舰船外加电流阴极保护系统修理和改进

王百战

(4808工厂，山东青岛 266001)

船体腐蚀主要原因是电化学腐蚀。阴极保护就是向被保护的船体施加电流，使被保护的船体变成阴极并且产生阴极极化，避免其与海水中的呈负离子状态的溶解氧离子结合，抑制了腐蚀，船体从而得到保护。当被保护船体达到一定的电位范围时，便处于保护状态。阴极保护方法有两种:牺牲阳极法和外加电流法。目前大中型舰船普遍采用外加电流阴极保护系统的方法。在此仅讨论外加电流阴极保护系统在修理中遇到的有关问题。

1 参比电极性能与恒电位仪输入阻抗的探讨

参比电极的作用是测量船体电位和输出电位控制信号，在修理中经常发现由于参比电极失效造成系统不能正常工作。

船用银/氯化银参比电极的正常使用寿命一般为6～10年，由于各种原因损坏，常常达不到寿命年限。引起参比电极失效，通常有如下原因。

1)某舰由于恒电位仪中的控制电路板上，运放电压跟随器电路 (型号FC72)损坏，此运放的同相输入端连接在恒电位仪的参比电极输入端，使参比电极的负载能力下降，引起参比电极失效。

2)参比电极由于密封不严或者密封损坏，使得参比电极受潮，引起输出短路失效。

3)参比电极的电极芯是封装在尼龙套中，由于生产时所采用的材料型号的问题，使尼龙材料的吸水率高，其绝缘性能降低。

4)某舰换装新恒电位仪，由于恒电位仪电路的设计问题，引起电位测量输入端阻抗偏低，造成船上的参比电极损坏。

在上述几例中参比电极的主要失效原因是输出信号短路，引起参比电极的电化学性能变化而损坏。

参比电极能够用来测量船体电位是由银/氯化银参比电极的电化学性能所决定，在电路设计使用中必须考虑它的电气性能。参比电极输出电流的能力很弱，也就是说输出内阻较高。参比电极的输出阻抗是随着使用时间变化的，其电化学性能逐渐老化，输出阻抗逐渐增大，直到失效。

某舰换装新恒电位仪之后不久，发现船上的3个参比电极都不正常，且电位明显偏低。如果将其与恒电位仪断开，电位能够缓慢回升。当经开关接通某一参比电极，经过一天再观察就会发现电位幅值有一定的下降。3个参比电极是通过恒电位仪的“参比选择开关”连接到电压跟随器运放LM358上。根据以往的经验，怀疑运放电路损坏，更换了运放集成电路，可是故障依旧。

经过测量恒电位仪的输入阻抗为4 MΩ，是否因这个输入阻抗值引起参比电极损坏呢?由分析可知，运放组成的电压跟随器电路的输入电阻很高，可以认为等于∞。而且断开运放电路后，测量还是4 MΩ。由此可知，故障不在这里。肯定是存在一处阻抗为4 MΩ的电路。沿着线路逐一检查，终于发现在运放输入端并联了一个电路，它的阻抗为4 MΩ。将此电路断开，排除了故障。

此恒电位仪是新装设备，为此厂家修过多次，都没修好。排除故障后，将此情况通报厂家并指出:故障原因是恒电位仪的输入阻抗低。可是厂家说:恒电位仪的输入阻抗4 MΩ是符合《船用恒电位仪》标准中“输入阻抗≥1 MΩ”的。通过与厂家进一步探讨分析故障原因，他们也认同了是由于输入阻抗偏低造成的。

那么恒电位仪的输入阻抗究竟应该在什么范围?参比电极通过测量控制电路再通过仪表指示出船体电位，并作为控制信号，对恒电位仪进行自动控制。参比电极测量信号连接到测量控制电路的输入端。这就存在前后级电路阻抗匹配的问题。根据工作原理，测控电路的输入端要从参比电极中吸取电流并消耗能量，这个电流就要在前级和后级电路中的阻抗上产生压降，使得测量值电压小于零电流输出电压值，从而引起测量误差。另一方面，如果测控电路的输入阻抗较小，就会从前级的参比电极吸取较多的电流，超出了其输出电流的能力，就使其电化学性能变差而损坏。

由于参比电极的输出阻抗较高，为了减少测量误差，所以恒电位仪的输入电路都是采用了运放电压跟随器电路，由于电路中采用了深度负反馈，使得其输入阻抗很高，输入阻抗一般可达到103～106 MΩ，此数值远高于参比电极的输出阻抗，是完全满足要求的。

在恒电位仪电路设计中，在设备的测量和控制电路中，在运放的输入端与地之间并联一个10～20 MΩ的电阻，恒电位仪的输入电阻主要由此决定。这个并联电阻在设计中是为了考虑电路的稳定性而设置的。在实际电路中，经过多次试验，取消这个电阻对电路没有明显影响。即使保留此电阻，在实际电路中这个电阻不能小于10 MΩ。

综上所述，可以得知在标准CB 3220－1984《船用恒电位仪》中“输入阻抗≥1 MΩ”是偏低的。所以建议在以后修订标准时将CB 3220－1984《船用恒电位仪》中的上述内容改为“恒电位仪的输入阻抗≥10 MΩ”。

如果遇到参比电极损坏的情况，必须要查明失效原因，排除故障，然后再更换。由于更换参比电极是在坞内施工，如果没查明原因匆忙更换，待船出坞后还会损坏，那时就不可能再进坞修理了。

