低温海水环境船舶典型材料电化学特性研究

2023-09-08余定峰郑攀峰

水下无人系统学报 2023年4期

周彤,余定峰,郑攀峰,杨帅

(武汉第二船舶设计研究所海洋电磁探测与控制湖北省重点实验室,湖北武汉,430205)

0 引言

21 世纪是海洋的世纪,海洋船舶目标电场特性研究已成为电场探测和电场隐身设计领域的热门议题。近年来,国内针对常规海域船舶电场特性开展了大量研究[1-8]。孙公毅等[1]基于正演模拟及小波系数分析确定阈值的小波阈值去噪方法压制噪声,利用合成的包含大地电磁信号、海流感应电磁噪声的极低频信号进行试验。孙强等[2]利用边界元仿真软件研究了船舶在不同涂层破损率及破损位置情况下的水下电场变化趋势和控制参量最佳值的变化趋势。孙宝全等[3]研究了利用船舶静电场信号对船舶进行跟踪定位的可行性。李越等[4]针对轴频电场信号及环境电场噪声信号在时域及频域特点的不同,提出了采用Welch 法替代的一种改进型检测算法。卞强等[5]基于ANSYS有限元软件建立了舰船的三维有限元模型,分析了船舶在周围海水中形成的静电场分布状况。李俊等[6]对装有外加电流阴极保护(impressed current cathodic protection,ICCP)系统的船舶进行水下静电场的边界元建模,分别对2 种情况下船舶ICCP系统的电流输出进行优化。张华等[7]基于目标静电场的基本特性,进行了水中兵器制导方法的研究。刘春阳等[8]采用有限元法建立水下腐蚀静电场模型,求解不同海洋环境因素下水下电场分布。余定峰等[9]通过有限元方法对水下航行器静电场进行了仿真建模及分析。

船舶金属材料在海洋环境中的电化学特性是船舶电场特征产生过程的重要影响因素。长期以来,国内多聚焦于常温海水环境下的金属材料电化学性能研究,对低温海水环境下的金属材料电化学特性的研究较少。海水温度、盐度等环境参数的变化会在不同程度上影响船舶主要金属材料的电化学极化过程,从而导致船舶电场源分布与常规海域存在较大差异。

基于此,文中针对几种典型的船舶主体材料,对其在低温海水环境下的极化电位、极化曲线和极化电阻进行研究,分析其电化学特性,为低温海水环境下船舶电场特征控制和分析评估提供基础理论支撑。

1 试验设计

1.1 样件制作及测试过程

首先制作船用典型材料的试验件,规格为直径20 mm、高度19 mm 的圆柱体,留有一工作面,工作面积为1cm2,非工作面用环氧树脂灌封,背面引出导线,利用万用表检测试验件的导电性。在试验开始之前,用砂纸将试验件的工作面表面垂直打磨抛光,然后用无水乙醇擦拭干净待用,试验件实物见图1。

电化学测试使用三电极体系,参比电极采用Ag/AgCl 电极,辅助电极采用铂电极,工作电极即为待测试验件。测试设备选用电化学工作站。将参比电极、辅助电极和工作电极插入电解池内浸泡,3 个电极工作面保持在同一水平线上且互不接触,在试验过程中保持位置不动状态,将电化学工作站的电极电缆线套夹与对应的电极相连,连接示意图见图2。

图2 测试系统连接示意图Fig.2 Connection diagram of test system

随时间连续跟踪试验件的电位变化直至趋于稳定,此时得到金属试验件的开路电位,然后进行动电位扫描极化曲线测试,设置电位范围-0.5～+0.5 V(相对于开路电位),扫描速率0.5 mV/s,扫描结束后得到极化曲线。需要注意的是,测试后的金属样品被加速极化,每次测试前需重新打磨擦拭,测试用电解液需重新配制。

1.2 环境因素影响设计

依照海洋坏境设置典型温度分别为0、8 和25 ℃,设置电解液盐度(即NaCl 质量百分比)分别0.35%、2.00%和3.50%,分别改变以上控制变量[10],针对2 种船体常用高强钢以及铜合金总共3 种金属材料试验件进行27 次测试,试验设计见表1。

