應用研究

對某型船艙底犧牲陽極應用進行改進研究的前提基礎是其各項預定設計參數不變，即陽極溶解的電流效率大于85%，表面均勻溶解，產物易清除，陽極設計使用壽命大于3年。

1.1 犧牲陽極形狀設計

船舶艙底板犧牲陽極的形狀一般設計為楔形和圓盤形，其相應安裝形式有焊接和螺栓固定兩種。通常，如艙底板的空間大，犧牲陽極更換的周期長，采用楔形焊接的形式;反之則采用圓形螺栓固定的形式。

某型船艙底犧牲陽極形狀設計必須考慮以下要求:①某型船底艙隔檔板多，犧牲陽極保護受屏蔽影響，保護設計應采用小陽極多點均勻布置的原則;②犧牲陽極如采用焊接固定，經常性的更換易造成艙底板不必要的損傷;③犧牲陽極數量及結構和尺寸的定量確定。

犧牲陽極數量首先取決于水室的尺寸和陽極有效距離，然后再根據總電流需要量和犧牲陽極數量求出每塊陽極的電流輸出，設計陽極結構和尺寸。

據此，某型船艙底犧牲陽極設計應采用小于1kg、螺栓固定的盤狀陽極，具體尺寸如圖1所示，質量約為1.0kg。

圖1 陽極尺寸

1.2 犧牲陽極保護范圍及布置設計

采用McCoy式求算陽極接水電阻R:

式中:K為0.443;ρ為海水電阻率 (30Ω·cm);A為陽極暴露面積 (216cm2)。

則 R=0.9 Ω。

陽極的輸出電流:

根據涂漆鋼材在服役期間涂層老化的變化，選擇涂覆鋼在靜海水中的保護電流密度為10～50 mA/m2，可計算得到一塊艙底犧牲陽極的保護面積為:

據此，可根據某型船艙底面積的大小選擇布置犧牲陽極的數量。同時艙底犧牲陽極的布置設計還應考慮以下因素:①在艙底積水部位均勻布置;②犧牲陽極盡量安裝在積水的最低位置;③由于存在艙底隔擋板的屏蔽影響，在設計數量允許的情況下，多布置一些陽極，使每個隔擋都能得到保護。

根據某型船實際情況，平時積水較多的底艙主要是主機艙、后副機艙和疏水泵艙。其平時積水后的浸水面積以及根據艙底情況設計布置犧牲陽極的數量如表1所示。

表1 艙底平時浸水面積及布置犧牲陽極數量

1.3 犧牲陽極安裝要求

采用d=12mm、l=20mm的單頭螺柱和配套普通螺母及墊片固定;在艙底板指定位置焊接固定螺柱，并將根部磨平;裝入底面打好耐水絕緣油漆(推薦環氧漆)的陽極，并用配套墊片及螺母固定;用密封膠泥封閉螺母安裝槽，并與陽極頂部平齊，具體如圖2所示。

圖2 犧牲陽極安裝圖

1.4 布置條件

陽極布置還應滿足以下條件:①電流要均勻到達所有被保護表面，使保護表面達到保護電位值;②不產生可能使結構腐蝕增大的反作用;③在與涂料聯合保護時，不破壞涂膜的完整性;④在保護有鈦質構件的結構時，不得使鈦質構件上的電位負于－0.7 V;⑤要保證陽極工作的穩定性，不隨時間產生大的波動;⑥在與涂層聯合保護時，要控制陽極至涂層表面的距離不得使涂層表面的電位負于－1.20 V。

1.5 保護年限計算

1.5.1 求艙底板所需的保護所需電流密度

1)實驗室試驗求保護所需電流密度。采用耦合試驗測取艙底板在陰極保護下所需的保護電流密度。艙底板與鋁陽極耦合的面積比分別為25∶1、100∶1、250∶1、2400∶1，我們的測試艙底板在海水中的保護電流達到12～15 mA/m2(實驗時間為60天)時，即可滿足保護要求。

2)數值模擬計算保護所需的電流密度。建立的數學模型 (圖略)，耦合面積比為267∶1。由耦合模型電位分布得出電位負移200mV時的電流密度為15 mA/m2，與實驗數據吻合。

1.5.2 犧牲陽極壽命估算

據陽極發生電流量計算公式:

式中:If為犧牲陽極的發生電流量， mA;ΔE為驅動電位，V;對鋁合金陽極，ΔE=0.25 V;R為犧牲陽極的接水電阻，Ω。

其中，R由以下公式求得:

式中:ρ為海水電導率，一般取25.0 Ω·cm;A為陽極的工作表面積，cm2。

代入已知得:R=0.508 Ω

則:If=431 mA

據犧牲陽極使用壽命估算公式:

式中:Y為犧牲陽極使用壽命，年;N為陽極總數，塊;m為犧牲陽極質量，kg;Q為犧牲陽極實際電容量，一般取2400 A·h/kg;IM為平均保護電流，A;1/K為犧牲陽極利用系數，0.75。

其中，IM按以下公式計算:

式中:Si為被保護面積，m2;Ii取15 mA。

由以上公式計算得到某型船各艙的保護壽命如表2所示。

表2 某型船各艙犧牲陽極保護壽命

因此，某型船艙底犧牲陽極這一重新改進研究設計實現了最初的技術性能指標要求。

2 結束語

對某型船艙底犧牲陽極進行上述的應用改進研究，完全克服了之前犧牲陽極應用的各項不足，可有效保護艙底積水部位的內底板，進而減少和避免腐蝕安全事故的發生。