船舶陰極保護
發(fā)布時(shí)間：
2020-12-15
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現代海船船體絕大部分由鋼質(zhì)材料焊裝而成，船舶營(yíng)運的特殊環(huán)境使船舶船體和機械設備的腐蝕破壞相當嚴重。據加拿大運輸安全委員會(huì )(Transportation Safety Board of Canada)對1995年到2004年發(fā)生的事故原因統計，船體結構損害導致的事故平均約占總數的8%，而其中有相當一部分是由于船舶腐蝕造成船體強度降低引起的。一項由英國海洋工程營(yíng)運公司BRITOIL所作的失效分析表明：在所有設施失效的例子中，33%是由腐蝕造成的。根據船舶具體情況，從防護效果、要求、施工難易程度以及經(jīng)濟性等各個(gè)方面出發(fā)，選擇船舶防腐蝕方法，進(jìn)行合理的防腐蝕設計，對于增強船舶抗腐蝕的能力，確保營(yíng)運安全，具有重要的意義。
目前，國內外船舶防腐的主要方法是有機涂料、犧牲陽(yáng)極及外加電流保護或者它們的組合等幾種傳統的方法。由于安全的原因，船舶上一般采用的是犧牲陽(yáng)極陰極保護，外加電流陰極保護一般不被采用。安裝較多陽(yáng)極塊會(huì )增大船舶航行阻力，造成過(guò)度保護，少了則保護不足，船體仍然遭受腐蝕。因此，必須安裝適量的陽(yáng)極，這就需要進(jìn)行合理的設計。
根據陰極保護的原理，在對金屬實(shí)施陰極保護的時(shí)候，為了到達最佳的保護效果，需要注意陰極保護的最小保護電位和最小保護電流密度兩個(gè)主要參數。而在實(shí)際中考慮到其它因素的影響，還要選擇合理的最大保護電位和最大保護電流密度。
1. 最小保護電位
為使腐蝕完全停止，必須使被保護的金屬電極電位極化到活潑的陽(yáng)極“平衡”電位，即保護電位，對于鋼結構這一電位就是鐵在給定電解質(zhì)溶液中的平衡電位。保護電位有一定的范圍，鐵在海水中的保護電位在-0.80～-1.0V 之間，當電位大于-0.80V時(shí)，鐵不能得到完全的保護，該值稱(chēng)為最小保護電位。選擇保護電位需根據已有的實(shí)驗數據和經(jīng)驗加以確定。
我國近年來(lái)規定鋼船在海水中的保護電位為- 0.75～-0.95V( Ag/AgCl電極)，最佳保護范圍為-0.85～-1.0V，其保護情況如表1所示。
表1 鋼船體在不同保護電位下的保護效果
| 保護電位(V) | 保護效果 |
| 低于 -1.00V | 過(guò)保護,無(wú)銹蝕,但漆膜鼓泡脫落嚴重 |
| -0.85V～-1.00V | 達到理想保護效果,無(wú)銹蝕, 漆膜完整 |
| 大于-0.85V | 保護不足,有銹蝕,電位越向正方向增加,銹蝕越嚴重 |
2. 最小保護電流密度
采用陰極保護時(shí)使金屬的腐蝕速度降到允許程度所需要的電流密度值，稱(chēng)為最小保護電流密度。最小保護電流密度與最小保護電位相對應，要使金屬達到最小保護電位，其電流密度不能小于該值，而如果所采用的電流密度遠遠超過(guò)該值，則有可能發(fā)生“過(guò)保護”。
最小保護電流密度與被保護的金屬種類(lèi)，腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)，保護電路的總電阻，金屬表面是否有覆蓋層及覆蓋層的種類(lèi)，外界環(huán)境條件等因素有關(guān)，必須根據經(jīng)驗和實(shí)際情況作出判斷，表2列出了我國近年來(lái)使用的保護電流密度值，表3列出了英國 WILSON TAYLOR 公司提供的各類(lèi)船舶的保護電流密度一般指數。
表2 陰極保護采用的保護電流密度(mA·m-2)
| 防護對象 | 金屬或合金 | 介質(zhì) | 保護電流密度 |
| 海船 | 鋼質(zhì)船體(有涂層) | 海水 | 8~18 |
| 鋼質(zhì)舵板( 漆膜不完整) | 海水 | 150~250 | |
| 青銅螺旋槳 | 海水 | 300~400 | |
| 漁船 | 鋼質(zhì)船體 | 海水 | 15~20 |
| 鋼質(zhì)舵板 | 海水 | ＜250 | |
