基于波浪能和塞贝克效应的外加电流船舶防腐蚀系统

杨文迪，张浩，吴文捷

基于波浪能和塞贝克效应的外加电流船舶防腐蚀系统

杨文迪，张浩，吴文捷

（武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430000）

海洋有着丰富的波浪能，但目前对波浪能的利用较为单一，大多利用波浪能发电，且设备大部分都在海岸线附近，在广阔海平面上的利用较少。船舶燃油存在巨大热损，且此部分能量损失得不到合理的利用。设计了一种基于波浪能和塞贝克效应的外加电流船舶防腐蚀系统，将能源转化为电能，利用外加电流的阴极保护法原理，对船舶的电化学腐蚀和微生物腐蚀起到一定的防护作用，加强了对船体的保护。

波浪能；塞贝克效应；船舶；电化学腐蚀

1 研制背景及意义

中国是造船大国，但是船舶在水体中存在着严重的腐蚀现象，其中最为严重的为电化学腐蚀，也存在着微生物腐蚀。

对于船体防腐蚀，一般同时采用涂层防腐和电化学防腐等几种方式，电化学保护就是让腐蚀电池的电位差消失或减少，从而达到降低电化学腐蚀的效果，具体方式分为外加电流的阴极保护法以及牺牲阳极的阴极保护法。向船体通入一定量的阴极电流，使之阴极极化，把被保护金属相对于阳极装置变成一个阴极，使之免遭电化学腐蚀，这就是外加电流阴极保护原理。在船体上连接金属性更强的金属，使它相对于船体成为一个阳极，在发生腐蚀时牺牲阳极，使船体成为一个阴极，使之避免电化学腐蚀，这就是牺牲阳极的阴极保护法。但是这两种方式都存在一定的问题：①第一种方式需要定期更换阳极，且替换用废的阳极是困难且昂贵的；②第二种方式与第一种相比，需要更多的检测和维修费用，且需要外部电源、持续的电流供给费用。船舶腐蚀如图1所示。

图1 船舶腐蚀

基于以上背景，本项目组设计了一种基于波浪能和塞贝克效应的外加电流舶防腐蚀系统。对于社会而言，使用波浪能和温差发电的方式有利于保护环境、节约资源，并且可以完成对船体的保护，避免侵蚀。对造船业及船体使用个人而言，使用本装置可以在保护船体的前提下降低检测维修的成本，减少更换阳极的复杂工序，并减少更换阳极及供给电流的费用。

2 设计方案

设计了一种基于波浪能和塞贝克效应的外加电流船舶防腐蚀系统，整体结构如图2所示。在船行驶与停靠过程中，分别采用塞贝克效应与波浪能进行发电，将所产生的电流经过整流控制，根据船体形成腐蚀电池的电位差，对船体加上反向电压，利用外加电流的阴极保护法的原理，在节电的同时有效防止电化学腐蚀，同时，对微生物腐蚀起到一定的防治作用。

图2 装置总体示意图

2.1 波浪能发电部分

波浪能发电装置如图3所示，装置内部结构如图4所示。船舶行驶时，发电装置挂载在船体上，在船舶靠岸停靠时，

将波浪能发电装置从船体取出，海浪在靠岸边波浪较大，利用波浪能进行发电，所产生的电流通过整流控制之后，向阳极端输送，使腐蚀电池引起的电位差为0，从而达到保护船体金属的作用。

2.2 塞贝克效应温差发电装置

塞贝克效应温差发电装置如图5所示。船舶柴油机的热平衡如表1所示，从表1来看，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的30%～45%。以余热形式排出的能量占总燃烧量的55%～70%（柴油机），主要包括循环冷却水带走的热量。船舶排气筒温度高达300 ℃，将温差发电的热端以图5方式贴合于排气筒，通过水泵将冷却水输送到冷端，达到温差发电的效果。将发电产生的电量整流控制通过恒电位仪输送到阳极板，完成对船体的阳极化，保护船体。

图3 波浪能发电装置

图4 装置内部结构

图5 塞贝克效应温差发电装置

表1 船舶柴油机的热平衡

热平衡各分项/（%）高速柴油机中速柴油机 转变为有效功的热量30～4035～45 冷却介质带走的热量20～2510～20 废弃带走的热量35～4030～40 其他热量损失5～1010～15

