船体外加电流阴极保护系统设计与应用

王金福 汪成宿 宋 航

（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266101）

0 引言

船舶结构大多为金属材质，金属的腐蚀是自然界不可避免的现象，如今，阴极保护技术在船舶领域已得到了广泛应用，明显减轻了船舶结构的腐蚀，延长了船舶的使用寿命。船体外加电流阴极保护系统是通过外加电源，控制船体电位或电流密度使船体阴极极化而达到不受海水腐蚀的目的[1]，船舶无论在系泊、航行状态，系统都应具有随外界条件变化（如航速、海域、油漆破损程度等）而自动调节输出电流，使船体始终处于最佳保护电位范围内的功能。船体外加电流阴极保护系统主要包含：恒电位仪、辅助阳极、阳极屏蔽层、参比电极、螺旋浆轴接地、舵接地等部件。

1 系统参数计算

本文案例船舶，船体采用外加电流阴极保护系统，压载舱、冷却系统等部位采用牺牲阳极保护（本文不做讲解）。按照GB/T 3108-1999《船体外加电流阴极保护系统》[2]进行保护电流密度的选取，船体参数、保护电流密度的选取如表1所示。

该船所需阴极保护电流：I总＝S1×i1＋S2×i2＋S3×i3＋S4×i4＝176.76A，因外加电流阴极保护系统需长期连续运行，应考虑系统裕量和冗余设计，经过综合计算和选型，恒电位仪选用2台120A/20V开关电源型恒电位仪，参比电极、辅助阳极参照GB/T 7387-1999《船用参比电极技术条件》[3]和GB/T 7388-1999《船用辅助阳极技术条件》[4]进行设计，系统成套表如表2所示。

表1 船体参数、保护电流密度

表2 外加电流阴极保护系统成套表

2 系统布置要求

2.1 恒电位仪

恒电位仪：将交流电转换成低压直流电，输出保护电流。

恒电位仪选用2台120A/20V开关电源型恒电位仪，其应安装在便于操作管理的舱室，系统布置示意图如图1所示。

恒电位仪安装完成后，应测量绝缘电阻（冷态），用500V兆欧表分别测量恒电位仪三相电源输入端与机壳间的绝缘电阻，其应≥10MΩ。

2.2 辅助阳极

辅助阳极：连接恒电位仪的正极，将保护电流经过海水传递到船体。

辅助阳极选用8套CYB型辅助阳极，其布置在螺旋桨上方2套，艉部至舯部左、右舷各布置3套，高度在水线以下约1.5m，两舷对称安装。辅助阳极外形图如图2所示，辅助阳极安装示意图如图3所示。

辅助阳极安装完成后，阳极体或导电杆与阳极密封填料函或水密装置之间的绝缘电阻，在干燥状态下应＞1MΩ。

辅助阳极安装完毕后，对水密装置内部充气196kPa进行密封性能检查，历时15min不漏气。

2.3 阳极屏蔽层

阳极屏蔽层：使辅助阳极的输出电流分布到较远的船体表面，提高保护电位分布的均匀性。

阳极屏蔽层材料选用H8702-5型环氧腻子涂料，涂敷尺寸原则是确保阳极屏蔽层边缘处船体电位不负于船体涂层的最大保护电位，根据GB/T 3108-1999《船体外加电流阴极保护系统》附录B2计算取整，阳极屏蔽层的尺寸为3000×2000mm，厚度由辅助阳极边缘向外逐渐减薄，厚度0.5～3.0mm。

2.4 参比电极

参比电极：测量船体电位，将测量的船体电位反馈到恒电位仪。

参比电极选用4套CCY型参比电极，每台恒电位仪使用两套[5]，纵向布置于左、右舷辅助阳极中间，与辅助阳极高度一致（约水线以下1.5m）。参比电极外形图如图4所示，参比电极安装示意图如图5所示。

