船体单区域和双区域外加电流阴极保护系统分析

鲁统军 陈志强 李显超 顾良华 白舒宇

（中国船舶集团公司第七二五研究所，山东 青岛 266237）

0 引言

海水是一种很强的腐蚀性介质，如果不采取有效的防腐蚀措施，钢质海船的船体就会发生严重的腐蚀[1]。现代海船结构大多为金属材质，因此基本都采取了阴极保护措施来抑制腐蚀。外加电流阴极保护系统可以有效的保护船体水下部位及其附件不受海水腐蚀，该系统是通过外加的直流电源（恒电位仪或恒电流仪），控制船体电位或电流密度使船体阴极极化而达到不受海水腐蚀的目的[2]。

船体外加电流阴极保护系统根据系统的组成部分可分为单区域保护系统、双区域保护系统及多区域保护系统。单区域外加电流阴极保护系统是系统由1台恒电位仪、1套控制参比电极（恒电位仪工作时采用1套参比电极进行电位控制）和多套辅助阳极组成；船体双区域（多区域）外加电流阴极保护系统，即船体外加电流阴极保护系统采用两台恒电位仪（多台恒电位仪）、两只控制参比电极（多套控制参比电极）和多套辅助阳极构成，也就是船体施加了两套（多套）相对独立的外加电流阴极保护系统。本文只分析单区域外加电流阴极保护系统和双区域外加电流阴极保护系统特点，并提出两种系统的应用建议。

1 系统现状

船体阴极保护普遍采用单区域外加电流阴极保护系统，当船体涂层破坏严重时，单区域阴极保护系统往往达不到船体水线下壳体全面保护的要求，造成局部腐蚀严重，特别是船舶在航行时，由于螺旋桨高速旋转的扰动作用，往往造成船壳体的欠保护[3,4]。

在船体阴极保护系统设计时，应对船体外加电流阴极保护系统总电流进行计算，船体各部位保护电流密度如表1所示。辅助阳极和参比电极的位置影响船体电位分布[5]，因此应对辅助阳极、参比电极的数量及安装位置进行充分考虑，在辅助阳极的布置原则上应保证船体相对于银/氯化银参比电极的保护电位处于-0.80～-1.00V之间，原则上艏部、舯部、艉部都布置，艉部偏多为宜，应左右舷对称布置。在参比电极的布置原则上，最好布置在相邻辅助阳极中间，也可以布置在离阳极较近的屏蔽层附近，应保证左右舷都有布置[6]。

表1 船体阴极保护电流密度表

2 案例分析

2.1 单区域外加电流阴极保护系统

2.1.1 系统概况

例1：船体长度约130米，4000吨，双螺旋桨、双舵叶。

经计算和选型，该船外加电流阴极保护系统组成： 1台120A/20V恒电位仪、辅助阳极4套、银/氯化银参比电极2套，实船布置如图1所示。

图1 例1外加电流阴极保护系统实船布置示意图

例2：船体长度约155米，6500吨，双螺旋桨、双舵叶。

经计算和选型，该船外加电流阴极保护系统组成： 1台150A/20V恒电位仪、辅助阳极6套、银/氯化银参比电极3套。

2.1.2 系统运行数据

例1、例2船体外加电流阴极保护系统通过恒电位仪提供保护电流，辅助阳极并联输出电流，参比电极监测船体的电位，恒电位仪设定电位为-0.90V（船体相对于银/氯化银参比电极应在-0.80～-1.00V之间），系统运行数据如表2所示。

表2 例1、例2外加电流阴极保护系统运行数据

2.2 双区域外加电流阴极保护系统

2.2.1 系统概况

例3：船体长度约180m，10000t，双螺旋桨、双舵叶。

经计算和选型，该船外加电流阴极保护系统组成：两台120A/20V恒电位仪、辅助阳极8套、银/氯化银参比电极4套，实船布置如图2所示。

图2 例3外加电流阴极保护装置实船布置示意图

例4：船体长度约220m，20000t，双螺旋桨、双舵叶。

经计算和选型，该船外加电流阴极保护系统组成：两台150A/20V恒电位仪、辅助阳极8套、银/氯化银参比电极4套。

2.2.2 系统运行数据

例3、例4船体外加电流阴极保护共有两台恒电位仪，两台恒电位仪前、后分区域对船体进行阴极保护，每台恒电位仪并联接入4套辅助阳极，2套参比电极，恒电位仪设定电位为-0.90V，系统运行数据如表3所示。

表3 例3、例4外加电流阴极保护系统运行数据

2.3 外加电流阴极保护系统保护电位分析

在外加电流阴极保护系统处于工作状态时，用便携式银/氯化银参比电极在甲板上对船体电位进行测量，采取左、右舷从艏至艉均取5个点的方式测量[5]。例1～例4船体保护电位如表4所示，曲线图如图3所示。

表4 例1～例4船体保护电位记录表

图3 例1～例4船体保护电位曲线图

通过系统运行数据、保护电位曲线图可以看出单区域外加电流阴极保护系统的辅助阳极为并联输出，每套辅助阳极输出的分电流基本相同，但是由于船体结构及不同材料的区域电位影响，造成需要的保护电流密度各不相同，从而造成了船体保护电位分布不均匀现象（如例1、例2的电位最大偏差均为90mV）。在双区域外加电流阴极保护系统中，辅助阳极通过两台恒电位仪控制输出保护电流，两台恒电位仪根据保护区域的不同，其输出的保护电流也不相同，从而实现了区域保护电流密度的自动调节，使船体的保护电位可以更好的均匀分布（如例3、例4的电位最大偏差均为40mV）。

3 结语

3.1 单区域系统特点

单区域外加电流阴极保护系统相对简单，只有1台恒电位仪、1套控制参比电极、多套辅助阳极组成。辅助阳极采用并联方式输出，辅助阳极的输出电流基本相同。因船体艉部需求电流密度大，所以辅助阳极应尽量布置在船体艉部，系统通过参比电极监测的电位实现保护电流的自动调节，可使船体的电位都在正常保护范围内，但是艏部和艉部的保护电位偏差相对较大。

3.2 双区域系统特点

双区域外加电流阴极保护系统具有两台恒电位仪，每台恒电位仪各有1套控制参比电极和多套辅助阳极，两台恒电位仪采用前、后布置，同步独立运行，在船体上实现艏部、艉部两个阴极保护区域，系统通过两套参比电极监测的船体电位分别实现艏部和艉部保护电流的自动调节，使船体的保护电位可更好控制在保护范围内。

3.3 系统选用建议

在船体较长、坞期间隔时间长、多螺旋桨和多舵叶或船体水下部位结构复杂的情况下，外加电流阴极保护系统应考虑选用双区域或多区域控制系统，这样能有效的控制船体电位在合理的保护电位区间内，更好的延长船舶使用寿命。

在船体结构简单、坞期间隔时间短、船体较小时，建议采用单区域外加电流阴极保护，单区域阴极保护保护系统具有结构简单、操作使用方便等优点，在系统设计时应详细计算恒电位仪的容量，充分考虑辅助阳极、参比电极的数量及布置位置，通过合理的设计和布置，结合相应的仿真计算优化，也可以使船体的保护电位均匀分布。