外加阴极保护原理.doc

某轮，第二个特检周期修船时，发现舵叶烂穿，船体钢板水下部分表面凹坑状腐蚀，；舵叶底部烂损和舵球腐蚀究其原因，是船体外加电流阴极保护装置使用不当和维护不良，左右两侧的辅助阳极损坏就是明证。调查发现，该装置的工作原理、操作方法、参数调节、日常维护等，船员知之甚少，因而也不重视，甚至船到了淡水水域也未及时停止该装置的工作。为此，本文介绍其工作原理和维护要点。1船体外加电流阴极保护装置的原理1.1电化学腐蚀船体是钢结构。钢是铁与碳和其他元素组成的合金。其中，铁比其它元素更易失去电子，电位较高。船体常年浸泡在海水中，而海水是强电解质。铁元素失去电子成为正极；铁元素失去的电子，经过海水这个电解质到达其他元素；其他元素获得电子成为负极。这样就形成了一个个微电池，但并不腐蚀钢铁。关键在于海水中存在溶解氧。这些溶解氧在海水中呈负离子状态，必然与失去电子成为正极的铁结合生成氧化铁，这就是电化学腐蚀。在船体与海水接触部位表面的化学腐蚀、海生物腐蚀、运动磨损腐蚀、杂散电流腐蚀等各种腐蚀中，电化学腐蚀最严重。电化学腐最大特点是，仅腐蚀阳极区域，不腐蚀阴极区域。1.2船体外加电流阴极保护装置工作原理船体外加电流阴极保护装置，就是根据这一特点，在船体上安装辅助阳极，用船上装备的直流电源，对辅助阳极和船体施加外加保护电流并自动调节电流大小，使船体（浸水部分）、舵和推进器保持负电位（阴极化），大幅降低船体的电化学腐蚀。外加电流阴极保护装置，主要由直流电源（恒电位仪）、辅助阳极、参比电极、阳极屏蔽层、舵和推进器轴的接地装置等组成。（1）直流电源直流电源，实际是一个高稳定性和高可靠性的整流器：由船上交流电网供电，输出1624V直流电；使用恒电位仪，自动调整输出电流。船体外加电流阴极保护装置需要的电流，受外界多种因素影响，变化很大。为了提高电源的可靠性和稳定性，直流电源使用全系列集成模块电路的“恒电位仪”。鉴于其在电源装置中的核心地位，船体外加电流阴极保护装置的直流电源也常称作“恒电位仪”。（2）辅助阳极安装在船壳水下舷外，左右各一组，与船体绝缘，与外加直流电源正极相连。辅助阳极，要有足够大的输出电流密度，同时应具备溶解小、电阻小、极化（电极电位因电流流过而发生的变化）小等特性。（3）参比电极作用：测量被保护对象的实际电位；比较实测电位与设定保护电位，并提供给“恒电位仪”。因此，要求参比电极是不极化的可逆电极，能长期保持性能稳定、准确、灵活和坚固。（4）阳极屏蔽层船体外加电流阴极保护装置工作时辅助阳极电流很大，被保护对象的电位，靠近辅助阳极的相对较低，而远离辅助阳极的相对较高，致使全船阴极保护效果不均匀。为使辅助阳极输出的电流均匀地分布于整个船体，在辅助阳极周围一定范围内涂刷绝缘性能优良、耐碱耐海水性能较好、与钢板附着力强的阳极保护涂层即阳极屏蔽层，多采用环氧系腻子型材料。（5）螺旋桨轴接地装置螺旋桨多由铜合金制成，没有涂料保护，在海水中旋转，氧的去极化作用加剧，通常腐蚀严重。采用外加电流阴极保护时，轴与轴承之间的润滑油膜影响其导电性能，螺旋桨与船体之间的电位差可达0.3V左右，不能很好的保护螺旋桨。在螺旋桨轴上安装金属滑环，在船体上安装电刷，金属滑环与电刷接触，增加螺旋桨与船体之间的导电性，使螺旋桨与船体的电位差从0.3V左右降至0.06V以下，从而保护螺旋桨。（6）舵接地装置舵在船尾，正对着螺旋桨。螺旋桨的水流直接冲击舵板，加剧氧对舵表面的去极化作用，通常腐蚀严重。为降低舵的电化学腐蚀，在舵机舱内用单芯船用电缆（例如截面25mm2），短接舵柱与船体（接地电阻小于0.02），保持舵与船体同电位，从而保护舵。1.3相关参数船体外加电流阴极保护，通过调节保护电位和保护电流达到保护船体钢板的目的，所以其最基本的也是最重要的参数有两个：保护电位、保护电流密度。（1）保护电位保护电位，取决于金属性质和所处介质的性质，变化不大。通常最佳保护电位（船体钢板相对于银/氯化银参比电极的电位）-0.75-1.00V，ICCP控制仪-恒电位仪的工作电压范围2V。（2）保护电流密度保护电流密度，除金属和介质的性质外，还受环境影响，变化较大，可能包括：船舶在静止海水中，电流密度150mA/m2时，可以很快达到保护电位（-0.80V）；但若电流密度小于40mA/m2，则几乎无法达到保护电位。船体钢板表面有无复盖物、复盖物的种类、复盖物的完整性等，很大程度上影响最佳电流密度的大小。例如，涂有完整油漆的钢板所需的保护电流密度，比裸钢板小得多：在静止海水内，涂有三道聚二乙烯乙炔涂料的钢板，电流密度0.35mA/m2可即刻达到保护电位；而裸钢板却需154mA/m2，大400多倍。