船用密封阀控式蓄电池失效分析及维护

孔建华，李 凯

(广东海洋大学，广东 湛江 524000)

蓄电池在船上的应用很普遍，包括作为发动机启动的电源、无线电设备的备用电源以及为应急照明、报警及信号装置等低压设备供电，在船舶运作中起着十分重要的作用。密封阀控式蓄电池(VRLA)的工艺与技术水平日渐成熟，维保方便，基本无酸气泄漏，逐渐取代了开口式的铅蓄电池。因其能在正常寿命中，甚至不用考虑往蓄电池中添加电解液，享有着“免维护电池”的美称。图1为密封阀控式蓄电池结构示意图。

图1 密封阀控式蓄电池结构示意图

1 密封阀控式蓄电池的结构和工作原理

密封阀控式蓄电池通常由6个单格构成，电池内里包含着正极极板、负极极板和防止两极接触短路的隔板，电解液充满整个蓄电池的内部，蓄电池顶部有电池槽和盖，还有确保密封的排气阀(单向安全阀)。正常运行的密封阀控式蓄电池具有2大密封特征：气密和液密。一旦在工作中出现了蓄电池内部气体压力超过预设值的现象，单向安全阀就会被顶开，快速泄压；当内部气压下降到安全阀的预设值及以下时，单向安全阀迅速关闭，防止外部气体倒灌进电池内部。利用电池的正、负极活性物质和稀硫酸、电解液之间发生的电化学反应，进行充、放电[1]。

以下是放电时的电化学反应方程式:

充电过程所发生的反应跟放电过程相反,它们是:

密封阀控式蓄电池内部化学反应如图2所示。

图2 密封阀控式蓄电池内部化学反应

2 密封阀控式蓄电池使用寿命的影响分析

2.1 浮充

浮充充电即将蓄电池组并联在负载汇流排上用恒定的电压进行充电，是密封阀控式蓄电池充电最常用的模式。浮充使蓄电池的温度很快上升，随着温度升高，热效应激增，电池的内部电化学反应激烈。长期处于这种环境下，蓄电池的寿命就会大打折扣。

2.2 闲置

在密封阀控式蓄电池原材料上下足功夫可以减少材料损耗的影响，控制其自放电率很小，但不能完全抵消。尤其是蓄电池长时间闲置时，也会因自放电激发极板硫酸盐化而提早失效。通常来说，蓄电池投入使用前，闲置的时间不可控制，甚至长达好几个月，这也是蓄电池早期容量低的原因。船舶在运营过程中，有太多的不确定因素，可能因突发状况被迫长期抛锚，或因大修长时间搁置在船坞，加之本身作为船用应急能源的蓄电池平时使用机会并不多而导致被闲置。而且闲置存放的环境温度越高，自放电率越大，硫酸盐化越严重，对使用寿命的影响越严重[2]。有些船舶蓄电池间甚至装设空调保证恒温以消除高温对闲置蓄电池的影响。

3 密封阀控式蓄电池的典型失效分析

密封阀控式蓄电池的常见失效形式有干涸失效、落后电池失效、极板硫酸盐化失效等。

3.1 干涸失效

密封阀控式蓄电池并非是一个完全的密封体系，而是与外界环境有能量交换并产生物质的半封闭体系。干涸失效即是电池中的水通过蓄电池的外壳空隙或安全阀等地方泄漏出去引发的失效。其往往会通过以下几种形式实现。①电解水反应，密封阀控式蓄电池在化学反应过程中存在着电解水这一有害反应，通过电解水反应产生氢气和氧气，水被消耗；②极板腐蚀消耗水，负极极板上的铅板长期与电解液接触，电解液中的水容易与其发生电化学反应被消耗；③蓄电池总体密封性不佳，在极端恶劣海况下或受到强外力的冲击时，船舶会摇晃不定，蓄电池的液位也会随之来回摇摆，极易发生电解液渗漏；④充电时，当电池得不到适当的温度补偿，过高的内部气压就会通过排气阀泄压，伴有电解液水分蒸发。综上所述，失水是干涸失效的主要原因，一般直接往蓄电池里面加蒸馏水即可。