| 銅質(zhì)螺旋槳 | 海水 | ＜900 |
表3 各種船舶陰極保護采用的保護電流密度(mA·m-2)
| 船舶種類(lèi) | 新造船舶 | 運營(yíng)船舶 |
| 破冰船 | 25 | 30 |
| 挖泥船 | 24 | 27 |
| 凹鼻拖船 | 22 | 24 |
| 拖網(wǎng)漁船 | 22 | 24 |
| 拖輪 | 18 | 22 |
| 滾裝渡船 | 14 | 20 |
| 沿海船舶 | 14 | 20 |
| 其它遠洋船舶 | 12 | 15 |
| 遠洋船舶(特涂船舶) | 10 | 15 |
3. 最小保護電位和最小保護電流密度
4. 最小保護電位和最小保護電流密度，僅是對保護結構在一定保護介質(zhì)中保護效果最好的一種參數，它沒(méi)有考慮其它因素。船舶在進(jìn)行陰極保護設計時(shí)還需考慮下面因素：
(1) 按實(shí)際保護對象確定最大保護電位
實(shí)際被保護的金屬結構有一定的長(cháng)度、寬度和面積，陽(yáng)極和被保護的結構表面的距離不可能完全一致。陽(yáng)極電流到達距陽(yáng)極最遠的部位所流經(jīng)的電解質(zhì)都起電阻的作用，引起電位下降。為了使陰極最遠處得到最小保護電位，則需提高陽(yáng)極和被保護金屬間的電位差，以補償那部分電位降的損失，被保護金屬在陽(yáng)極附近的部位必然得到較高的保護電位。實(shí)踐證明，陰極電位越負，陰極附近的電解質(zhì)中的pH值越高，堿性越強。電位負至析氫電位時(shí)，則在陰極表面有氫氣析出。如果是涂料和陰極保護聯(lián)合應用的情況，就必須考慮涂料涂層的耐堿性。一般油性和瀝青系涂料的耐堿性差，陰極電位不能負于-0.80V。各種涂料允許的最大保護電位如表4所示。
表4 各種涂料允許最大保護電位值(相對飽和甘汞電極)
| 涂料種類(lèi) | 允許最大保護電位(V) |
| 油性涂料 | -0.80 |
| 聚氯乙烯涂料 | -1.00 |
| 環(huán)氧系涂料 | -1.50 |
| 有機富鋅涂料 | -1.30 |
| 無(wú)機富鋅涂料 | -1.30 |
(2) 按經(jīng)濟性原則確定最大保護電流密度
試驗得知，保護效率、保護電流和保護電位三者之間有一定的關(guān)系。保護效率隨保護電位變負而提高的趨勢是逐漸變慢，而保護電流密度隨保護電位變負而提高的趨勢是加快的。這就勢必在
一定的保護效率以后，若在提高一點(diǎn)保護效率，則保護電流密度要增加很多?？傠娏鲝姸葹楸槐Ｗo金屬面積與電流密度的乘積，這時(shí)電力消耗則大大增加，就會(huì )顯得不經(jīng)濟。所以必須合理地選擇最經(jīng)濟的保護電位和保護電流密度值作為選擇保護電源的輸出額定電流的計算參數。
5. 犧牲陽(yáng)極的布置
犧牲陽(yáng)極的布置應該遵循以下原則：
(1)船體外板所需的犧牲陽(yáng)極應該均勻對稱(chēng)的布置在舭龍骨和舭龍骨前后的流線(xiàn)上，以減少船體附加阻力；
(2)螺旋槳和舵所需的犧牲陽(yáng)極應均勻的布置在艉部船殼板及舵上，距螺旋槳葉梢300mm范圍內的船殼板上和單螺旋槳船的無(wú)陽(yáng)極區不得布置犧牲陽(yáng)極；
(3)海底閥箱、聲納換能器阱所需的犧牲陽(yáng)極應布置在箱、阱內部。
6. 犧牲陽(yáng)極的安裝
犧牲陽(yáng)極可采用焊接或螺栓固定兩種方式安裝，一般說(shuō)來(lái)焊接固定方法簡(jiǎn)單、安裝牢度高、接觸電阻小，而螺栓安裝容易更換，更換時(shí)可不損壞周?chē)颁摪宸疵娴耐繉印?/p>
犧牲陽(yáng)極的安裝應該注意以下幾點(diǎn)：
(1)在安裝前陽(yáng)極背面要涂一道絕緣漆，在安裝處的船體表面加涂絕緣漆或加墊其它絕緣物，防止因陽(yáng)極背面腐蝕而脫落，也使背面不起作用，陽(yáng)極使用面積與設計數值一致；
(2)陽(yáng)極表面嚴禁涂漆或沾污，在涂漆和下水前加以保護；
(3)安裝時(shí)陽(yáng)極要焊在指定位置，陽(yáng)極背面要緊壓船殼表面，鐵腳燒焊處要補涂油漆。
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