軸頻電場與靜電場一體化腐蝕相關電場隱身方法研究

孫強， 姜潤翔， 喻鵬， 程錦房

(1.海軍工程大學 兵器工程學院， 湖北 武漢 430033； 2.海軍工程大學 電氣工程學院， 湖北 武漢 430033)

0 引言

中、大型艦艇船體一般由低合金鋼或鋁合金材料制造，螺旋槳推進器則由銅合金制造。異種金屬組成的艦船在海水電解質中存在電連接，將構成原電池，從而在海水中產生腐蝕相關電場信號。腐蝕電場根據其頻率劃分，可分為靜電場、軸頻電場和工頻及其倍頻電場[1-2]。其中，靜電場和軸頻電場因量級相對較大、特征明顯等特點被作為信號源，廣泛應用于水中兵器的探測系統中，如意大利ASTERIA水雷、西班牙MINEA水雷等均安裝有電場引信[3-4]。

為了防止被安裝有電場引信的水雷打擊，各國通常將電場抑制技術運用在船舶設計和制造中[5-7]。如分別基于電流補償方法和主動軸接地(ASG)技術[8]降低靜電場和軸頻電場信號。本文在深入研究電流補償方法和ASG技術的基礎上，提出了軸頻與靜電場(簡稱軸靜)一體化控制方法，該方法將ASG系統的補償電流值作為軸電流值，并將電流補償方法中的補償電流與軸電流的比值作為靜電場補償的控制量。

1 靜電場電流補償技術

補償技術的基本原理在于降低艦船靜電場的等效電偶極矩。自然腐蝕狀態下，船體與螺旋槳構成的等效電偶極子如圖1所示。由圖1可見，陽極(船殼)的等效電荷中心位于船體中后部，陰極(螺旋槳)的等效電荷中心位于螺旋槳處，形成的電偶極矩為Q0=I0L0，其中I0為自然腐蝕電流，L0為電荷間距[9-10]。對于一艘長度L為上百米的中型艦船，L0為L/3～L/2，因此自然腐蝕電流產生的等效偶極矩通常較大。

圖1 自然腐蝕狀態船體等效電偶極子模型Fig.1 Equivelent electric dipole in natural corrosion state

若在靠近螺旋槳位置處增加補償陽極，則可使其輸出的電流與自然腐蝕產生的電流方向相反。當補償電流使船體電位趨于自平衡電位附近時，船殼表面的腐蝕電流值I0→0 A，此時大部分補償電流通過螺旋槳返回船體，若該電流值為I1，螺旋槳與補償陽極之間的距離為L1，則等效電偶極矩Q1=I1L1. 在一般情況下I1是I0的數倍，但是L1?L0，從而導致Q1明顯小于自然腐蝕狀態的Q0值，從而達到了降低靜電場的目的。補償狀態下的等效電偶極子模型如圖2所示。

圖2 補償狀態下等效電偶極子模型Fig.2 Equivelent electric dipole in current compensation state

在實現外加電流補償技術時，一種合適的方法是基于補償電流與軸電流的比值κ作為控制參量。仿真計算結果表明，當0.82≤κ≤1.18時，可實現對艦船靜電場的有效抑制[11-12]。一艘中型艦船仿真計算得到κ與水下電場峰- 峰值的關系如圖3所示，其中橫坐標為補償電流I. 由圖3可知，隨著補償電流的增加，水下電場的峰- 峰值Up-p先減小、后增加，Up-p最小時對應的κ值處于1.0附近，為采用電流補償技術實現電場隱身奠定了基礎。

圖3 κ與水下電場峰- 峰值的關系曲線Fig.3 Relationship between κ and peak-peak value of electric field

2 ASG技術

在電化學腐蝕和防腐過程中，無論是腐蝕電流還是保護電流，都將從陽極(分別對應船殼和輔助陽極或犧牲陽極)通過海水流向陰極(螺旋槳)，再經過尾軸、軸承、聯軸器、齒輪等接地結構返回到船殼，形成回路。一艘艦船的尾部結構如圖4所示，其中R1、R2、R3、R4分別表示后軸承、前軸承、軸接地裝置和推力軸承處的軸地電阻。

圖4 一艘艦船的尾部結構Fig.4 Structure of stern

由圖4可知，腐蝕和防腐電流經過尾軸時可以通過多條路徑返回船殼，若忽略大軸電阻，則船體內部的軸- 地等效電阻Rb可視為由多個電阻并聯的結果，如圖4中的軸- 地等效電阻Rb可表示為

(1)

軸頻電場主要是因軸轉動過程中Rb的波動而產生，研究表明：若減小軸和地之間的電位差，則可有效抑制軸頻電場信號[13-14]，即在船體內部安裝ASG系統，使軸地等效電阻降低為0 Ω(實際系統可保證等效電阻為20 μΩ)，此時軸電流將從低電阻路徑的ASG系統返回船殼，ASG系統的輸出電流即近似為軸電流。2016年3月在湛江海域，對一艘中型船舶A在不同航速航行時的軸電流和ASG系統的輸出電流進行監測，系統采樣頻率為100 Hz，低通濾波器截止頻率為5 Hz，其中，軸電流的監測裝置采用無接觸電流傳感器(見圖5)。該船舶不同航速條件下的ASG輸出電流與軸電流均值如表1所示，其中參比電極的保護電位均為-0.8 V.