3.2 落后电池失效

密封阀控式蓄电池组由多个蓄电池组合而来，保证各个蓄电池的内阻、容量等性能一致，以使整组蓄电池的性能达到最佳状态，但因各个蓄电池组的材料选配有差异、蓄电池组装配工艺不良、设计与制造工艺不能完美对等的原因，使得各蓄电池的性能状态可能达不到一致，串联使用下不同的蓄电池性能会呈现出离散型分布。在蓄电池的充、放电过程当中，电池实际的输入、输出电压会因电路的电流脉动呈现出不平衡的差别；在不同的充电方式下，充电对蓄电池的影响不尽相同，鉴于以上种种原因，就会造成个别电池的性能出现问题。反复的充放电下，性能差异现象就愈发突出，有些电池就会变成落后电池。随着循环次数增加，落后电池比其他电池失效的时间要提前，进而导致整个蓄电池组的失效。

若判断到蓄电池组中存在落后电池，就必须及时更换落后蓄电池或全部蓄电池，确保整个蓄电池组的供电系统正常。

3.3 极板硫酸盐化失效

主要是指负极极板硫酸盐化失效。当蓄电池因长期处于充电不足或者是过放电状态，氢气析出过多，导致负极附近氢离子浓度下降而产生了硫酸铅沉淀，就会在负极极板上形成一圈不溶于电解液的沉淀物，而且很难再重新转化成活性物质，让电池容量不断减少，甚至使蓄电池完全失效。

与正常的蓄电池相比较，发生极板硫酸盐化失效的电池实际容量均有显著的下降；利用密度计测量会发现，该类电池电解液的密度长期低于正常值，性能差于正常蓄电池。在同一蓄电池组的电池的充电过程中，极板出现硫酸盐化的蓄电池冒泡的时刻比其他电池要早，电压上升得更快，且极板的状态和颜色异于寻常，极板颜色变浅，有白色沉淀物附着，负极板明显变硬。而且放电电压下降得也很快，两、三个小时就能够耗完电量。

4 船用阀控密封式蓄电池的维护

研究表明，密封阀控式蓄电池在额定的放电电流下放电，且放电容量不低于额定容量的80%的情况下，使用的寿命一般都可以在10年以上。在海船运营过程中，船舶面临着复杂的外部环境，船用密封阀控式蓄电池组长期在高盐分、潮湿环境下运行，加上机舱环境狭小、温度高、振动大、环境散热效果差，多种因素加速蓄电池腐蚀老化。结合失效模式总结经验，需要对船舶蓄电池维护保养做出更有效的措施，一般从以下3个方面着手[3]。

1)月度保养。在外观上，检查其壳体是否膨胀变形、存在裂痕及污迹，发现了尽早更换；保证蓄电池表面的铭牌清晰，注意清理积灰，防止其污损蓄电池表面；检查电池的极柱、安全阀、槽盖处是否有电解液渗漏，发现问题及时更换处理；检查蓄电池组中的各个电池的完整性，留意各个电池之间的连接处是否可能因连线松动脱落和腐蚀导致开路，若有发现则及时修复。定期(月度)剩余容量检测，通过放电测试计算剩余容量，判断蓄电池的状态，是否能够继续使用。

2)年度保养。在做好月度维护的同时，要对蓄电池做好全方面的放电核容实验，检查电池组中各个蓄电池是否在长期使用的情况下出现了提早失效，为避免因单一电池故障对蓄电池组的影响，要及时对其维修保养或更换。

5 结束语

综上所述，密封阀控式蓄电池组的使用追求的是性能一致性，就像木桶短板效应一样，装水的多少取决于最短板的长度，电池组正常使用的总效用依赖于各个蓄电池的正常发挥，剔除落后电池的影响，使同组中各个蓄电池的实际容量值的公差值越小，蓄电池的性能一致性越好，蓄电池组才能够在运营过程中达到最佳使用状态。管理人员要对蓄电池的当前状态做出准确的判断，能依据各种失效因素的影响作出正确的处理方法，对密封阀控式蓄电池的规范使用、合理管理和有效维护，也为船舶安全航行提供可靠的保障，为船员的安全保驾护航。