外加电流阴极保护装置在船舶防腐中的应用

张 平

摘要: 本文介绍了船舶外加电流的阴极保护的原理，系统组成，应用中的常见问题。

关键词：船舶；阴极保护；腐蚀

Impressed Current Cathodic Protection on the Application of Anticorrosion of the Ship

ZHANG Ping

（Navel Representatives Office of Jiangnan shipyard (group) Co., Ltd,Shanghai 201913）

Abstract:This article introduces the principle of ship of the impressed current cathodic protection, system composition and application of common problems.

Key words:ship;cathodic protection;corrosion

1引言

海水是一种很强的腐蚀性介质,对钢质船体有很强的腐蚀性。钢板遭到海水腐蚀生成铁锈，铁锈质地松脆，无法阻止钢板进一步的腐蚀。且腐蚀使船体外表面粗糙，易附着一些海生物，增加船体的阻力。目前在船体防腐蚀方面，除增加涂层外，一般还有牺牲阳极和外加电流两种阴极保护形式。牺牲阳极方法由于简单、经济，被广泛采用，但效果欠佳，焊在船体外表面的锌块也会增加船体阻力。使用永久性外加电流的阴极保护装置是目前控制钢质船体在海水中腐蚀的最有效方法。

2外加电流阴极保护

2.1外加电流阴极保护的原理

钢铁在海水中的腐蚀是一个电化学过程，铁电位较负，比较活泼，放出电子成为正离子进入海水，处于阳极状态，遭到腐蚀。如使钢铁表面全部处于阴极状态来抑制微阳极区钢铁的电子释放，就可以防止钢铁的腐蚀。

外加电流阴极保护即在金属表面上加上阴极电流。当这些电子来不及与水中的氧作用时，就会在钢铁表面聚集起来。使钢铁表面的电位向负方向移动，形成阴极极化。这时，微阳极释放电子的能力就减少。电流愈大（或时间愈长）电子积聚就越多，钢铁表面的电位就越负，微阳极释放电子的能力就越弱。当阴极电流释放的电子足够多，使钢铁表面达到了等电位，腐蚀位电子作用被迫停止，钢铁就得到了保护。

钢铁在海水中对不同参比电极的保护电位值是不同的。目前我国一般选用银/氯化银电极，钢铁在海水中的保护电位取-0.75 V～0.95 V（相对于银/氯化银参比电极）最佳电位为-0.85 V～-0.90 V。

保护电流密度不是恒定不变的。由于船体电势随着航速、海区盐度、海水温度、油漆的破坏程度等船舶外界条件的变化而不断变化。如果阴极保护电流过小，就不能有效保护船体，导致船体受到腐蚀，减少船舶使用寿命。如果阴极保护扩散电流过大，则容易造成船体钢板产生氢脆，韧性降低，使得船体遇到大风浪或其他外力冲击时，发生船体开裂的危险。同时，电极输出的电流过大，还会导致电极的寿命降低。所以，我们在船体外板外加电流阴极保护设计中，需要系统随着外部环境的变化，自动调节所需保护电流，使船体始终处于最佳保护电位范围内（200 mV~300 mV / 锌参比电极）。

2.2外加电流阴极保护系统的组成

外加电流阴极保护装置主要由恒电位仪，阳极和参比电极组成，如图1所示。

图1外加电流阴极保护系统

恒电位仪—船体外加电流阴极保护的直流电源。它根据参比电极提供的信号能自动调节保护电流的大小，由阳极向船体表面输送电流，使船体始终处于最佳保护电位范围内。

阳极--阳极的主要作用是在海水中产生保护电流。阳极的安装必须与船体绝缘。在造船或进坞检修时,应该通过合理的设计、安装使阳极和海水间维持较低的电气摩擦(指不同的物理材料间由于相互的摩擦而在两者接触面间产生电子的流动形成电流),使阳极达到最佳的运行效果。在正常情况下,直接安装在船体外壳上的标准阳极具有多种电流规格,例如75 A、100 A、150 A、200 A和300 A。对于船舷安装的系统和具有特殊用途的系统应该使用凹进型阳极。

