海船PSPC海水压载舱牺牲阳极设计

李应波 吴镇波

摘 要：本文介绍用于涂层性能标准（PSPC）海水压载舱的牺牲阳极设计计算，着重介绍基于涂层的破损率、保护电流密度及牺牲阳极寿命的设计计算方法，适应于PSPC要求的航行船舶海水压载舱。

关键词：牺牲阳极设计；海水压载舱；涂层性能标准； 涂层破损率

中图分类号：U667.2 文献标识码：A

1 前言

随着船舶安全标准不断提高，海水压载舱涂装性能要求也达到新的高度，诞生了新的涂层性能标准（PERFORMANCE STANDARD FOR PROTECTIVE COATINGS，简称PSPC）。虽然涂层技术标准大幅度提高，但海水压载舱仍然需要牺牲阳极参与防护。如何设计与PSPC相配套的牺牲阳极？现有海船牺牲阳极阴极保护的设计方法是否适用？笔者根据现有牺牲阳极阴极保护设计的资料，探讨PSPC船舶压载舱的牺牲阳极设计计算。

2 PSPC海水压载舱涂层特征参数

2.1 基本目标

使涂层达到15年的目标使用寿命，指从最初的涂装开始，涂层系统维持良好状态的持续时间；

希望整个船舶生命周期内，压载舱只须重新涂装一次。

涂层系统达到其目标使用寿命的能力取决于涂层系统的类型、钢材处理、涂装和涂层检查及维护。

2.2 PSPC涂层的技术数据

涂层为环氧类涂层，NDFT（名义总干膜厚度）为320 μm；

涂层的初始期破损率小于2%。

2.3 涂层状态的定义

见表1。

3 海水压载舱牺牲阳极设计计算的相关问题

从IMO资料了解到PSPC涂层的特征，主要是寿命长、施工、维护质量好、破损率低，也就是说满足PSPC船舶海水舱的涂层质量比以往有大幅度提高。因此，原来的压载水舱牺牲阳极的设计计算方法是否适用，值得探讨。

3.1 设计计算方法

压载水舱牺牲阳极阴极保护的设计不是规范、公约的强制性要求，一般根据船级社指南或国家标准的推荐做法进行设计，不同船级社的设计指南有所区别，总的来说主要有两种设计计算方法：第一种是基于涂层的特性，根据涂层破损率计算裸钢的面积，阴极为裸钢进行设计计算；第二种是简约式计算办法，不考虑涂层特性，阴极为有涂层的钢面，按推荐的保护电流密度进行设计计算。目前国内主要按第二种方法计算，牺牲阳极用量按以下公式计算：

计算公式（1）简洁明了，但应用不太方便，保护电流密度Ii的推荐值跨度较大，不同取值的计算结果差异很大。实际应用中，绝大多数设计人员对保护电流密度的取值采用平均法，即取推荐值的平均数，而且任何船舶、任何涂层都是一样，这样的设计结果很难保证与实际需求一致。由于PSPC涂层与以往的涂层有很大的差异，所以牺牲阳极用量不能用简约方法计算。

3.2 涂层与牺牲阳极的关系

船舶的主要防腐手段是依靠涂料，涂料的作用是将金属本体与大气、海水等腐蚀介质隔离，对浸泡海水中的钢构件，涂料起电绝缘作用，防污涂料还可以防止海洋生物附着船体。由于涂料施工过程的工艺水平无法保证涂料百分之百覆盖钢构件表面，涂层服务期间出现老化、受损的现象，使涂层不断扩大破损，涂层破损部位的钢构件面失去涂层绝缘保护，直接接触海水，涂层破损部位的防腐依靠牺牲阳极或外加电流进一步保护。

目前船舶海水压载舱的防腐手段依靠涂料（油漆）和牺牲阳极进行联合保护，满足PSPC的压载水舱也是如此。涂料是防腐的第一道防线，牺牲阳极是第二道防线，涂层破损部位是牺牲阳极设计的关注对象。

涂层破损率，是指涂层破损面积占所统计面积的百分比，破损率为零，意味所统计的面积涂层完好，不需要牺牲阳极；破损率为100%，意味所统计面积无涂层，防腐任务完全依靠牺牲阳极。涂层破损率是个动态数据，随服务时间增长而增长的数据，通常根据涂层的服务寿命时间段划分涂层的破损率，分别为初始期、保养期和终止期。初始期的破损率小，主要取决于涂层施工工艺；保养期的破损率是平均值，一般作牺牲阳极的设计计算依据，比初始期大；终止期为涂层的寿命极限，破损率最大，涂层无法进行维护，需重新施工。PSPC海水压载舱涂层的破损率很小，初始期小于2%，保养期小于3%。