再如，同样在静止海水内：涂有三道聚二乙烯乙炔涂料的钢板，电流密度0.11mA/m2只要几小时就可达到保护电位；而裸钢板，电流密度高达45mA/m2也需要9天左右。海水是流动的而且海流和风浪时大时小，船舶也有时停泊有时航行且航速有快慢，都影响最佳保护电流密度。例如恶劣气象航行和破冰航行，所需要的保护电流密度显著增高。不同海域海水含盐量有差别，不同季节海水温差不同，都会影响最佳保护电流密度。保护电流密度，需要综合考虑上述各种因素，而且主要靠大量的实践才能得到比较切实的数据。船体外加电流阴极保护装置的管理者，日常应针对这些环境因素不断调节、修整装置的相关参数，以确保其充分发挥作用。相对于常用的银/氯化银参比电极，保护电流密度要保证保护电位-0.75-1.00V，最佳保护电流密度3060mA/m2，我国海船选用4060mA/m2较为合适。船体外加电流阴极保护装置的种类型号很多，工作参数也有差异，但工作原理大同小异。下面，以一款应用较普遍、效果较显著的ICCP船体外加电流阴极保护装置为例，提出船体外加电流阴极保护装置的使用和维护建议。2某轮的船体外加电流阴极保护装置2.1船体参数船体长103.90m垂线间长95.90m型宽14.00m设计吃水5.70m轻载吃水3.376m方形系数Cb0.622.2ICCP船体外加电流阴极保护装置概况（1）保护面积船体浸水面积（估算）1814.32m2螺旋桨表面积16.36m2舵表面积20.04m2（2）外加电流阴极保护装置设计参数保护区域：水线以下的船体表面（海底门内仍需按常规安装牺牲阳极，不包括在内）。保护电位：船体水下表面-0.75-0.95V（相对于Ag/AgCl参比电极，下同）；总保护电流：94A保护电流密度：船体，45mA/m2；螺旋桨，600mA/m2；舵，150mA/m2。2.3外加电流阴极保护系统主要部件（规格、数量）SF-300恒电位仪一台，输入380V/50Hz，输出100A/16V；B型钌钛辅助阳极二只，每只最大输出50A，水密罩2只；银/氯化银参比电极二只，水密罩2只；阳极屏蔽层，8910涂料甲乙组份各3桶，总重量41.4kg（由上述设备制造商提供）。3使用建议（1）码头调试安装ICCP系统设备安装施工结束后，尽快调试：装置全部线路，检查确认敷设正确无误；恒电位仪，通电，用模拟负载调试，确认正常（该设备出厂时已用模拟负载调试好）；辅助阳极，用测量电位或电阻方法，检查确认其与船体不短路；参比电极，用高阻抗的数字电压表测量电位的方法，确认正常。码头调试完毕，一切正常后方可开航。（2）安装后首次航行调试和航行使用船舶海上航行时：测量船体安装之参比电极对船体的自然电位：使用高阻抗数字电压表；每12小时测一次，连续测试三次，正常船体自然电位0.40.6V；做好记录。船体自然电位测试完毕，按SF-300恒电位仪使用说明书要求启用“恒电位仪”。开机前应仔细阅读使用说明书，按说明书的规定使用。控制电位值设在高于自然电位值的50mV，再逐渐提高，直至船体电位在保护范围之内（对于使用银/氯化银参比电极的仪器，所显示的参比电位应在-0.75V-0.95V）建立该装置运行日志，坚持记录日常工况。ICCP船体外加电流阴极保护装置记录表格式见表1。表1 ICCP外加电流阴极保护装置日常运行记录（格式）船名： 年月 航次：FromTo艉系统容量：AV 艏系统容量：AV期航行区域海水温度艉输出电极检测保护电位（mV）艏输出（若有）电极检测保护电位（mV）艉轴电压（mV）备注AVS1S2AVS3S412293031船到淡水水域，及时停止装置工作。再次航行到海水水域，重复本节第、各项。每周一次：检查螺旋桨轴接地装置的滑环、碳刷，确认外表清洁、接触良好、接线紧固。检查舵柱联结电缆结合处，确认没有磨损。一旦装置故障，转为“手控”通电，但必须注意随情况不同（如航行与停泊）及时调整输出电流，以免欠保护或过保护，尤其防止过保护。若装置无法工作，及时通知主管部门设法修复。4维护建议ICCP船体外加电流阴极保护装置，辅助阳极电流密度不超出设计电流密度范围可使用10年，Ag/AgCl参比电极使用寿命6年，阳极屏蔽层涂料使用寿命大于6年，基本不需维护保养。为确保装置有效运行，建议：（1）定期（一年一次）安排生产厂家实船检测。（2）船舶坞修时：更新老化的ICCP辅助阳极；更新寿命到期的参比电极；每两或三次坞修重新涂刷辅助阳极周围的阳极屏蔽层。最好每两次坞修重新涂刷一次，虽然阳极屏蔽层涂料使用寿命大于