船舶电化学腐蚀的分析与控制

中国舰船研究设计中心 武汉 430064

船舶在海洋环境中由于海水的长期直接作用，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,使得船舶构件锈蚀、穿孔，强度降低，增加了维修和维护费用，影响到船舶的安全性。我国船体材料通常采用低合金钢，其在海水中的平均腐蚀速率为0.14 mm/年(921钢青岛实海挂片数据)，局部腐蚀速率为0.44 mm/年(921钢青岛实海挂片数据)。实船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，局部在3～5年内将腐蚀穿孔。

1 船舶腐蚀特点

金属腐蚀按其机理不同可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

船舶受腐蚀速度与海水的流动速度、气泡、温度、冲击性以及海水所含微生物等因素都有有极为密切的关系。船体在海水中的腐蚀最主要的是电化学腐蚀，即在腐蚀过程中有微电流产生。

1.1 氧的浓差电池作用

由于氧有夺取电子的能力，且水面的氧较水下的氧多，故近水面部分的金属得到电子成为阴极，而水中部分的金属失去电子成为阳极而发生腐蚀。腐蚀发生后，缝隙或缺口处的氧多，而底部氧少，从而底部继续腐蚀，最后成为锈坑或锈穿[1]。

1.2 两种不同金属或钢种的腐蚀

在海水中，两种不同成分的金属接触时，电势较低的金属成为阳极发生腐蚀。船舶水下附体包含大量与船体不同金属或钢种的设备，例如测深仪、声纳等，因此船舶发生此类腐蚀较为严重。

1.3 氧化皮引起的腐蚀

由于氧化皮的电极电位比钢铁的高0.26 V，所以成为阴极，而钢铁本身成为阳极发生腐蚀。

1.4 涂膜下的腐蚀

由于实际上涂膜表央有微孔存在，所以海水仍可缓慢穿过涂膜产生电化学腐蚀。此时，含涂膜的部分成为阴极，不含涂膜的部分成为阳极而发生腐蚀，生成FeO和H2气体，进一步变成Fe3O4和Fe2O3，由于Fe3O4和Fe2O3的体积比Fe大得多，所以使涂膜鼓起破坏。在涂膜未损坏或失效时，这一过程是缓慢的。涂漆前未除尽的氧化皮、锈蚀物、污物、水分、盐类等，在涂膜下加速进程，破坏涂膜。涂装时漏涂等施工缺陷也会加速腐蚀进程，从而过早破坏涂膜。涂膜损坏后，将产生前述各种腐蚀，这种腐蚀速度比未涂漆时更快[2]。

1.5 杂散电流引起的腐蚀

由于供电或电焊时，违反操作规程，产生漏电，从而使船体变成一个巨大的阳极，产生大规模的腐蚀。这种腐蚀后果非常严重，某厂建造的4艘登陆艇，出厂1年后，6 mm的钢板局部几乎烂穿。

由上述分析可知，海洋环境中的电化学腐蚀是困扰船舶的严重问题。因此，船舶防腐效果的好坏直接影响到该船的有效使用。

2 船舶电化学腐蚀的控制

电化学腐蚀防护是船舶总体设计的重点之一，须综合考虑多种因素，包括船体材料、任务、航区等，以较少的投入保证电化学防腐的效果。控制船舶电化学腐蚀的的方式包括阴极保护和结构工艺措施。

2.1 阴极保护措施

阴极保护措施指在现有的船舶结构工艺措施基础上，向被保护的金属通以直流电流，使被保护的金属变成阴极从而得到保护。根据提供电流方式的不同，可分为外加电流法和牺牲阳极法。

外加电流法的特点：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，可用于不同介质之中。一般安装于中、大型船艇,但需一套控制设备，并须经常检查管理。

牺牲阳极法的特点：不需要外加电源，方便、安全可靠，平时无须管理。适用于中、小型船艇和没法提供可调电源的地方。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。

2.2 阴极保护要点

2.2.1 保护电位和最佳保护效果

工程上规定的阴极保护设计电位一般按某一种准则，如被保护钢构件与相邻环境介质间电位差负于C850 mV(对硫酸铜电极CSE)等，实际上,这些准则规定的值受保护构件及环境特性的影响。

阴极保护电位和保护度与外加能量(电压与保护电流乘积)关系中，供阴极保护的外加能量对保护电位的曲线存在一个拐点(二阶导数为零)，该点位于最大保护度电位附近，该点附近保护电位的变化引起的能量变化最小，当实际电位负于此电位时，外加能量中消耗在析氢等过程的比率明显增加，可从实验曲线或拟合方程来计算这个保护电位[3]。

2.2.2 阳极形状

传统观点认为，阳极棒的端头应加工成半球形，以避免棱角处电流密度集中。采用物理模型计算后表明，阳极端部的确存在电流密度集中的问题，但单靠改变端头形状,改进效果不大。有研究表明,在阳极根部采用合适的塑料绝缘套(阳极屏蔽层),可得到比较均匀的阳极电流密度分布。

