船壳-青铜制螺旋桨在海水中的腐蚀行为

船壳-青铜制螺旋桨在海水中的腐蚀行为

在海上环境中产生的电池被称为船舶电池，包括电池静态场所（uep）和极端低频场所（elef）。随着现代传感器技术和信号处理技术的发展,这些电场特征信号很容易被监控电磁场的监测设备探测到。目前许多水中兵器的引信源是根据船体产生的直流磁场特征信号。但是随着反水中兵器技术的不断改进,以及舰船设计者把船体平台的静噪声和无直流磁场作为主要设计目标的情况下,这种以直流或交流电场为引信源的新型水中兵器将会得到更为广泛的应用。因此,舰船水下极低频电场的测量及其抵消方法的研究,对新型水中兵器的研制,具有极其重要意义。从50年代起,美国、英国、加拿大、澳大利亚和前苏联等国家就非常重视舰船水下电场的研究,设计出了不少高性能的舰船电场测量装置,到现在很多技术都已达到了实用阶段。对于舰船极低频电场的抵消,目前欧美一些国家采用的措施是被动接地系统,其方法是通过一个电刷和集电环将船壳与转轴相连接,由于接地电刷的低阻抗避免了轴承阻抗的起伏,从而削弱舰船的极低频电场;前苏联多采用主动式接地系统,并且切断了螺旋桨同艉轴以及艉轴同船体的电连接,其研制的舰船电场补偿系统,目前在俄大部分舰艇上都有装备。本文通过实验室仿真实验,测量了船模的船壳和螺旋桨之间的腐蚀电流经螺旋桨旋转的调制后产生的极低频电场,为舰船极低频电场的产生机理及其消除方法研究打下了一定的基础。1颗粒结构的影响当金属浸入到海水中时,会因水化作用形成水化离子,并在金属表面留下当量的电子。同时,海水中的水化金属离子也会与金属表面上过剩的电子结合而回到金属上去,当这两个过程达到动态平衡时,就会在金属和海水接触的界面上形成具有相反电荷的“双电层”,从而使金属与海水之间形成了电位差,称为该金属在海水中的电极电位。由于不同金属在海水中的化学活动性不同,其在海水中的电极电位也不同。因此当不同的金属在海水中形成闭合回路时,会发生极化现象,使两极之间的电位差逐渐减小。但海水中富含的氧和氢离子能在阴极上发生去极化反应,阻碍阴极电位进一步变负和阳极电位进一步变正。当它们达到动态平衡时,两金属电极之间就保持一固定的电位差。由于组成舰船的不同金属材料(如青铜制螺旋桨和船体的钢板)之间能在海水中维持一定的电位差。因此当它们在海水中构成闭合回路时,船体的不同结构之间就会发生腐蚀,在海水中产生腐蚀电流。同时,为了防止船体的腐蚀,人为外加的被动或主动阴极保护系统也会在海水中产生电流。这些电流都会经海水从船壳流向螺旋桨,然后通过各种轴承、密封和机械线路从螺旋桨返回到船壳,如图1.1所示。此回路的电阻抗RB会随着螺旋桨轴承的旋转而发生周期性的变化,从而使流经海水的电流受到调制。这些时变电流产生的电磁波会由船体向外传播。这些特征信号包括转轴的基频和频率高达几百赫兹的谐波。由于螺旋桨的转速较低,因而产生的电磁波信号频率也很低,这些低频信号能够传送到较远的距离,从而成为水下监测的特征信号源。2实验设计2.1带线电极的电极实验硬件设施包括无磁性实验水池、实验船模和电场测试系统组成。无磁性实验水池,尺寸为8m×5m×1.5m,在水池中放入0.4m深的水,并将工业用盐倒入池中,让其充分溶解并混合均匀,测得所配制的海水的电导率为3.96S/m.实验船模,按实船缩小比例制得,船长1m,船壳由钢板构成,并在其外包了一层锌皮,目的是为了增大腐蚀电流,从而更易于实验测量;其螺旋桨有四片桨叶,由铜制得。带动螺旋桨转动的菲利浦交流电机减速后的转速为160r/min.电极支架,由非金属的有机玻璃和胶木棒构成,电极间距和位置在支架上可调。金属架,用于固定船模和电极支架。电场测试系统结构框图如图2.1所示。测量电极,为高灵敏度的Ag/AgCl电极,用于测量水下两点间的电位差,电极的电位偏差为±4mV,电极的内阻≤10kΨ,液络部流速≤0.05ml/min,稳定性为±3mV/7h.信号放大与滤波电路,前置放大使用了仪表放大器AD620,外接电阻选用增益约为1000;带通滤波由二阶低通和一个二阶高通有源滤波器串联而成,其带宽为1.5~3.5Hz;后置放大使用普通运放OP07,其放大倍数为8;整个电路的放大倍数约为8000倍。A/D转换器,选用AC1077高精度50kHz16位A/D板,其输入的电压范围为0~±10V;通道输入采用可编程16路单端输入或8路差分输入;启动方式有软件启动、定时器启动、外触发启动和BURST(突发)模式;转换结束判断方式包括查询和中断两种方式;本系统采用0通道单端输入,定时器启动方式。同轴电缆,长6m,用于传送数据,同时减小外界环境电磁噪声的干扰。计算机,用于控制A/D转换以及数据采集与处理。2.2指定路径的确定采用VC++和Matlab联合编写,程序界面如图2.2所示。通过对话框能很方便地设定采样频率和采样点数,控制A/D转换的起止,并能将采集到的数据存贮到指定路径的指定文件中。该程序还能实时显示所采集数据的波形图及其最大值,并能通过Matlab引擎调用MATLAB工具箱对采集到的数据进行功率谱分析。2.3背景干扰测试实验将船模固定在金属架上放入池中,并让船壳的下半部分和螺旋桨浸泡在盐水中。同时将已连接好同轴电缆的Ag/AgCl电极装在电极支架上,其间距为85cm,然后将电极支架固定在金属架上,使得电极位于螺旋桨的下方,如图2.3所示。将同轴电缆连接到信号放大与滤波电路板上,并将电路板的输出端与插在计算机里的A/D转换板相连,然后接通电源准备测量。设定A/D板的采样频率为100,采集1100个数据。先不给船模上的电动机供电,测量螺旋桨不转动时两电极间的电位差,即测量背景干扰,其结果如图2.4实线所示。然后,启动船模上电机,转动螺旋桨,测量两电极间的电位差,即测量螺旋桨调制ELEF信号,其结果如图2.4虚线所示。2.4载荷信号功率谱分析由采集数据的波形图可以看到,当船模的螺旋桨转动后,水中两个Ag/AgCl电极之间的电位差明显变大,并且其波形呈周期性变化。螺旋桨转动后两电极间的电位差的最大值达到了90mV,折合成实际信号值为11μV左右,即电场强度值达到13μV/m左右。将采集到的数据进行功率谱分析,其信号功率谱图如图2.5所示。从图可见,螺旋桨调制ELEF信号的频率为2.7Hz,正是螺旋桨转动的速率。同螺旋桨调制ELEF信号的功率谱密度相比,背景噪声的功率谱密度几乎为零。由此可见,正是螺旋桨转轴和船体之间电阻抗的周期性变化调制了海水中的