第2卷第4期2007年8月中 国 舰 船 研 究Chinese Journal of Shi p Research Vol .2No .4Aug .2007收稿日期:2006-12-12作者简介:孙建红(1976-),女,硕士,工程师。
研究方向:船舶电气。
E 2mail:sjh94@水面舰艇船体防腐和阴极保护的优化设计方法孙建红 郑 炜 王晓鹏中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064摘 要:海水及海洋大气对船体金属的腐蚀是困扰舰船的一大难题,现代水面舰船防腐蚀设计的重要性日趋明显。
介绍国内外水面舰船防腐蚀设计的现状、现代水面舰船防腐蚀和阴极保护优化设计的方法、耐腐蚀材料的选用和应注意的事项。
阐述目前国内现代水面舰船防腐蚀存在的主要问题和今后的发展趋势。
关键词:腐蚀;阴极保护;仿真;水面舰船中图分类号:U672.7+2 文献标识码:A 文章编号:1673-3185(2007)04-60-04O pti m u m D esi gn of An ti 2corrosi on and Ca thod i cProtecti on for Sh i psSun J ian 2hong Zheng W ei W ang X iao 2peng(China Shi p Devel opment and Design Center,W uhan 430064,China )Abstract:Shi p hull exposed t o corr osi on by the marine at m os phere and sea water is a big p r oble m in shi p design .Anti 2corr osi on technol ogy is getting more i m portant .The anti 2corr osi on designs f or shi p o 2verseas and do mestic are studied by the analysis of anti 2corr osi on technol ogies and op ti m u m design method of cathodic p r otecti on .Considerati ons t o be taken in the choice of materials for corr osi on p r oof design are given .The main p r oble m s existing in the anti 2corr osi on design of p resent do mestic shi p s is carried out,and the devel opment of anti 2corr osi on technol ogy are su mmarized .Key words:corr osi on;cathodic p r otecti on;si m ulati on;surface shi p1 引 言由于舰船长期处于海洋环境中,海水腐蚀一直是困扰舰船的一大难题。
海水及海洋大气对船体金属的腐蚀要比陆地上严重,若不采取有效的防护措施,将加快其腐蚀速度。
调研结果表明,船体腐蚀问题触目惊心,通常会造成设备损坏、管子泄漏,有些局部甚至腐蚀穿孔,使船体失去应有的强度,极大地影响了舰船的战斗力,缩短了舰船的寿命。
由此可见,控制舰船的腐蚀是一项十分重要的任务。
根据腐蚀过程的机理,舰船材料的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。
化学腐蚀是材料同周围介质发生直接的化学作用。
电化学腐蚀是材料在潮湿气体以及导电的液体中,由于电子流动而引起的腐蚀。
在海洋环境中,舰船多属于电化学腐蚀,其主要发生在舰船的水上部位、水线区、水下部位、内部舱室、设备和管系等,且由于海水的长期直接作用,以水下部位(包括船体、螺旋桨、舵等)、压载水舱、设备管系的腐蚀最为严重。
舰船船体防腐保护主要采用阴极保护和涂层保护两种方式[1]。
阴极保护是基于电化学反应机理而采取的有效保护技术之一,通过导电介质向被保护结构提供阴极电流,使被保护的船体变成阴极,从而得到防腐保护。
涂层的作用则是将保护结构与腐蚀介质隔离,达到防止腐蚀的目的。
通常阴极保护和涂层联合应用能够形成完善的保护体系,能够有效地解决上述腐蚀问题。
然而,由于涂层自身的缺陷和施工过程中工艺上存在的缺陷,腐蚀仍将在这些缺陷处发生。
因此,根据船体的实际情况和使用状态,在接触海水的部位通常采取以阴极保护方法为主,消除涂层缺陷造成腐蚀的保护措施。
2 水面舰船防腐蚀设计方法利用先进的防腐技术,降低腐蚀造成的损失是工程设计中重点考虑的问题。
目前,国内外针对舰船的防腐与防护,主要采取以结构防腐和防第4期孙建红等:水面舰艇船体防腐和阴极保护的优化设计方法腐蚀保护为主的总体综合防腐蚀设计方法。
2.1 船体结构和设备防腐设计结构防腐设计的内容较多,主要包括结构的选材、防止水滞留、缝隙腐蚀、电偶腐蚀和考虑腐蚀裕量等方面的设计。
主船体外板应选用耐腐蚀材料,船底部位、水线部位、船壳及上层建筑部位、内部液舱部位、船底、船壳和露天甲板等,需进行重点防腐设计。