圖5 電流傳感器安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of current sensor installation

航速為5.8 kn、參比電位為0.8 V時，左舷及右舷的軸電流及ASG輸出電流如圖6所示(ASG系統工作時刻為40.2 s)。由圖6可知，在ASG系統工作后：左舷、右舷的軸電流交流波動成分明顯減小，直流信號幅度有明顯增大；測量得到的軸電流有下降趨勢，這是因為ASG系統開啟后一段時間內陰極保護系統的極化過程引起的；ASG系統輸出的電流值與電流傳感器的測量值差別相對較小，且變化趨勢一致(電流傳感器安裝在軸上，測軸電流)。綜合表1和圖6的試驗結果可知，ASG系統輸出電流與軸電流具有較好的一致性，僅靜態電流存在部分偏差，相對誤差約5%左右，應為ASG系統輸出電流的測量誤差。

表1 不同狀態下ASG輸出電流與電流傳感器 測量值Tab.1 Output currents of ASG and measured currents of sensor in different states

圖6 航速5.5～5.8 kn時的軸電流與ASG輸出電流Fig.6 Shaft current and ASG output at 5.5-5.8 kn

3 軸靜一體化控制方法

3.1 電流補償技術對軸頻電場的影響

采用外加電流補償技術后，相對于自然腐蝕狀態，軸電流將增加。由軸頻電場產生機理可知，在相同波動條件下，軸頻電場信號強度因軸電流的增加將增大。不同補償電流時船舶A的軸電流如表2所示。其中，試驗時在船體尾部安裝了補償陽極，并利用圖5所示無接觸電流傳感器對不同補償電流時的軸電流進行監測，螺旋槳保持靜止狀態。

表2 某中型船舶不同外加補償電流時的軸電流Tab.2 Shaft current of a middle sized ship under different compensation currents A

由表2可發現，隨著補償電流的增加，軸電流信號明顯增加，補償電流引起的軸電流增加量約占補償電流的50%左右。一艘縮比艦船模型靜電場隱身前后的靜電場及軸頻電場信號包絡的峰- 峰值如表3所示，其中Ex、Ey、Ez分別表示沿x軸、y軸、z軸(垂直)方向上的電場。由表3可知，當采用外加電流補償時，軸頻電場信號的包絡峰- 峰值明顯增加，Ex包絡的峰- 峰值增大了1.5倍。綜合上述分析可知，采用電流補償技術降低靜電場信號時，將導致軸電流與軸頻電場信號的強度增加。

表3 一縮比模型靜電場隱身前后的靜電場及軸頻 電場信號包絡的峰- 峰值Tab.3 Envelope values of static and shaft-rate electric fields of a scaled ship model in static electric field stealthy state

3.2 ASG系統對靜電場的影響

以船殼→海水→螺旋槳→軸接地→船殼構成的電化學系統回路為例，回路的等效電路如圖7所示。圖7中：φa為陽極電位；φc為陰極電位；Z1表示上虛線框內的等效阻抗，即由面積為S1的船體在海水中的泄漏電阻Rs1、船體涂層阻抗(涂層電阻Rc1和涂層容抗1/ωCc1)和船體極化阻抗(極化電阻Rp1和界面雙電層容抗1/ωCd1)組成；Z2表示下虛線框內的等效阻抗，即由面積為S2的螺旋槳在海水中的泄漏電阻Rs2和螺旋槳極化阻抗(極化電阻Rp2和界面雙電層容抗1/ωCd2)組成；Rb為船體內部回路軸地等效電阻。

圖7 軸頻電場產生的等效電路Fig.7 Equivelent circuit diagram of shaft-rate electric field

在電導率為σ的海水中，系統中的回路阻抗為

Z=Z1+Z2+Rb.

(2)

由圖7可得船殼→海水→螺旋槳→船殼回路中的電流為

(3)

在ASG系統工作前后，海水中的穩態電流Iw由Ew/(Rb+Rw)變化為Ew/Rw，其中Ew為腐蝕回路的穩態電勢差，Rw為腐蝕回路中除軸地等效電阻Rb以外的穩態電阻。由此可知，當Rb的值較大時，ASG系統工作后，將導致海水中電流Iw增大，即螺旋槳電流增大，由于靜電場信號的主要源為螺旋槳，靜電場信號也將增大。通常情況下，實船的回路總電阻(Rb+Rw)為幾百毫歐～幾歐姆，被動軸接地電阻不足20 mΩ，因此當采用ASG系統后，將被動軸接地系統的電阻將等效為0 Ω時，對回路的總電阻影響不大，即回路中的電流變化不大，進而靜電場變化不大[15]。但當被動軸接地系統碳刷和滑環電阻值Rb較大時，ASG系統工作后，將導致軸電流的明顯增大，從而導致靜電場增大。一艘中型船舶ASG系統開啟前后的靜電場信號如圖8所示。