2 试验结果与分析

通过对比试验结果,考察低温海水环境对3 种试验件的开路电位、极化曲线及极化电阻等的影响,得到金属材料的电化学特性变化规律。

2.1 海水温度对开路电位和极化曲线的影响

由Nernst 方程可知,金属的电极电位与水溶液中离子的浓度(活度)和温度有关,电极电位是离子浓度(c离子)、温度T及溶液pH 值的函数[11],即

一般而言,温度降低使得溶液中的O2溶解度变高,含氧量变大,金属的自腐蚀电位正移。

表2 为高强钢1#在不同环境下的开路电位数值。通过对比可以看出,高强钢1#稳定开路电位随海水温度的降低而增大。

表2 不同环境下高强钢1#开路电位Table 2 Open circuit potential of high-strength steel 1#under different environments

图3～图5 分别表示在盐度0.35%、2%及3.5%的海水条件下,高强钢1#在不同温度(0、8、25 ℃)下的极化曲线。从各图可以看出,高强钢1#的自腐蚀电位(即实测阴极、阳极极化曲线的起点电位[11])随着海水温度的降低而正移,与表2 中的开路电位变化规律基本一致。

图3 不同海水温度下高强钢1#极化曲线(海水盐度0.35%)Fig.3 Polarization curves of high-strength steel 1# at different seawater temperatures(0.35% salinity)

图4 不同海水温度下高强钢1#极化曲线(海水盐度2%)Fig.4 Polarization curves of high-strength steel 1# at different seawater temperatures (2% salinity)

图5 不同海水温度下高强钢1#极化曲线(海水盐度3.5%)Fig.5 Polarization curves of high-strength steel 1# at different seawater temperatures (3.5% salinity)

表3 为高强钢2#在不同环境下的开路电位数值。通过对比可以看出,高强钢2#稳定开路电位随海水温度的降低而增大。

图6～图8 分别表示在盐度0.35%、2%及3.5%的海水条件下,高强钢2#在不同温度(0、8、25 ℃)下的极化曲线。从各图可知,高强钢2#的自腐蚀电位随着海水温度的降低而正移,与表3 中的开路电位变化规律基本一致。

图6 不同海水温度下高强钢2#极化曲线(海水盐度0.35%)Fig.6 Polarization curves of high-strength steel 2# at different seawater temperatures (0.35% salinity)

图7 不同海水温度下高强钢2#极化曲线(海水盐度2%)Fig.7 Polarization curves of high-strength steel 2# at different seawater temperatures (2% salinity)

图8 不同海水温度下高强钢2#极化曲线(海水盐度3.5%)Fig.8 Polarization curves of high-strength steel 2# at different seawater temperatures (3.5% salinity)

表4 为铜合金在不同环境下的开路电位数值。观察实验数据可以得到,在海水盐度不同的情况下,铜合金稳定开路电位随海水温度的变化略有不同。

表4 不同环境下铜合金开路电位Table 4 Open circuit potential of copper alloy under different environments

图9～图11 分别表示在盐度0.35%、2%及3.5%的海水条件下,铜合金在不同温度下(0 ℃、8 ℃、25 ℃)的极化曲线,从各图中可知,铜合金的自腐蚀电位与表4 中的开路电位变化规律基本一致。

图9 不同海水温度下铜合金极化曲线(海水盐度0.35%)Fig.9 Polarization curves of copper alloy at different seawater temperatures(0.35% salinity)

图10 不同海水温度下铜合金极化曲线(海水盐度2%)Fig.10 Polarization curves of copper alloy at different seawater temperatures(2% salinity)

2.2 海水温度/盐度对极化电阻的影响

对线性极化数据进行线性拟合,可以得到极化电阻。极化电阻表示试样对电极表面的电化学过程的阻抗大小,一般极化电阻越大,阻抗越大,电化学得失电子的过程越困难。电化学反应连续进行,极化电阻随时间的变化可以反映电化学反应速率的变化,对腐蚀而言,极化电阻越大,则试样耐腐蚀性能越好,也预示着电极表面的阳极过程越困难,溶解过程越缓慢。

以高强钢1#在温度0 ℃、盐度0.35%海水条件的电流-电位曲线拟合为例(如图12 所示),得到Rp金属的极化电阻值。