不同極化條件下艦船表體電位與大軸電流密度的關系驗證

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(海軍工程大學電氣工程學院，湖北 武漢 430033)

0 引言

艦船電場的起因是艦船在海水中發生了電化學極化，形成了腐蝕電流，螺旋漿調制腐蝕和防腐電流形成了軸頻電場信號，軸頻電場信號的強弱與流經大軸的腐蝕和防腐電流關系密切[1]。艦船的極化造成了艦船表體電位的變化，變化的電位與大軸電流之間的關系尚未明確。目前對艦船電場建立模型時主要采用三種研究方法：一是不考慮電化學極化，忽略極化電位和電流密度對艦船電場的影響[2-3]；二是做近似處理，將極化電位與電流密度看成線性關系[4-6]；三是用非線性極化曲線描述艦船表體電位[7-8]。就目前建立的艦船電場模型，多直接引入極化曲線描述，沒有充分考慮到不同極化條件下大軸電流密度與艦船表體電位的函數關系。本文針對此問題，提出了不同極化條件下艦船表體電位與大軸電流密度的關系驗證方法。

1 艦船大軸電流產生機理

不同金屬置于海水中，其自腐蝕電位是不同的。一旦異種金屬在海水中構成閉合回路，就引起了金屬自腐蝕電位的變化，即發生了電化學極化。艦船置于海水中，艦船鋼質船殼和青銅質螺旋槳可以看作一對巨大的腐蝕電偶。鋼質船殼和青銅質螺旋槳主要材料為Fe、Cu兩種金屬元素，若忽略同種金屬材料間微小的腐蝕電偶作用，Fe的氧化反應速度遠遠大于Cu的還原反應速度，Fe的極化電位會由其自腐蝕電位向高電位移動，Cu的極化電位會由其自腐蝕電位向低電位移動，鋼質船殼可視為腐蝕電偶的陽極，青銅質螺旋槳可視為腐蝕電偶的陰極。若不開啟艦船上的抑制腐蝕系統，也就是暫不考慮防腐電流，就只有腐蝕電流流經船殼-海水-螺旋槳-大軸-軸承-船殼，如圖1所示。圖中示意的電流是未計入防腐電流的大軸電流，IB表示腐蝕電流，RB是腐蝕電流流過的可變軸承電阻。此時的大軸電流也是腐蝕電偶的極化電流，艦船表體電位與偏離其自腐蝕電位的差值，即過電位[9]。

2 艦船表體電位與大軸電流密度關系

在研究艦船表體電位與大軸電流密度關系中，真正有用的是過電位，也就是應考慮電極電位的變化與大軸電流密度的關系。根據電化學極化理論，腐蝕電偶的極化電流密度與過電位關系滿足普遍化了的巴特勒-伏爾摩方程[9]，流經艦船大軸上的電流密度與船體表體過電位變化關系滿足以下表達式：

(1)

(2)

F=96 500 C/mol，R=8.314 J/(mol·K)，
T=298 K[8]

其中，α，β為常數；Δηa為艦船船殼表體過電位，Δηc為螺旋槳過電位；j0為電極體系處于平衡電位時的交換電流密度；Jc，Ja為極化電流密度，這里是大軸電流密度，此時Jc，Ja是相等的。

當船體電位偏離自腐蝕電位程度不同時，大軸電流密度會呈不同的規律變化。根據實驗經驗，船體電位偏離自腐蝕電位大于0.1 V時，可視為高過電位；船體電位偏離自腐蝕電位小于0.1 V時，可視為低過電位，下面分高過電位和低過電位兩種情況討論艦船表體電位與大軸電流密度的關系。

2.1 高過電位下的電流密度

只考慮船殼氧化反應速度遠遠大于螺旋槳還原反應速度，即船殼發生陽極極化時，陽極過電位值很大，式(1)中第二項可以忽略，簡化公式后，艦船船殼表體過電位與大軸電流密度關系表述為：

