船舶雜散電流腐蝕與防護案例分析

劉英杰

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船舶雜散電流腐蝕與防護案例分析

劉英杰

（交通運輸部北海救助局，山東煙臺 264012）

船舶雜散電流腐蝕是一種電化學腐蝕。本文以某船舵葉、美人架、螺旋槳異常腐蝕現(xiàn)象分析船舶雜散電流發(fā)生的原因、危害及防護措施，對于類似船舶的設計建造可引以為鑒。

雜散電流 腐蝕 防護

0 引言

雜散電流是指那些通過非常規(guī)設計電路流動的電流，以工業(yè)設施的泄漏電流為主，它可能是連續(xù)的，斷續(xù)的；也可能是單向的或交變的。雜散電流腐蝕現(xiàn)象在地鐵、輕軌、地下管道等城市基礎設施中都有不同程度的存在，許多專家學者對雜散電流腐蝕形成的原因、種類、條件等進行研究，并針對其特點采取各種防護措施，有效阻止雜散電流對鋼制構筑物的腐蝕。近些年，船舶雜散電流腐蝕的情況也時有發(fā)生，特別是長期系泊的船舶，靠近陸地，受周圍環(huán)境的干擾影響較大，或由于本身施工作業(yè)不當,如焊接時負極接地錯誤使船體等水下金屬部件處于雜散電流腐蝕狀態(tài)，有的船舶短時間內就出現(xiàn)船體坑狀腐蝕。由于用船單位大都對船舶雜散電流腐蝕不甚了解，面對船體及水下金屬部件腐蝕情況，往往從船體材料、犧牲陽極配置數(shù)量不夠等找原因，使問題不能有效解決。本文的案例是一艘新造小型工作船,該船出廠后,長期接岸電靠泊碼頭,短時間內發(fā)現(xiàn)水下銅制螺旋槳、舵葉、美人架發(fā)生嚴重腐蝕現(xiàn)象，船廠、設備供應商、船東對造成腐蝕的原因進行分析，一時找不到具體原因。后經不斷觀察、測量、分析，判斷造成銅制部件腐蝕的原因為雜散電流腐蝕，并采取相應措施阻止雜散電流形成，使相應金屬部件得以有效保護。本文從該工作船的工作狀態(tài)、船體及金屬部件安裝狀態(tài)、船舶電制、周圍環(huán)境等方面分析形成雜散電流的原因，采取有效措施，最終徹底解決腐蝕問題。

1 水下金屬部件腐蝕的發(fā)現(xiàn)與進展情況

1.1 船體及水下部件安裝情況

該工作船由南方某沿江造船廠建造，采用雙主機、雙艉軸、雙螺旋槳、雙舵葉形式。每側艉軸由兩道美人架支撐；水面以下船體材質為鋼制；螺旋槳、舵葉、美人架為鎳鋁青銅材質；艉軸材質為不銹鋼。船體按常規(guī)方式涂刷防銹和防污漆，采用嵌入式鋅塊作犧牲陽極保護；艉軸進行接地連接；美人架與船體采用環(huán)氧樹脂連接，與船體絕緣，美人架軸承采用橡膠軸承；舵葉安裝亦保持與船體絕緣；螺旋槳為可變螺距形式，槳轂將軍帽內安裝特制圓形鋅塊。

1.2 初次發(fā)現(xiàn)腐蝕情況

該船建成后由駁船裝載運往北方交與船東。船舶吊放駁船進行檢查時發(fā)現(xiàn)螺旋槳、舵葉及美人架均有輕微坑狀腐蝕（見圖1）。為了準確判斷腐蝕原因，船廠組織相關各方及專家現(xiàn)場查驗。根據情況判斷為材料本身存在脫成分腐蝕情況的可能性較大，鑒于腐蝕坑上有的附著一些海生物，也有可能為海生物腐蝕。由于具體原因不能查明，大家建議先行將船交與船東使用，待3到4個月后再進行上塢檢查，查驗腐蝕進展情況，進一步判斷原因。