2.2.3 保护电位和电流密度的分布

阴极保护体系中金属表面各处保护电位不同，目前评价阴极保护效果主要用电位准则，确定体系保护电位分布是阴极保护数学模型的主要研究内容之一。达稳定状态的阴极保护体系电位分布满足静电场电位方程(泊松或拉普拉斯方程)，为求得唯一解，必须同时规定某些边界条件，如：在构件与介质的所有界面给出其电位V与电流密度J或与电位梯度之间的关系式：

一般情况下，从这些方程只能求得电位分布的数值解，得不到解析解。对形状较简单的保护构件，也可用其他方法来推导电位分布的近似数学表达公式。根据电位分布还可进一步推算出电流密度分布，计算出更接近实际的总保护电流值。

2.3 结构工艺措施

结构工艺方法包括结构措施和隔离措施。结构措施包含降低船舶腐蚀电位的结构、工艺设计；隔离措施为船舶主要电气设备的绝缘及船体水下附体的涂层设计。这种技术措施立足从源头削弱船舶电化学腐蚀, 在建造中采用优化方案，屏蔽电化学腐蚀源，隔离异种金属。具体措施包括：

1) 采用非金属材料或选择相近似电势的金属制造海水环境中的船体及附件；

2) 屏蔽船舶电场源；

3) 分离船舶电场源的内部电路；

4) 利用电绝缘材料作为船舶电场源的涂层；

5) 不同种类金属结构的电绝缘。

其中关键在于不同种类金属结构的电绝缘，具体的需进行电绝缘的金属结构有船体表面受海水作用的结构以及不同种类金属组成的结构连接，包括：

(1) 船体水下部分与所有附体和交变水线区；

(2) 螺旋桨、回声测深仪、计程仪、减摇鳍；

(3) 循环泵和主冷凝器的进水和排水接管；

(4) 通海阀箱；

(5) 有通往舷外口的船上各系统的底部——舷部附件和管路，以及由不同于船体外板的金属材料制成的管路某些元件。

(6) 船体和由不同于船体材料的金属制造，又与海水相通的系统及装置零件，其中有底部、舷部附件，有通往舷外口的船舶系统管路，由不同于船体外板的金属材料制成管路的某些元件等均与船体隔离和彼此相绝缘；船底——舷侧附件和海水系统管路的法兰接头同船壳板；计程仪吸入管和楔形阀同船体；测深仪振子同船体；船体水下部分及全部凸出结构。

综上所述，需采用阴极保护及结构工艺综合措施，以结构工艺措施为基础，在将船舶电化学腐蚀降到一定程度后，配合以阴极保护措施解决结构工艺措施出现缺陷后的腐蚀。

3 设计实例

20世纪90年代中期所设计的某型船舶为控制其电化学腐蚀采用了阴极保护和结构工艺综合措施，配置了外加阴极电流保护装置，主要技术要求为：

1) 正常状态下，船体各测点电位应在-0.80～-0.95 V(相对于银/卤化银电极)和(相对于铜/硫酸铜参比电极)范围内；

2) 使船体达到最佳保护电位，在10年保护期间内，船体腐蚀深度不大于1 mm。

其中，恒电位仪：额定输出电流150 A，15～150 A连续可调；额定输出电压20 V，2.5～20 V连续可调；

辅助阳极：8只铂钛阳极，每只阳极最大输出电流为30 A，尺寸为900×180×40 mm，重量为35 kg，使用寿命20年以上。

参比电极：4只银/卤化银双参比电极，稳定性为±5m V，使用寿命大于10年，尺寸为φ100×50 mm，重量为15 kg。

辅助阳极和参比电极从船体中部开始均匀，左右对称布置。

同时该船采取了电隔离措施，对船体及附体的不同种类金属结构进行了电绝缘处理，重点对螺旋桨、回声测深仪、计程仪、减摇鳍、通海阀箱等处与船体连接处进行了电隔离措施。为保证电隔离措施的效果，在舰上设置了自动连续监测船体主要结构工艺电绝缘状况的设备，用于：

1) 保证连续自动监测舰艇电保护和电磁保护主要结构工艺电绝缘的状况；

2) 测量被测电解偶的电压降和该电解偶结构工艺的绝缘电阻；

3) 测量舰艇电保护和电磁保护结构工艺绝缘电阻较低的具体元件，其损伤是在自动监测中发现出来的。

该型船至今已建造10余条，历次进坞均未发现严重腐蚀，证明其电化学腐蚀防护设计是成功的。

4 结束语

由于船舶电化学腐蚀发生因素的复杂性和一定的不可预测性，电化学腐蚀设计一直是设计难点。在近几年的船舶设计，大多采用结构工艺综合措施结合阴极保护，阴极保护又往往同时使用外加电流和牺牲阳极。这样投入大，但保证了相当的设计裕度，近年设计的船舶较少发生重大电化学腐蚀事件。

[1] [美]A.W皮博迪.管线腐蚀控制[M]. 北京：化学工业出版社，2004：48.

[2] 张志宇.化工腐蚀与防护[M]. 北京：化学工业出版社，2005：21-26.

[3] 周伟舫.电化学测量[M]. 上海：上海科学技术出版社，1985：290.