艦船的電化學(xué)腐蝕及其外加電流陰極保護(hù)法應(yīng)用狀況 

文 | 江炎蘭 曲亮生 海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)部

一、前言

艦船在海上航行時，艦船殼體、推進(jìn)器、內(nèi)艙、冷凝器和海水管路系統(tǒng)等部位都會發(fā)生腐蝕。艦船腐蝕的原因比較復(fù)雜，是多種不同腐蝕形態(tài)共存的。其中最主要的原因是由于海水的含鹽度高（一般在 33% ～ 37%），艦船的金屬材料與海水接觸時，會形成無數(shù)個微小原電池而引起艦船的金屬腐蝕。腐蝕的后果是嚴(yán)重的，受到海水及海面鹽霧的侵蝕后，艦艇的甲板及艦體，每年需涂幾次涂料進(jìn)行防護(hù)。南海地區(qū)艦艇每次小修更換的腐蝕鋼板達(dá) 1/3, 中修換板率超過 1/2, 甚至新艦艇尚未服役即出現(xiàn)腐蝕等問題，既增加了維修工作量，降低了航率，又造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重地影響了部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。因此，采用外加電流陰極保護(hù)有效地防止海洋環(huán)境下的艦船腐蝕破壞，是當(dāng)今世界各國的普遍做法。

艦船的陰極保護(hù)歷史悠久，應(yīng)用廣泛。從 20 世紀(jì) 60 年代開始，陰極保護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為世界各國艦船必不可少的防腐蝕技術(shù)，各國的科研人員正在對陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備和材料及陰極保護(hù)理論和設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行深入研究，以期達(dá)到延長保護(hù)年限、提高陰極保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和自動化程度、降低保護(hù)費(fèi)用的目的。

陰極保護(hù)根據(jù)陰極給電流的方式不同可分為犧牲陽極法和外加電流法。對于艦船，往往采用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，這是因?yàn)椋海?）智能化的恒電位儀能隨著外界環(huán)境的變化，如不同海區(qū)的溫度、鹽度、風(fēng)浪及動靜態(tài)等的變化，給出參比電極的信號，自動調(diào)整保護(hù)電流，使艦船始終處于良好的保護(hù)狀態(tài)，有利于縮短塢修日期，延長進(jìn)塢的間隔；（2）外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝陽極數(shù)量少，對水流的阻力可忽略；節(jié)約燃料和涂料；（3）對于潛艇來說，在外殼裝犧牲陽極以后，航行時會產(chǎn)生可測得的聲響，影響其隱蔽性；（4）外加電流系統(tǒng)使用壽命長，甚至可與艦船同壽命，而犧牲陽極的使用壽命一般只有 l ～ 2a, 消耗完后必須更換。外加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)在艦船上應(yīng)用越來越廣泛。

二、外加電流陰極保護(hù)法

1.原理

外加電流陰極保護(hù)利用電化學(xué)腐蝕的原理，由連接外部直流電源的陽極直接向被保護(hù)的艦船施加陰極電流，不間斷地提供電子，進(jìn)而在金屬表面富集電子，并通過控制艦船船體電位或電流密度，使船體發(fā)生陰極極化，達(dá)到降低甚至完全抑制船體水下部位金屬腐蝕的目的。外加電流保護(hù)系統(tǒng)由輔助陽極、參比電極、智能控制的直流電源以及相關(guān)連接電纜組成，當(dāng)電路接通后，電流將從陽極經(jīng)海水至船殼構(gòu)成閉合回路，這樣使船殼免遭腐蝕。艦船外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)可以有效防止艦船浸水部分的電化學(xué)腐蝕。

2.應(yīng)用狀況

過去，國外對艦船的腐蝕防護(hù)主要是采用犧牲陽極和油漆涂層防護(hù)相結(jié)合的辦法，效果并不理想。有鑒于此，20世紀(jì) 50 年代，美國、英國及加拿大在海軍艦船開始試驗(yàn)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。1954 年，加拿大海軍在艦船上采用手控外加電流系統(tǒng)，輔助陽極采用消耗性鋼板。20 世紀(jì) 50 年代末期，美國開始在潛艇上進(jìn)行外加電流陰極保護(hù)的試驗(yàn)，后來美國海軍核潛艇“海狼號”、“漁號”均采用了自動控制外加電流陰極裝置，根據(jù)潛艇的不同狀態(tài)（停泊、航行、下潛、上浮及不同的航速），自動調(diào)節(jié)所需的保護(hù)電流，使?jié)撏冀K處于給定的保護(hù)電位。多次進(jìn)塢檢查證明，防蝕效果顯著，水下部分無明顯銹層，鋼板未發(fā)現(xiàn)凹坑，焊縫基本上完好無蝕，殼板比較光滑，油漆脫落的地方也無黃斑，烏黑發(fā)亮，無銹蝕痕跡，取得了良好的保護(hù)效果。