在舰船结构设计中,应特别注意防止滞留水对该处甲板或船底板的腐蚀,不出现结构死角;内部液舱流水通道应畅通。
此外,舷外与海水接触、压载水舱和油污水舱内的基座材料,采用耐腐蚀的合金结构钢。
对与海水接触的设备选型时,应考虑其防腐蚀要求,原则上要与舰总体防腐能力匹配。
设备订货前,在设备的技术规格书中应明确防腐蚀的要求,到货后按技术规格书上的防腐蚀要求进行验收。
2.2 外加电流和牺牲阳极阴极保护设计基于电化学反应机理,防腐蚀保护是以阴极保护措施为主的设计方法,使阴极极化而防止腐蚀,其保护方式主要分为牺牲阳极法和外加电流法两种。
2.2.1 牺牲阳极法如图1所示,牺牲阳极法是利用腐蚀电池的原理,在原来的腐蚀电池体系中接入1个更加活泼的金属[2]。
由于该金属的腐蚀对原有腐蚀电池提供保护,加快了自身的腐蚀,因此,被称为牺牲阳极。
该方法优点在于,选材容易,方便、安全可靠,平时无须管理。
但是,为了保证防腐效果,其阳极块数要足够多,且不能实现随外界条件变化而自动控制,适用于中、小型舰船和无法提供可调电源的地方。
图1 牺牲阳极的阴极保护三极原理2.2.2 外加电流法顾名思义,其由外部的直流电源直接向被保护金属通以阴极电流,使之阴极极化,达到阴极保护的目的。
外加电流保护方案由辅助阳极、参比电极、直流电源以及相关连接电缆组成,如图2所示。
一般安装于大、中型舰船上,电源正极接于安装在船壳外部且与船壳绝缘的阳极上,电源的负极接在舰壳上。
当电路接通后,电流将从阳极经海水至船壳构成闭合回路,这样使船壳免遭腐蚀。
外加电流法的电压、电流可调性好,可随外界条件变化实现自动控制,使用周期长,并且用于不同介质之中。
但需要1套控制设备,施工安装及调试过程比较复杂,并须舰员经常检查管理。
图2 外加电流的阴极保护三极原理2.2.3 舰船阴极保护措施对于水面舰船,通常采取外加电流阴极保护与牺牲阳极相结合的阴极保护方法。
船底和水线以下船体部位及附体,采用外加电流阴极保护和长效配套涂料联合防腐保护。
压载水舱、污油水舱采用高效牺牲阳极和长效配套涂料联合防腐保护。
此外,接触海水部位的不同管材的接头、法兰之间,必须进行有效的电绝缘处理。
同时,由于外加电流阴极保护是一种成熟有效的船体防腐蚀保护方法,在国内外已经得到了广泛的应用。
尤其是对于大、中型舰船采用外加电流阴极保护方法,可以避免安装大量的牺牲阳极,减少航行阻力,并具有不受外界条件(如航速、温度、海区和油漆涂层状态等)和坞期限制等优越性,从而有效地抑制船体腐蚀,延长舰船进坞周期。
这样不仅节省费用,而且保证了舰船处于良好的战备状态,具有明显的经济效益和显著的军事意义。
3 现代水面舰船防腐蚀设计现状和存在的主要问题3.1 国内外现代水面舰船防腐蚀设计现状舰船的腐蚀问题对国民经济和国防建设有着16中 国 舰 船 研 究第2卷重大的影响,各国对舰船的腐蚀问题十分重视。
美国制定的美国海军舰船通用规范、M I L标准、英国BS7361、挪威DNV规范都提出了采用阴极保护与涂层联合防腐蚀的措施[3],并对方案设计、设备选型、系统安装、调试验收、日常维护进行了详细的规定。
50年代开发牺牲阳极的同时,美国、英国及加拿大在海军舰船上也开始试验外加电流阴极保护系统。
如在1954年,加拿大海军就采用手控外加电流系统,辅助阳极采用消耗性钢板,为达到4年的设计寿命,阳极重量竟超过了10t。
经过几十年的发展,外加电流系统的各部件如辅助阳极、参比电极、控制电源等都已逐渐成熟。
目前,国外舰船阴极保护技术的发展主要表现在两方面:一是阴极保护设计技术的提高,采用计算机辅助优化设计;另一方面就是外加电流阴极保护系统各部件材料的不断改进和性能的不断提高,如辅助阳极就从早期的废钢铁、高硅铁发展到铅银合金、铂复合阳极以及混合金属氧化物阳极等。
我国船体材料通常采用较高强度低合金钢,其在海水中的平均腐蚀速率为0.14mm/a(921钢青岛实海挂片数据),局部腐蚀速率为0.44 mm/a(921钢)。
实船应用时,由于受螺旋桨等不同材质结构的影响,实际腐蚀速率会更大。
这就意味着,船体钢板在无任何保护或只有涂层保护的情况下,在3～5年内将腐蚀穿孔。
因此,作为船体本身,采取阴极保护与涂层联合防腐是必不可少的措施。
我国于60年代中期开始进行外加电流阴极保护的实船试验,70年代初,在第一艘驱逐舰上安装了外加电流系统。
1982年制定了“船体外加电流阴极保护系统”的国家标准。
现在,我国研制生产的外加电流阴极保护装置已在舰船上大量安装应用。
3.2 我国水面舰船防腐蚀设计存在的主要问题随着舰船外加电流阴极保护技术的不断发展进步,智能化、高效率、长寿命的阴极保护系统已在国外舰船上得到应用,并在大型舰船上已普遍应用现代数值分析计算方法和以计算机作为工具进行阴极保护系统设计的现代设计方法[4]。
由于这一技术属于高新技术,在国外的文献报道中,对其求解和寻优等关键技术只字未提。
但是,国内在这方面的技术研究起步较晚,存在较大的差距。
我国在实际工程中,外加电流阴极保护系统的设计方法一直是基于单纯依据经验估算和简单的暴露试验方法为主的传统计算设计方法,对于辅助阳极和参比电极数量及布置位置,只能定性,而不能定量分析,带有极大的盲目性;尚未实现智能化管理和控制,未实现数据通信与互动;电源装置容量小,辅助阳极排流量小,参比电极寿命短;对系统防护的效果和功能状态也只能凭肉眼观察,没有试验数据作为支撑和评估,系统在使用和维护中也需要反复更正等问题。