3 系统理论计算

以长征号为例，船体主要尺寸如下：两柱间距124 m，型宽为17.6 m，型深（至遮阳甲板）10.9 m，（至主甲板）8.4 m，设计吃水6.0 m，满载排水量7 703 t，方型系数乙0.591，航速18.1 n mile/h，空载吃水首24 m，尾5.39 m。 根据布鲁可夫算式求出船体水下面积，为：

在考虑总的保护面积时，必须加上舵的面积和螺旋桨在旋转时与海水接触的有效面积，船体的保护面积约为水下面积的110%，总保护面积总=1.1×=2 500×1.1=2 750 m2。

根据实验数据，电位在﹣0.9～﹣0.8 V时，保护效率达到94%～99.5%，船在水下的面积相当大，各处保护电位不可能相等，考率多方面原因最佳保护范围为﹣0.9～﹣0.8 V。船体最大电流保护电流密度为45 mA/m2，因此，船总体最大保护电流=45×2 750=123 750 mA。

考虑到阳极的材料，选用含2%银的银铅合金做阳极，最大工作电流密度为250 A/m2，每只阳极的工作表面积为0.05 m2（长1 000 mm、宽50 mm、厚37 mm），每只阳极的最大输出电流=0.05×250=12.5 A。

全船安装这种阳极10只，阳极能在大部分时间内处于50～100 A/m2的工作范围内，正是银铅合金最合适的范围，以阳极消耗2/3为使用寿命，则假定阳极一直在满负荷状态下使用，其寿命按以下公式计算，约为11年：

式（1）中：为阳极表面积；为阳极厚度；为铅密度；为工作电流；为消耗率。

即。

参比电极的作用为测量船体电位，以观察船体的保护程度。船体的总保护电流为125 A，电压为0.8～0.9 V，选取0.85 V计算，功率=125×0.85=106.25 W。

与牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阳极保护法分别进行对比，分析本系统的效益。

3.1 牺牲阳极的阴极保护法

采用ZAG-C的锌-铝-镉合金型牺牲阳极，其外形尺寸为500 mm×100 mm×45 mm，每块牺牲阳极质量为13.6 kg，发生电流t为680 mA，最大保护电流a为123 750 mA。

保护船体所需阳极数量=a÷t=123 750÷680≈182块。

锌-铝-镉合金型牺牲阳极总质量=182×13.6=2 475.2 kg。

可根据下列公式估算出牺牲阳极的使用寿命：=（×1 000）÷（×8 760）=（13.6×780×1 000×0.9）÷（0.7×680×

8 760）≈2.29年。

每年消耗量为：=÷=2 475.2÷2.29≈1 080 kg=1.08 t。

采用牺牲阳极的阴极保护法，则一年消耗1.08 t阳极。ZAG-C的锌-铝-镉合金型牺牲阳极每千克价格为20元，此船一年减少牺牲阳极使用价格=1 080×20=21 600元。

按照系统应用于10 000条船计算，每年减少消耗的阳极总=1.08×10 000=10 800 t。

减少阳极使用价格总=21 600×10 000=21 600万元。

3.2 外加电流的阴极保护法

船体的总保护电流为125 A，电压为0.8～0.9 V，选取0.85 V计算，功率为=125×0.85=106.25 W。

每年消耗的电量=106.25÷1 000×365×24=930.75 kW·h。

每年节省电量总=930.75×10 000=9 307 500 kW·h。

4 总结分析

本装置基于半导体材料的塞贝克效应，将经船舶排气管损失的热量进行电力转换，设计了温差发电片的布置形式以及一套完整的工作系统，实现废热的有效回收利用，提高了船舶的经济性。半导体材料具有利用温差进行发电的能力，将柴油机排气管传递到机舱内的热量转换为高品位电能，给船舶通电防止侵蚀；在岸边利用波浪能发电，使能量被回收利用。

随着温差发电技术的发展，热电转换效率的提高，波浪能发电的效率提高，本套装置系统将有更大的现实意义。

利用波浪能以及塞贝克效应产生的电流防止船舶被腐蚀，将牺牲阳极保护中的牺牲阳极块更换成只起导电作用而不溶解的辅助阳极，在阳极和钢板之间加一直流电源，并通过海水构成回路。电源向钢板输入保护电流，使钢板成为阴极而得到保护。该外加电流保护系统由恒电位仪也就是外加电源、参比电极、不溶性辅助阳极构成。整个系统使船体电位始终保持在保护电位范围内。

温差发电装置在船舶排气管上的应用可以创造很大的经济效益，而且不需要人工管理，具有很好的前景。

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TG174.41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.003

2095－6835（2019）13－0005－02

〔编辑：张思楠〕