(3)

只考慮螺旋槳的還原反應速度遠遠大于船體的氧化反應速度，即螺旋槳發生陰極極化時，陰極過電位值很大，式(2)中第二項可以忽略，簡化公式后，螺旋槳過電位與大軸電流密度關系表述為：

(4)

式(3)、式(4)中第一項為常數，數學表達式可以統一成Δη=α+blnJ，其中a，b為常數。Δη即艦船(船殼、螺旋槳)過電位，J即大軸電流密度。該數學模型表明在高過電位條件下，艦船表體(船殼、螺旋槳)電位與大軸電流密度成對數關系。

2.2 低過電位下的電流密度

當大軸電流密度很小時，艦船表體(船殼、螺旋槳)過電位會很小，普遍化了的巴特勒-伏爾摩方程按級數展開，可統一表示為：

(5)

當過電位Δη很小，式(5)高次項可以忽略，只保留前兩項。由此得到低過電位下的陽極和陰極公式近似為：

(6)

(7)

3 不同極化條件下的艦船電位分布

極化電流密度反映了電極的反應速度，對過電位的高低影響很大，可以通過監測大軸電流密度，來區分艦船表體是進入了高電位區還是處于低電位區。用921合金鋼條、錫青銅片分別模仿艦船船體、螺旋槳，921合金鋼條面積為200 cm×4 cm，錫青銅片面積為3 cm×3 cm，鋼銅面積比為800∶9≈89∶1，接近實驗用船殼體與螺旋槳表面積之比。包圍921合金鋼條和錫青銅片的海水面積為3 m×2 m，海水電導率為3.96 S/m。采用Matlab仿真921合金鋼條電位、錫青銅片電位與流經921合金鋼條、錫青銅片電流密度的關系。根據腐蝕材料提供的經驗數據[10]，忽略海水的濃差極化，艦船殼體處于平衡電位時的交換電流密度取j0=7.1×10-5mA/cm2，螺旋槳處于平衡電位時的交換電流密度取j0=1.5×10-2mA/cm2，船體自腐蝕電位取-0.76 V，螺旋槳自腐蝕電位取-0.31 V。

3.1 高過電位下的電位分布

當艦船表體(船殼、螺旋槳)電位偏離其自身的自腐蝕電位0.1 V以上時，921合金鋼條、錫青銅片的電位分布如圖2 所示。在921合金鋼條與錫青銅片聯結處，偏離自腐蝕電位較?。辉竭h離二者連接處，偏離自腐蝕電位越大。同時，在二者連接處，電位梯度越小，即電位變化越快；越遠離二者連接處，位梯度越大，即電位變化越慢。仿真完全符合電偶的腐蝕規律。921合金鋼條電位、錫青銅片電位與流經921合金鋼條、錫青銅片的電流密度成對數關系，變化規律如圖 3所示。圖3表明，在高過電位區，大軸電流密度越大，艦船船殼表體電位越大，螺旋槳表體電位越小。

3.2 低過電位下的電位分布

當船殼、螺旋槳偏離其自身的自腐蝕電位不足0.1 V時，921合金鋼條、錫青銅片的電位分布如圖4 所示。921合金鋼條電位值偏離其自腐蝕電位較大，錫青銅片基本維持原電位，幾乎無變化。921合金鋼條電位梯度均勻，即電位變化均勻；錫青銅片電位梯度無變化，電位無變化。仿真符合電偶的腐蝕規律。921合金鋼條電位、錫青銅片電位與流經921合金鋼條、錫青銅片的電流密度變化規律如圖5所示。圖5表明：在低過電位區，螺旋槳表體電位幾乎無變化，大軸電流密度對螺旋槳電位影響不大；艦船船殼表體電位與大軸電流密度成線性關系，大軸電流密度越大，船殼表體電位越大。