圖1 初次發(fā)現(xiàn)水下部件腐蝕情況

1.3 再次上塢腐蝕情況

4個月后該船上塢，相關人員及專家再次現(xiàn)場查驗，發(fā)現(xiàn)以上部件的腐蝕情況均有不同程度的加重，其中左舵葉的腐蝕情況非常嚴重，舵葉雙面大面積腐蝕，腐蝕坑增大且加深。右側舵葉較4個月前亦有明顯加重，但較左側腐蝕程度較輕。雙側美人架均有較大程度的腐蝕，出現(xiàn)溝槽狀腐蝕情況。雙側螺旋槳腐蝕較輕，沒有明顯加重。雙側艉軸光亮如初，沒有變化。船體油漆保護良好，但鋅塊消耗嚴重，有的鋅塊已近耗盡。螺旋槳保護鋅塊亦消耗大半，達到換新要求。

圖2 再次上塢水下部件腐蝕情況

2 腐蝕原因分析

2.1 分析過程

針對以上情況，大家的第一判斷仍然是懷疑銅質部件的材質是否有問題，其次是安裝是否滿足要求，與船體絕緣是否達到標準。為此我們對材質進行取樣，待送權威機構檢測，出具報告后再做判斷。同時對各部件與船體的狀態(tài)進行測量。測量結果4道美人架絕緣良好，左側舵葉絕緣較差，右側舵葉絕緣良好。

根據供貨商的產品報告，以上銅質部件為同一批次產品，取樣送檢報告顯示，樣品材質基本符合成分要求。由此可以基本否定腐蝕是材質原因造成。

根據絕緣測量結果，也不能判斷絕緣好壞與腐蝕有直接聯(lián)系。

根據船體鋅塊的大量消耗情況，銅質部件的非常規(guī)腐蝕情況，我們認為一定存在一種非常見的腐蝕原因。

為此查閱有關船舶腐蝕的相關資料，有一種雜散電流腐蝕的概念。但船舶雜散電流腐蝕的案例基本都是修船時直流焊機負極接地錯誤使碼頭和船體之間形成電流，造成對船體的腐蝕現(xiàn)象。雖然沒有直接參照的案例，但從理論上掌握了雜散電流的概念，了解了雜散電流的類型和形成雜散電流的條件，為我們對該船的腐蝕現(xiàn)象判斷提供了理論依據。

2.2 雜散電流存在的驗證

根據雜散電流腐蝕的判斷準則,供電系統(tǒng)或電器設備等引起的雜散電流造成船體電位正向偏移大于20 mV，即可判定產生雜散電流腐蝕[1]。

我們對船體電位進行多點多次測量，平均值在-0.69 V左右，該值已明顯偏離船體正常保護電位-0.80 V至-1.0 V的標準值[2]，如果不是犧牲陽極保護不夠，說明船舶存在雜散電流腐蝕情況。

2.3 雜散電流的來源

由于船舶長期靠泊碼頭，周圍環(huán)境并不復雜，沒有外圍設備干擾情況，船體與外界的唯一聯(lián)系就是岸電系統(tǒng)。我們將岸電從碼頭岸電箱拆除，使船舶與碼頭沒有連接，再多點多次測量船體電位，平均值達到-0.78 V,接近船體標準保護電位。這進一步說明船舶存在雜散電流腐蝕，并且可以判定雜散電流的來源與岸電系統(tǒng)有關。

2.4 雜散電流的形成原因

岸電為380 V/50 Hz三相四線制，本船電力系統(tǒng)亦為380 V/50 Hz三相四線中性點接地配電系統(tǒng),這與一般船舶的三相三線絕緣系統(tǒng)存在不同，我們認為這點不同就是雜散電流形成的原因。

船舶三相三線絕緣系統(tǒng)，平時接岸電只需與陸地連接三相電源即可，岸電的零線是斷開的，船舶只要保持配電系統(tǒng)絕緣良好，船體與陸地零線之間不會產生電流。船舶三相四線制接岸電是需要將船舶的零線與陸地零線相連接的，由于船舶的用電設備在三相的布置是不平衡的，本船發(fā)電機功率較小，用電設備工作狀態(tài)不一致，加大了三相電流的不平衡程度，這樣零線中就會長期存在較大的電流。本船為小型船舶,日常用電設備為220 V，其中1臺日用水加熱器，2臺空調屬于較大用電負載，功率均在4 KW到5 KW左右，分別布置于不同的3相中，但因需求不同，3臺設備可能只有1臺運行，這就造成很大的不平衡，這時零線中的電流可能在20 A以上。另外本船的岸電電纜長度為150 m長，零線較細，截面積為10 mm2，根據銅的電阻率計算，零線的電阻約為：R1=ρL/S=0.0172(μΩ.m)*150m/10 mm2=0.263 Ω。這樣零線兩端存在（20 A* 0.263 Ω）近5 V的電位差，由于船體與碼頭靠近，海水又有較高的導電性，船體和碼頭之間這個電位差就通過海水組成回路，形成雜散電流。由于陸地岸電箱的零線接線螺栓長期不用，銹蝕較重，加大了接觸電阻，增大電位差，更會使雜散電流增大。