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，外加電流系統(tǒng)的各部件，如輔助陽極、參比電極、控制電源等都已逐漸成熟。現(xiàn)在，國外海軍的預(yù)備役及許多現(xiàn)役艦艇都采用外加電流保護(hù)系統(tǒng)來防腐蝕，而海軍潛艇則以多種防護(hù)方法相結(jié)合，如用犧牲陽極重點(diǎn)保護(hù)壓載艙、指揮臺圍壁內(nèi)的結(jié)構(gòu)浸水區(qū)，用外加電流陰極保護(hù)著重保護(hù)整個艇的外殼浸水部分及推進(jìn)器，這種防腐蝕方法對潛艇實(shí)用而有效。

大型高速運(yùn)輸船只多數(shù)也是安裝外加電流保護(hù)系統(tǒng)。某些國家在修造船手冊規(guī)范中也注明安裝外加電流陰極保護(hù)裝置的船舶，進(jìn)塢間隔可以延長為 25a。

目前，國外陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在：（1）采用計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，使陰極保護(hù)技術(shù)向著智能化、高效率、長壽命的方向發(fā)展；（2）系統(tǒng)各部件材料的不斷改進(jìn)和性能不斷提高，如輔助陽極從早期的廢鋼鐵、高硅鐵發(fā)展到鉛銀合金、鉑復(fù)合陽極以及混合金屬氧化物陽極等，其可控電源由磁飽和、大功率晶體管、可控硅 3 大系列的恒電位儀向 GBT 電子電力模塊、開關(guān)電源數(shù)字化方向發(fā)展。

過去，我國艦船所用材料為較高強(qiáng)度的低合金鋼，海水中腐蝕速率較高（大于 0.14mm/a），在無任何保護(hù)或只有涂層保護(hù)的情況下，3 ～ 5a 就腐蝕穿孔。于是，1964 年 9 月首次在漁輪上進(jìn)行了艦船的外加電流系統(tǒng)試驗(yàn)，所采用的輔助陽極為高硅鑄鐵，參比電極為鋅電極，電源為硒整流器；1969 年開始研制核潛艇外加電流保護(hù)系統(tǒng)；1970 年在第一艘驅(qū)逐艦上，采用可控硅恒電位儀和粉壓型銀 / 氯化銀參比電極，1974 年在所有的導(dǎo)彈驅(qū)逐艦均安裝了這套外加電流系統(tǒng)。1975 年在第一代核潛艇上安裝了外加電流保護(hù)系統(tǒng)，其電源設(shè)備為可控硅恒電位儀，輔助陽極為鍍鉑鈦陽極，參比電極為銀 / 氯化銀電極和鋅電極；1982 年制訂了“艦船外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)”的國家標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在，我國研制生產(chǎn)的外加電流陰極保護(hù)裝置已在艦船上大量安裝應(yīng)用。

三、結(jié)語

我國的艦船陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展較快，基本解決了海軍艦船殼體等部位的腐蝕問題，但在許多技術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用的廣度和深度上與發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定的差距。就外加電流陰極保護(hù)來說具體表現(xiàn)在：外加電流系統(tǒng)中恒電位儀的可靠性和自動化程度與國際水平有一定的差距；輔助陽極的單支排流量較小，對大型艦船的保護(hù)所需的陽極數(shù)量過多，不能滿足要求；參比電極的使用壽命和長期工作的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高；陰極保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)的水平與國際先進(jìn)水平有相當(dāng)大的差距，在 CAD 技術(shù)的應(yīng)用方面幾乎是空白，影響了陰極保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和保護(hù)效果。

雖然如此，我國艦船陰極保護(hù)擁有相當(dāng)?shù)难芯繖C(jī)構(gòu)和專業(yè)人員，各有關(guān)部門對艦船的腐蝕與防護(hù)問題也非常重視，“九五”期間建立了海洋環(huán)境腐蝕與防護(hù)國防科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，開展艦船腐蝕與防護(hù)的基本理論和應(yīng)用研究。上述工作的開展將大大縮小我國艦船陰極保護(hù)技術(shù)與國際先進(jìn)水平的差距，不久的將來即可達(dá)到國際同期的先進(jìn)水平，為進(jìn)一步提高艦船的戰(zhàn)斗力提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。