某型船舱底牺牲阳极应用改进研究

杨青松，陈文君，余 鹏

(91872部队，广东 湛江 524000)

0 前言

舰艇船底板腐蚀穿孔是舰艇安全最大的危害之一，它严重影响舰艇战斗力，增加舰员临时抢修等繁重工作。此外，由于舱底结构复杂，舱底板的腐蚀将增加大量的额外修理费用和修理难度。目前舰艇船体外板腐蚀防护技术趋于完善，腐蚀问题已基本得到控制，但舰艇内底板积水造成的腐蚀问题却依然严重，舱底积水含有大量的油污、细菌，其腐蚀性比舷外普通海水要严重得多，时有内底板腐蚀穿孔事故的发生。舰艇内底板腐蚀穿孔，不仅影响舰艇安全，而二层底板的穿孔使污染的舱底水进入下面的油舱、水舱，将严重威胁主机运行，并造成油水报废。如:某型船由于机械振动及设备的渗漏等众多原因，其舱底始终存在着严重积水;又因其舱底设备拥挤、空间狭小，管路设备复杂、材质各异，且多为耐蚀性好的材料，易引起内底板的电偶腐蚀。如此严重的腐蚀问题已严重威胁到舰船的正常使用及安全航行。目前虽焊有牺牲阳极作为阴极保护措施，但该阳极是采用水面舰船应用的舱底牺牲阳极技术，在形状设计、布置样式等方面均达不到设计保护要求。具体表现在:焊接点多，涂层多处损伤易失效，破损部位难以及时得到修补;大部分阳极溶解程度不一致，易结壳失效等等。因此，需要针对某型船舱底环境和积水的实际情况，在牺牲阳极材料确定的基础上，对阳极的形状、数量及布置样式重新进行设计改进研究，以保护舱底免受腐蚀危害。

1 舱底牺牲阳极的应用研究

对某型船舱底牺牲阳极应用进行改进研究的前提基础是其各项预定设计参数不变，即阳极溶解的电流效率大于85%，表面均匀溶解，产物易清除，阳极设计使用寿命大于3年。

1.1 牺牲阳极形状设计

船舶舱底板牺牲阳极的形状一般设计为楔形和圆盘形，其相应安装形式有焊接和螺栓固定两种。通常，如舱底板的空间大，牺牲阳极更换的周期长，采用楔形焊接的形式;反之则采用圆形螺栓固定的形式。

某型船舱底牺牲阳极形状设计必须考虑以下要求:①某型船底舱隔档板多，牺牲阳极保护受屏蔽影响，保护设计应采用小阳极多点均匀布置的原则;②牺牲阳极如采用焊接固定，经常性的更换易造成舱底板不必要的损伤;③牺牲阳极数量及结构和尺寸的定量确定。

牺牲阳极数量首先取决于水室的尺寸和阳极有效距离，然后再根据总电流需要量和牺牲阳极数量求出每块阳极的电流输出，设计阳极结构和尺寸。

据此，某型船舱底牺牲阳极设计应采用小于1kg、螺栓固定的盘状阳极，具体尺寸如图1所示，质量约为1.0kg。

图1 阳极尺寸

1.2 牺牲阳极保护范围及布置设计

采用McCoy式求算阳极接水电阻R:

式中:K为0.443;ρ为海水电阻率 (30Ω·cm);A为阳极暴露面积 (216cm2)。

则 R=0.9 Ω。

阳极的输出电流:

根据涂漆钢材在服役期间涂层老化的变化，选择涂覆钢在静海水中的保护电流密度为10～50 mA/m2，可计算得到一块舱底牺牲阳极的保护面积为:

据此，可根据某型船舱底面积的大小选择布置牺牲阳极的数量。同时舱底牺牲阳极的布置设计还应考虑以下因素:①在舱底积水部位均匀布置;②牺牲阳极尽量安装在积水的最低位置;③由于存在舱底隔挡板的屏蔽影响，在设计数量允许的情况下，多布置一些阳极，使每个隔挡都能得到保护。

根据某型船实际情况，平时积水较多的底舱主要是主机舱、后副机舱和疏水泵舱。其平时积水后的浸水面积以及根据舱底情况设计布置牺牲阳极的数量如表1所示。

表1 舱底平时浸水面积及布置牺牲阳极数量

1.3 牺牲阳极安装要求

采用d=12mm、l=20mm的单头螺柱和配套普通螺母及垫片固定;在舱底板指定位置焊接固定螺柱，并将根部磨平;装入底面打好耐水绝缘油漆(推荐环氧漆)的阳极，并用配套垫片及螺母固定;用密封胶泥封闭螺母安装槽，并与阳极顶部平齐，具体如图2所示。

图2 牺牲阳极安装图

1.4 布置条件

阳极布置还应满足以下条件:①电流要均匀到达所有被保护表面，使保护表面达到保护电位值;②不产生可能使结构腐蚀增大的反作用;③在与涂料联合保护时，不破坏涂膜的完整性;④在保护有钛质构件的结构时，不得使钛质构件上的电位负于－0.7 V;⑤要保证阳极工作的稳定性，不随时间产生大的波动;⑥在与涂层联合保护时，要控制阳极至涂层表面的距离不得使涂层表面的电位负于－1.20 V。

1.5 保护年限计算

1.5.1 求舱底板所需的保护所需电流密度

1)实验室试验求保护所需电流密度。采用耦合试验测取舱底板在阴极保护下所需的保护电流密度。舱底板与铝阳极耦合的面积比分别为25∶1、100∶1、250∶1、2400∶1，我们的测试舱底板在海水中的保护电流达到12～15 mA/m2(实验时间为60天)时，即可满足保护要求。

2)数值模拟计算保护所需的电流密度。建立的数学模型 (图略)，耦合面积比为267∶1。由耦合模型电位分布得出电位负移200mV时的电流密度为15 mA/m2，与实验数据吻合。

1.5.2 牺牲阳极寿命估算

据阳极发生电流量计算公式:

式中:If为牺牲阳极的发生电流量， mA;ΔE为驱动电位，V;对铝合金阳极，ΔE=0.25 V;R为牺牲阳极的接水电阻，Ω。

其中，R由以下公式求得:

式中:ρ为海水电导率，一般取25.0 Ω·cm;A为阳极的工作表面积，cm2。

代入已知得:R=0.508 Ω

则:If=431 mA

据牺牲阳极使用寿命估算公式:

式中:Y为牺牲阳极使用寿命，年;N为阳极总数，块;m为牺牲阳极质量，kg;Q为牺牲阳极实际电容量，一般取2400 A·h/kg;IM为平均保护电流，A;1/K为牺牲阳极利用系数，0.75。

其中，IM按以下公式计算:

式中:Si为被保护面积，m2;Ii取15 mA。

由以上公式计算得到某型船各舱的保护寿命如表2所示。

表2 某型船各舱牺牲阳极保护寿命

因此，某型船舱底牺牲阳极这一重新改进研究设计实现了最初的技术性能指标要求。

2 结束语

对某型船舱底牺牲阳极进行上述的应用改进研究，完全克服了之前牺牲阳极应用的各项不足，可有效保护舱底积水部位的内底板，进而减少和避免腐蚀安全事故的发生。