参比电极—在外加电流阴极保护中，参比电极的作用是测量船体电位和提供讯号给恒电位仪。在正常环境条件下,每一个控制器装有两个参比电极。但是,单个控制器对参比电极的最低要求是至少得安装一个。这些参比电极的安装位置以距阳极的最小距离为7.5 m(在10 m左右)时最为理想。在船舶总长不超过200 m的船上只需安装船体系统,而在总长超过200 m的船上最好再安装一套船舷系统。如果安装更多的参比电极(一般为4个),则还可以防止船体受到过保护或欠保护所造成的损害,这样使得在环境不断变化时也能维持良好的船体防腐保护性能。

一般为了保护舵和推进器，还装有轴接地装置。轴接地装置就是将舵柱，推进器与船体短接，防止舵和推进器的腐蚀。但由于轴的转动及不能做到完全的短接，使轴和船体间产生一个周期性变化的电阻，加上阴极电流，就调制出了副产物—轴频电场。轴频电场作为现代船舶的特性，容易被用于侦测。

另外还得考虑阳极屏蔽层，由于阳极周围的电流密度较高，船体表面阴极电位较负，致使船体表面碱性增加，引起船体涂料的皂化而被破坏，尤其是负于-1.0V时，由于“析氢”则会引起涂料的鼓泡脱落。因此，为了防止电流短路，扩大电流分布范围，使船体电位分布均匀，确保阴极保护效果，在阳极的周围一定范围内涂刷阳极屏蔽层。

3 外加电流阴极保护系统设计时注意的几个原则

（1）根据船体的有关参数，计算出船体的浸水面积，然后计算出此船需要的保护电流，以此确定恒电位仪的规格。

（2）根据船体总图、船体线型图、机舱布置图，舱室布置图等有关图纸，确定辅助阳极和参比电极的位置和数量。一般情况下辅助阳极布置左右舷对称。根据船体情况布置2个或4个或6个等。阳极的数量确定后，以此确定阳极的规格。一般情况下，一艘船上布置两只参比电极就够了。一个布置在阳极屏蔽层的边缘，另一个布置在两个阳极中间，测量船体最高、最低电位并提供讯号给恒电位仪。

（3）自航船的外加电流阴极系统设计中，根据轮机机舱布置图、推进器轴系等，确定轴接地装的安装位置和规格。

（4）根据船舶电力系统确定恒电位仪的设备电源的电制。阳极、参比电极与恒电位仪之间用电缆连接。确定了恒电位仪、阳极的规格、安装位置后，计算确定电缆的规格。

4 应用时应注意的问题

（1）船体外涂层质量或喷涂工艺非常重要,否则会在阴极保护系统输出电流的作用下被破坏。在此情况下,船体与海水间的电化学反应加剧,阴极保护系统在电流控制器的作用下输出近乎额定的工作电流量仍无法达到船体所需的保护电位,而电子的流动特性是选择电阻较低的途径,在外涂层质量低劣的程度超过一般设计阴极保护系统时采用的比例(30%~35%)的情况下,大部分电流会在接近阳极的区域进人船体外板,从而造成该局部涂层区域遭受损坏。

（2）由于辅助阳极输出的低压大电流，因此要注意辅助阳极的电缆电压降，否则影响保护效果。

（3）辅助阳极的布置要注意：辅助阳极安装要根据船体的线型图；阳极在轻载时不能露出水面；尽量避免安装在水舱内；船靠离码头时阳极不要被码头碰撞。

（4）辅助阳极和参比电极装在易维修的地方。

（5）在船舶进人淡水、水质恶劣水域时,由于水的电阻加大从阳极产生的电流效果会受到限制,正常情况下这会使控制器增加输出电压到最大但电流却非常小,这种情况是正常的,不会产生不良后果,只要船舶回到海水中系统就会重新对船体起到最佳保护效果。尽管如此,如果船船在淡水环境中超过7天的话,建议最好是关掉系统电源以避免在阳极上形成绝缘的氧化膜,从而导致阳极所能传输的电流减少。

（6）船舶进坞后,阴极保护系统一定要切断电源,若非检修的话出坞前不可供电。在坞修中要进行船体外部件的检查,如发现任何绝缘材料损坏或老化,应及时安排修理或更新,为维持高水平的保护作用,应尽量采用高质量和高纯度的锌参比电极。船体外部件要用胶布密封,以防船壳钢板表面处理或喷漆时污染其表面,出坞前切记清除密封胶布并检查确认。出坞后,接通电源检查系统工况,确认系统各参数显示正常,建议将系统停用5一7天。让船壳涂层充分固化以避免由此导致涂层剥落。

作者简介：张平（1981-），男，工程师。从事电气工程监造专业。

收稿日期：2014-01-18