3.3 保护电流密度

海水压载舱的阴极保护电流密度，CCS的推荐值为3～10 mA/m2，BV的推荐值为2～10 mA/m2。这个推荐值跨度较大，取其中任一数值的计算结果都无法令人信服。PSPC涂层有明确的破损率，维护期的破损率<3%，可认为压载舱有3%浸水面积为裸钢，按压载水所在的地理位置，即船舶航线的地理位置，为压载舱的破损部分选择合适的裸钢保护电流密度。

裸钢保护电流密度取值可参考DNV或BV的推荐值（表2）。

3.4 牺牲阳极保护寿命

牺牲阳极保护寿命问题，规范公约的文件没有提及，通常情况下牺牲阳极保护寿命与涂层的寿命等同，因为更换阳极不容易。PSPC的目标寿命15年，希望整个船舶生命周期内，压载舱只须重新涂装一次，压载舱的装载率为50%～60%时，与涂层等同寿命牺牲阳极的实际使用寿命必需7.5～9年，但目前用于压载舱的标准规格阳极最大使用寿命仅为6年，不能满足PSPC涂层要求。解决办法有两种：第一种是设计非标阳极规格，加大阳极外形尺寸，使单个阳极寿命达到7.5～9年；第二种是选用现有标准规格，通过富裕的数量延长至与涂层的寿命等同。

从安全角度出发，任何设计都必须留有一定的裕度，牺牲阳极设计也不例外，建议增加10%～30%的计算裕度。

3.5 牺牲阳极的选型

牺牲阳极化学成份决定阳极的电位、电容量的大小，不同化学成分阳极的性能差异较大，目前可用于海水压载舱的牺牲阳极有锌基、铝基两类：锌基牺牲阳极负电位小，电容量也小，但适用范围广，应用历史长，相同的保护寿命，外形尺寸、重量比铝基大，适应于保护寿命短的海船；铝基牺牲阳极负电位大，电容量大，铝基牺牲阳极在海船上应用广泛，具有较大的电容量，但其碎片跌落时容易产生电火花，规范限定其在货油舱及其相邻液舱中使用的势能不超过275J，在这些危险区域应用铝基牺牲阳极需控制其安装高度或采取防护措施防止碎片跌落。综合利弊，PSPC海水压载舱采用铝基牺牲阳作阴极保护比较合适。

3.6 牺牲阳极性能计算

牺牲阳极的性能计算，主要是根据所确定的牺牲阳极外形尺寸、结构形式及安装方式计算阳极的接水电阻。根据所计算的接水电阻的数值，计算阳极的发生电流量。最后根据计算的电流量、阳极质量及电容量估算阳极的使用寿命，判断是否满足设计要求，若不满足则从新选型。牺牲阳极性能的计算，各大船级社的指南或推荐的公式基本一致，不再赘述。

3.7 牺牲阳极用量计算

以上讨论牺牲阳极阴极保护的计算数据，最终的目的是用以计算牺牲阳极的用量。针对现有牺牲阳极用量的计算公式中存在的问题，建议计算公式（1）作如下修订：

4 计算实例

分别以热带、温带、北极带海区的海水为压载水，比较不同海区的压载水所产生的设计差异，及两种计算方法结果的差异。计算不同海区的电流保护密度按 DNV的推荐值，具体过程从略。通过实例计算，可以得出以下结论：

（1）压载水所在海区地理位置对计算结果影响比较大。通过海区地理位置细分保护电流密度，可进一步细化设计，避免保护电流密度无根据的取值；

（2）两种设计寿命方法对比结果比较接近，采用标准规格阳极成本更低。

5 结论

本文根据现有牺牲阳极阴极保护的技术文献资料进行归纳整理，结合作者的理解提出针对PSPC涂层海水压载舱的牺牲阳极设计方法，强调牺牲阳极设计需结合PSPC涂层的特征、海区地理位置对保护电流密度的影响，分析与PSPC涂层相配套的牺牲阳极寿命的不同理解，希望能为船舶设计工作者提供一个借鉴和参考。PSPC实施时间不长，许多问题仍需业界同仁去探讨，由于作者水平所限，文中不足之处请谅解。

参考文献

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