圖8 一艘中型船舶ASG系統工作前后水下電場Ex信號Fig.8 Ex of a middle sized ship in ASG state

3.3 一體化控制方案

由3.1節和3.2節分析可知，電流補償的靜電場與ASG技術的軸頻電場隱身方法分別對軸頻電場和靜電場有影響。同時，由第1節分析可知，在實施外加電流補償時，可采用補償電流與軸電流的比值κ作為控制參量，而由第2節分析可知，ASG系統的輸出電流即為軸電流信號。因此，為了有效降低靜電場與軸頻電場信號，應實施綜合控制。為此，本文在第1和第2節的基礎上，提出軸靜一體化控制方法，示意圖如圖9所示。

圖9 軸靜一體化控制流程圖Fig.9 Diagram of integrated control of shaft-rate and static electric fields

圖9所示方法利用ASG系統的輸出電流作為軸電流Ib，也可以采用無接觸電流傳感器測量軸電流，實測數據表明二者的所測軸電流值基本一致；然后采用微處理器基于增量式PI控制算法實時調整補償電流I1的輸出值，目標是使I1與Ib的比值保持為預先設定值κ.

4 試驗驗證

為了驗證軸靜一體化控制的效果，在第3節基礎上研制兩臺原理樣機，并進行縮比模型和海上試驗驗證，試驗時兩臺原理樣機分別對應左舷、右舷兩側安裝。

4.1 縮比模型試驗

1∶50縮比模型及尾部補償陽極如圖10所示，船體結構為涂層鋼，螺旋槳為青銅槳。由于此次試驗的主要目的是驗證軸靜一體化控制系統的性能，所以海水電導率仍為4 S/m(未按照縮比模型法設定為0.08 S/m)以增大信號的強度。

圖10 縮比模型Fig.10 Scaled ship model

試驗前期，首先通過電化學工作站手動調整補償陽極的輸出電流，并實時記錄軸電流大小，測量發現當補償電流與軸電流的比例系數κ為1.18時隱身效果較好。在此基礎上，將軸靜一體機的補償系數κ設定為1.18，系統自動工作，水深1.0B(B為模型寬度)處，正橫距為0 cm時，自然腐蝕及軸靜電場隱身時的軸頻電場、靜電場如圖11所示，其中系統工作時間為10～85 s. 圖11中U為電位值，在試驗中只測量了水下電位值，因為電場值即是對電位值求梯度，所以用電位值變化表征電場抑制效果是合適的。

圖11 隱身前后的電位信號UFig.11 Stealthy effect of electric potential U

試驗時，補償電流與ASG輸出電流的波形如圖12所示，可見補償電流與ASG輸出電流比值跟蹤得較好。

圖12 補償電流與ASG輸出電流的波形Fig.12 Compensation current and ASG output current

4.2 實船試驗

為了進一步驗證系統性能，2017年1月于湛江進行港口試驗，試驗船舶為中型拖船，測量方法示意圖如圖13所示。待測船螺旋槳低速旋轉，測量傳感器安裝在測量船(木制漁船)兩側，測量船沿待測船縱向平行方向運動，實時記錄水下電場信號，測量系統采樣頻率為100 Hz.

圖13 船體電場測量示意圖Fig.13 Schematic diagram of electric field measuring

圖14 拖船的水下電場信號ExFig.14 Underwater electric field Ex of a tugboat

靜電場與軸頻電場綜合隱身前后，該船的水下電場信號Ex如圖14所示，其中，測線的正橫距為8.6 m(近似等于0.5B)，測量水深為1.0 m. 自然腐蝕狀態下，船舶的首尾時刻分別為30 s和142 s，隱身狀態下，船舶的首尾時刻分別為46 s和155 s. 由圖14可知，軸頻電場的抑制效果可達90%以上，靜電場的抑制效果為55%以上，實現了靜電場與軸頻電場的一體化控制。

5 結論

本文在仿真數據、縮比模型試驗和實船試驗的基礎上，對軸頻電場隱身方法、靜電場隱身方法及二者之間的關系展開了研究。得出以下主要結論：1)外加電流補償技術將導致軸電流與軸頻電場信號的強度增加；2)ASG系統將導致軸電流的明顯增大，從而導致靜電場增大；3)ASG系統輸出電流即為軸電流。在以上結論基礎上，提出軸靜一體化隱身方案，并研制了軸靜一體化電場隱身原理樣機，通過船模和實船試驗驗證了一體化控制方法的有效性。下一步的研究重點是明確一體化控制系統的控制參量與系統動態特性的關系。