船體單區域和雙區域外加電流陰極保護系統分析

魯統軍 陳志強 李顯超 顧良華 白舒宇

（中國船舶集團公司第七二五研究所，山東 青島 266237）

0 引言

海水是一種很強的腐蝕性介質，如果不采取有效的防腐蝕措施，鋼質海船的船體就會發生嚴重的腐蝕[1]。現代海船結構大多為金屬材質，因此基本都采取了陰極保護措施來抑制腐蝕。外加電流陰極保護系統可以有效的保護船體水下部位及其附件不受海水腐蝕，該系統是通過外加的直流電源（恒電位儀或恒電流儀），控制船體電位或電流密度使船體陰極極化而達到不受海水腐蝕的目的[2]。

船體外加電流陰極保護系統根據系統的組成部分可分為單區域保護系統、雙區域保護系統及多區域保護系統。單區域外加電流陰極保護系統是系統由1臺恒電位儀、1套控制參比電極（恒電位儀工作時采用1套參比電極進行電位控制）和多套輔助陽極組成；船體雙區域（多區域）外加電流陰極保護系統，即船體外加電流陰極保護系統采用兩臺恒電位儀（多臺恒電位儀）、兩只控制參比電極（多套控制參比電極）和多套輔助陽極構成，也就是船體施加了兩套（多套）相對獨立的外加電流陰極保護系統。本文只分析單區域外加電流陰極保護系統和雙區域外加電流陰極保護系統特點，并提出兩種系統的應用建議。

1 系統現狀

船體陰極保護普遍采用單區域外加電流陰極保護系統，當船體涂層破壞嚴重時，單區域陰極保護系統往往達不到船體水線下殼體全面保護的要求，造成局部腐蝕嚴重，特別是船舶在航行時，由于螺旋槳高速旋轉的擾動作用，往往造成船殼體的欠保護[3,4]。

在船體陰極保護系統設計時，應對船體外加電流陰極保護系統總電流進行計算，船體各部位保護電流密度如表1所示。輔助陽極和參比電極的位置影響船體電位分布[5]，因此應對輔助陽極、參比電極的數量及安裝位置進行充分考慮，在輔助陽極的布置原則上應保證船體相對于銀/氯化銀參比電極的保護電位處于-0.80～-1.00V之間，原則上艏部、舯部、艉部都布置，艉部偏多為宜，應左右舷對稱布置。在參比電極的布置原則上，最好布置在相鄰輔助陽極中間，也可以布置在離陽極較近的屏蔽層附近，應保證左右舷都有布置[6]。

表1 船體陰極保護電流密度表

2 案例分析

2.1 單區域外加電流陰極保護系統

2.1.1 系統概況

例1：船體長度約130米，4000噸，雙螺旋槳、雙舵葉。

經計算和選型，該船外加電流陰極保護系統組成： 1臺120A/20V恒電位儀、輔助陽極4套、銀/氯化銀參比電極2套，實船布置如圖1所示。

圖1 例1外加電流陰極保護系統實船布置示意圖

例2：船體長度約155米，6500噸，雙螺旋槳、雙舵葉。

經計算和選型，該船外加電流陰極保護系統組成： 1臺150A/20V恒電位儀、輔助陽極6套、銀/氯化銀參比電極3套。

2.1.2 系統運行數據

例1、例2船體外加電流陰極保護系統通過恒電位儀提供保護電流，輔助陽極并聯輸出電流，參比電極監測船體的電位，恒電位儀設定電位為-0.90V（船體相對于銀/氯化銀參比電極應在-0.80～-1.00V之間），系統運行數據如表2所示。

表2 例1、例2外加電流陰極保護系統運行數據

2.2 雙區域外加電流陰極保護系統

2.2.1 系統概況

例3：船體長度約180m，10000t，雙螺旋槳、雙舵葉。

經計算和選型，該船外加電流陰極保護系統組成：兩臺120A/20V恒電位儀、輔助陽極8套、銀/氯化銀參比電極4套，實船布置如圖2所示。

圖2 例3外加電流陰極保護裝置實船布置示意圖

例4：船體長度約220m，20000t，雙螺旋槳、雙舵葉。

經計算和選型，該船外加電流陰極保護系統組成：兩臺150A/20V恒電位儀、輔助陽極8套、銀/氯化銀參比電極4套。

2.2.2 系統運行數據

例3、例4船體外加電流陰極保護共有兩臺恒電位儀，兩臺恒電位儀前、后分區域對船體進行陰極保護，每臺恒電位儀并聯接入4套輔助陽極，2套參比電極，恒電位儀設定電位為-0.90V，系統運行數據如表3所示。

表3 例3、例4外加電流陰極保護系統運行數據

2.3 外加電流陰極保護系統保護電位分析

在外加電流陰極保護系統處于工作狀態時，用便攜式銀/氯化銀參比電極在甲板上對船體電位進行測量，采取左、右舷從艏至艉均取5個點的方式測量[5]。例1～例4船體保護電位如表4所示，曲線圖如圖3所示。

表4 例1～例4船體保護電位記錄表

圖3 例1～例4船體保護電位曲線圖

通過系統運行數據、保護電位曲線圖可以看出單區域外加電流陰極保護系統的輔助陽極為并聯輸出，每套輔助陽極輸出的分電流基本相同，但是由于船體結構及不同材料的區域電位影響，造成需要的保護電流密度各不相同，從而造成了船體保護電位分布不均勻現象（如例1、例2的電位最大偏差均為90mV）。在雙區域外加電流陰極保護系統中，輔助陽極通過兩臺恒電位儀控制輸出保護電流，兩臺恒電位儀根據保護區域的不同，其輸出的保護電流也不相同，從而實現了區域保護電流密度的自動調節，使船體的保護電位可以更好的均勻分布（如例3、例4的電位最大偏差均為40mV）。

3 結語

3.1 單區域系統特點

單區域外加電流陰極保護系統相對簡單，只有1臺恒電位儀、1套控制參比電極、多套輔助陽極組成。輔助陽極采用并聯方式輸出，輔助陽極的輸出電流基本相同。因船體艉部需求電流密度大，所以輔助陽極應盡量布置在船體艉部，系統通過參比電極監測的電位實現保護電流的自動調節，可使船體的電位都在正常保護范圍內，但是艏部和艉部的保護電位偏差相對較大。

3.2 雙區域系統特點

雙區域外加電流陰極保護系統具有兩臺恒電位儀，每臺恒電位儀各有1套控制參比電極和多套輔助陽極，兩臺恒電位儀采用前、后布置，同步獨立運行，在船體上實現艏部、艉部兩個陰極保護區域，系統通過兩套參比電極監測的船體電位分別實現艏部和艉部保護電流的自動調節，使船體的保護電位可更好控制在保護范圍內。

3.3 系統選用建議

在船體較長、塢期間隔時間長、多螺旋槳和多舵葉或船體水下部位結構復雜的情況下，外加電流陰極保護系統應考慮選用雙區域或多區域控制系統，這樣能有效的控制船體電位在合理的保護電位區間內，更好的延長船舶使用壽命。

在船體結構簡單、塢期間隔時間短、船體較小時，建議采用單區域外加電流陰極保護，單區域陰極保護保護系統具有結構簡單、操作使用方便等優點，在系統設計時應詳細計算恒電位儀的容量，充分考慮輔助陽極、參比電極的數量及布置位置，通過合理的設計和布置，結合相應的仿真計算優化，也可以使船體的保護電位均勻分布。