圖3 岸電與船舶負載系統(tǒng)圖

2.5 腐蝕狀態(tài)分析

本船水下銅質部件為坑狀腐蝕，坑面顏色發(fā)黑，船體犧牲陽極鋅塊溶解量超過正常水平，這些現(xiàn)象均符合雜散電流腐蝕的相應特點[3]。

美人架和舵葉均發(fā)生腐蝕加重現(xiàn)象，與安裝方式有直接關系。供貨商和設計者從保護船體的角度考慮，為防止銅與鋼產生電化學腐蝕損壞鋼板，采取了絕緣安裝方式，正是絕緣安裝使船體的犧牲陽極鋅塊不能對其進行保護，使其完全獨立處于雜散電流腐蝕狀態(tài)中。

4道美人架腐蝕較重，因為它們均處于機艙底部，與發(fā)電機中性點接地部位較近，遭受雜散電流的密度較大。

左側舵葉的絕緣雖然不是很好，但仍有較大阻值，不足以得到犧牲陽極的保護。由于船舶靠泊方向原因，該舵葉離碼頭更近，較右側舵葉相比受雜散電流影響更大，所以左側舵葉較右側舵葉腐蝕更加嚴重。

左右螺旋槳腐蝕情況沒有變化，是因為螺旋槳通過軸接地與船體良好連接，且其槳轂中安裝鋅塊，實現(xiàn)了犧牲陽極的有效保護。

船體由于涂刷防銹和防污漆得到了良好的保護，阻礙了雜散電流的腐蝕。

3 問題解決

雜散電流防護的方法大致可歸納為以下三類[4,5]：

1）控制和減小雜散電流產生的根源，隔離所有可能的雜散電流泄露途徑，俗稱“堵”；2）為雜散電流提供一條暢通的低電阻通路，俗稱“排”；3）監(jiān)測雜散電流大小，以便超標時及時采取措施，俗稱“測”。

對于本船的情況，我們認為必須從根本上消除產生雜散電流的根源，以堵為主，以排為輔。

本船電力配電系統(tǒng)比較簡單，船舶將三相四線制改為三相三線制，增加日用變壓器，取消中性點接地和零線，這樣就堵住了雜散電流的泄露途徑。在船舶艉部增加犧牲陽極鋅塊的布放數(shù)量，加大犧牲陽極排流的能力和時限。將舵葉和美人架改變安裝方式，實行可靠接地。加強水下特殊部位的防護，防止尖角溝槽等部位防護漆的脫落。

船舶經過以上措施后，我們對船體電位經過多次測量，均在標準值之內，經過一段時間觀察，水下部件完好，說明該船雜散電流腐蝕問題得以徹底解決。

4 結束語

通過該案例，我們不僅從理論上了解了雜散電流的概念，也真實感受到其實際的危害和破壞性是極其嚴重的。作為船舶使用者往往會第一時間發(fā)現(xiàn)船舶腐蝕情況，一旦發(fā)現(xiàn)船舶水下部件出現(xiàn)非常規(guī)腐蝕現(xiàn)象，應充分分析船舶使用狀態(tài)和周圍環(huán)境，考慮是否存在雜散電流生成的條件。希望能為同行提供幫助和借鑒。

[1] 中國船舶工業(yè)總公司. 中華人民共和國船舶行業(yè)標準: CB/T13-1995[S]. 1995.

[2] 劉賓. 案例法淺析船舶雜散電流腐蝕問題[J]. 中國水產, 2009.

[3] 許建國. 淺談雜散電流腐蝕機理及防護措施[J]. 鐵道機車車輛, 2005.

[4] 張安明, 曲本文, 孫小舟, 魯統(tǒng)軍. 船舶雜散電流腐蝕研究現(xiàn)狀[J] .全面腐蝕控制, 2015.

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

Study on Stray Current Corrosion and Protection of Ships

Liu Yingjie

(Beihai Rescue Bureau, The Ministry Of Transport, Yantai 264012, Shandong, China)

U672.72

A

1003-4862（2019）07-0013-03

2018-12-21

劉英杰（1965-），男，高級工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail: 13963858759@126.com