2 对阴极保护系统各部分的设计和修理的探讨

阴极保护系统由恒电位仪、辅助阳极、阳极屏蔽层、参比电极、轴接地和舵接地装置等组成，分布于船体不同的位置。

1)参比电极。

(1)参比电极电极芯一般为粉压型圆柱体结构，为了提高参比电极测量信号的输出能力，降低输出内阻，在设计时，适当增加电极芯的体积，使其与海水接触的工作表面大一些，以提高负载性能和使用寿命。

(2)根据我们的经验，对参比电极结构设计进行了改进，使得舰船每次进坞修理时，都可以在船体外将其拆开，对工作表面清洁处理，使其性能得到恢复，延长了寿命，这种可维护的结构可以推广。

(3)参比电极使用较长时间后，由于封装的树脂老化，其与尼龙外壳的结合部位会产生老化裂纹，产生海水渗漏现象，影响使用寿命，是否可以从结构和材料上改进。所用的尼龙必须是低吸水率材料。

2)辅助阳极。

目前多数采用长条形结构和盘形结构，其绝缘托架一般采用热压成型环氧玻璃钢材料，阳极种类主要有铂/钛复合阳极、铂/铌复合阳极。其性能较好，采用冶金轧制等工艺使铂层致密均匀与基体结合牢固，因而具有较高的可靠性。铂复合阳极的工作电流密度大，尺寸小，重量轻，消耗速率极低，一般设计使用寿命20年。除此外还有一些其它种类，例如近几年采用的金属氧化物阳极，以前常用的铅银合金阳极等应用在不同种类的船上。

在工作中发现，上世纪90年代生产的铂/钛复合阳极所采用的铂层一般较厚，大约为几十微米，而且铂层的复合工艺也较好，经过近20年的使用，在船坞中经过处理后，仍能达到较好的性能状态。近些年来，在阳极绝缘托架的材料方面有所改进，提高了寿命。但是为节省材料减少了铂层的厚度，在工艺方面采用了类似电镀一类工艺，表面的光洁度也不如前者，感觉表面密度也有降低，厚度大约不超过10μm。经过几年使用，在近两年修船时发现一些铂层脱落现象，质量明显不如前者，影响了阳极的排流性能，这点应该引起重视。

3)水密函进水造成电极损坏。

辅助阳极和参比电极的水密函数量一般几个至十几个，分布位置各不相同，进水有两种情况:一是电极安装在船舱较低的位置，船舱底经常积水，使水密函浸在水中。尽管安装时都要进行水密性试验，但还时常发现水密函进水现象。这种现象主要发生在舱内温度变化较大的地方，水密函内的空气随着温度胀缩，使水密函内形成负压容易进水。其二，有些舱内温度较高，船外海水温度较低，即使周围没有水，也会在水密函内凝露。所以定期维护时都要对水密函进行检查，并更换密封垫和做好电缆挤箍密封处理。如果设计时对经常浸在水中的电极改进密封设计，就会有效地避免发生水密函进水，起到很好的效果。

4)恒电位仪和设备的可靠性。

外加电流阴极保护系统要求可靠性高，通常采用的恒电位仪可分为:磁饱和式、可控硅式、大功率晶体管式、高频开关式。目前前两种在舰船采用较多。

(1)磁饱和式恒电位仪可靠性最高，它采用磁饱和电抗器做为输出电流的控制单元，磁饱和电抗器是由铁心和线圈组成，坚固耐用，性能可靠。电子电路集中在一块电路板上，安装、调试、维修均很方便。其缺点是在恒电位仪内要多出3个磁饱和电抗器，再加上电源和控制变压器，一共5个电感器件，都要靠手工加工，工艺要求较高，造价贵，不适应大批量制造。磁饱和恒电位仪能承受各种恶劣的环境条件，可靠性高，因此很适用于船用阴极保护系统。

(2)可控硅式恒电位仪产品的发展经历了几代机型，电路从分立元件电路到集成电路，现在又逐渐采用单片机可控硅触发电路，PID控制等电路，控制精度和稳定性较好，电路单元组件化程度高。随着工艺技术水平的提高，电路可靠性比以前有了很大提高，适合于大批量制造，成本较低，也广泛应用于船用阴极保护系统。

阴极保护系统是连续工作的设备，要求系统可靠性高，例如恒电位仪的故障会引起系统工作异常，恒电位仪的零部件多，较易发生故障。例如:某舰输出电压和电流不稳，仪表指针摆动没有规律，有时还会产生过载保护断电。经检查发现是由于面板上的开关接触不良引起控制信号不稳。对于面板上的开关、电位器可能产生触点氧化接触不良的故障，控制电路板有时也会因为元件损坏产生故障。建议在设计、制造工艺各环节应引起注意，选择元件时注重可靠性，尽量选择船用器件，例如选择船用万能转换开关，船用仪表等，还要对电路板进行老化和防潮处理。

5)减少牺牲阳极的使用。

外加电流阴极保护系统相比牺牲阳极具有性能好，经济等优点。现在外加电流阴极保护系统可靠性也大为提高，不必采用双保险的设计思路。除了在海底门等部位，减少牺牲阳极的使用，有些舰船由于牺牲阳极使用较多，在船岀坞后，即使阴极保护系统不开机，电位仍能超过－1.0 V。修理后开机很容易造成两种保护的电位叠加，造成船体过保护。其一，过保护会对船体油漆造成损坏;其二，牺牲阳极采用贵金属材料制造，减少使用可以节省可观的费用。

外加电流阴极保护技术是控制船体和海上工程等在海水中腐蚀的最经济有效的方法。阴极保护系统要求必须保持连续可靠地工作，尤其是在军用舰船上要比民用船上要求高。除了设计和维修需要不断地改进，对于使用人员可以加强专业的培训，掌握阴极保护装置的工作原理、操作方法，正确地维护保养也很重要，只有掌握好专业技术，才能有效地发挥设备性能。