通過仿真可以看出，在921合金鋼條、錫青銅片的交換電流密度j0一定時，不論是處于高過電位區還是低過電位區，大軸電流密度越大，921合金鋼條電位偏離其自腐蝕電位越大。說明電極反應要以更快的速度進行，需要更大的推動力[9]，這是符合電極動力學規律的。

4 實驗驗證

電流密度多用于理論計算與研究，大軸電流密度在工程中不方便測量，但由于流經大軸的電流面積是不變的，大軸電流與大軸電流密度只相差一個比例系數，工程上可以轉化為監測大軸電流與艦船表體電位的變化。實驗硬件設施包括無磁性實驗水池、實驗船模組成。無磁性實驗水池，尺寸為8 m×5 m×1.5 m，在水池中放入0.4 m深的水，并將工業用鹽倒入池中，讓其充分溶解并混合均勻,用來模擬淡鹽水，測得所配制的海水的電導率為3.96 S/m。實驗船模大軸直通，按實船縮小比例1∶100制得，船殼由鋼板構成，螺旋槳由銅制成。實驗過程船模靜止不航行，不開啟外加電流防腐系統，實驗如圖6所示。為增大腐蝕電流，易于實驗測量，船模殼體未涂防腐層，大軸電流采用電流互感器監測。

實驗前分別對船殼和螺旋槳材料的自腐蝕電位進行了測量，船殼材料自腐蝕電位為-0.69 V，螺旋槳材料自腐蝕電位為-0.32 V。艦船表體電位取船體后部靠近螺旋槳的A點電位，以及船體中部的B點電位，A、B點電位隨大軸電流變化如圖7所示。濾波、擬合后的船體A、B點電位與大軸電流的關系如圖8所示。當船殼電位偏離自腐蝕電位在0.1 V以內時，大軸電流與船體A、B點電位近似線性；當船體電位偏離自腐蝕電位大于0.1 V時，可視為進入高過電位區，大軸電流與船體A、B點電位基本接近對數關系。整體而言，B點電位偏離自腐蝕電位大于A點，也就是靠近螺旋漿區域，表體電位偏離自腐蝕電位變小。同時，進入高過電位區后，A點電位梯度變化大于B點電位梯度變化，也就是靠近螺旋漿區域，表體電位變化變快。實驗結論與仿真結論吻合。但是實驗數據無法重現仿真結果，這與極化反應的交換電流密度、反應活化能、自腐蝕電位變化等微觀因素有關。由于船模是大軸直通，兩種異種金屬在海水中形成的腐蝕電偶經過一段時間的穩定，最終會呈現一個平衡電位[9]，因此該實驗是個動態過程，實驗數據具有不可復制性，即使船體面積、海水濃度、浸泡時間、室內溫度等因素不變，每次實驗也不能作出一致的結果，只能進一步從宏觀角度探索大軸電流與船體電位的關系規律。

5 結論

本文提出了不同極化條件下艦船表體電位與大軸電流密度的關系驗證方法。該方法分別在高過電位區和低過電位區對艦船大軸電流密度與艦船表體電位建立了兩套函數關系，并給出了不同極化條件下艦船大軸電流密度與艦船表體電位的數值模擬。實驗驗證結果表明：

1)當船殼、螺旋槳偏離自腐蝕電位0.1 V以上時，艦船表體電位與大軸電流密度成對數關系，大軸電流密度越大，船殼電位越大，螺旋槳電位越小。

2)當船殼、螺旋槳偏離自腐蝕電位不足0.1 V時，螺旋槳電位幾乎無變化；船殼電位與大軸電流密度成線性關系，大軸電流密度越大，船殼電位越大。

3)越接近螺旋漿區域，船殼表體電位變化越快，

但電位偏離自腐蝕電位越小。

4)可考慮以大軸電流作為監測信號，通過抑制船體極化來改變艦船表體電位分布，為下一步的船體防腐、降低艦船電場等研究提供理論依據。

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