参比电极安装完成后，参比电极体或导电杆与电极密封填料函或水密装置之间的绝缘电阻，在干燥状态下应＞1MΩ。

参比电极安装完毕后，对水密装置内部充气196kPa进行密封性能检查，历时15min不漏气。

2.5 接地装置

螺旋浆轴、舵接地：通过接地装置使螺旋浆轴、舵柱与船体形成良好的电性连接，增加系统对螺旋浆、舵板保护的可靠性。

螺旋桨轴接地：在船舱内的螺旋桨轴上加装铜滑环和电刷，使螺旋桨与船体保持良好的电接触，每根轴上装三只电刷，两只接船体，使保护电流通过。第三只与船体绝缘安装并连接到电位监测表，测量螺旋桨对地电位差，轴在转动时电位差应≤100mV。

舵接地：在舵机舱内用截面积≥25m2的船用软电缆使舵柱与船体相连，接地电阻应＜0.02Ω。

3 系统调试方法及注意事项

3.1 系统接线检查

船体外加电流阴极保护系统接线包含：输入电源、辅助阳极、阴极、参比电极、延伸报警信号、零位接地、机壳接地、螺旋浆轴接地、舵接地。系统接线完毕后，需对接线正确性进行检查，应特别注意：

（1）辅助阳极和阴极切勿接反，如果接线错误，将会加速船体腐蚀；

（2）参比电极零位接地应单独接地，严禁与阴极相连，否则将引起电位测量误差；

（3）参比电缆屏蔽线应与零位接地相连，可有效防止参比电极信号干扰；

（4）恒电位仪机壳必须良好接地。

3.2 自动工况调试（恒电位工作模式）

（1）用万用表AC 750V档测量恒电位仪的输入电源是否正常；

（2）恒电位仪开机，设定为恒电位工作模式；

（3）选择其中一只参比电极为参考参比电极（自动工况电位数据反馈）；

（4）设定电位为-0.80～-1.00V（2台恒电位仪的设定电位值保持应一致，且同步运行），观察各参比电极的测量电位、总输出电流、各辅助阳极电流、输出电压；

（5）船舶无论在系泊或航行状态，恒电位仪的恒定电位应该保持不变（控制误差±20mV），其它数据在额定值范围内变化为正常现象。自动工况运行数据如表3、表4所示。

3.3 手动工况调试（恒电流工作模式）

（1）用万用表AC 750V档测量恒电位仪的输入电源是否正常；

（2）恒电位仪开机，设定为恒电流工作模式；

（3）设定恒电流在合适值（测量电位应在－0.80～－1.00V之间）；

（4）观察各参比电极的测量电位、总输出电流、各辅助阳极电流、输出电压；

（5）恒电流工作模式，总输出电流应该保持不变，其它数据在额定值范围内变化为正常现象；应注意观察各参比电极的测量电位，如测量电位超出额定值范围，应适当调整恒电流的设定值，以保证测量电位在-0.80～-1.00V之间。

表3 自动工况运行数据（恒电位仪1）

表4 自动工况运行数据（恒电位仪2）

表5 船体自然电位记录表（未通电）

表6 自动工况船体电位记录表

3.4 船体保护电位测量

外加电流阴极保护系统运行在自动工况下，在船舷两侧从前至后各均取5个测量点，用万用表DC 2V档及便携式参比电极在测量点处测量保护电位值，万用表红表笔接船体、黑表笔接参比电极，船体保护电位应在-0.80～-1.00V之间（相对于银/氯化银参比电极）。本文船体电位使用便携式铜/饱和硫酸铜参比电极测量，系统通电前船体电位如表5所示，自动工况船体电位如表6所示。

3.5 注意事项

（1）系统通电调试前应先检查各部件的接线情况，确保满足通电要求再对设备进行通电，以免因接线错误等原因对系统造成损坏；

（2）船体外加电流阴极保护系统通常运行于自动工况，手动工况主要应用于自动工况出现故障、参比电极出现故障、船体有焊接作业等情况；

（3）船舶进干坞或淡水区域应将系统关闭；

（4）为延长船舶的使用寿命，无特殊情况阴极保护系统应持续运行，且船体电位相对于银/氯化银参比电极应在-0.80～-1.00V范围内。船舶停泊时，可用便携式参比电极测量船体电位的分布情况，以便更好的调整系统工作在最佳保护电位范围内[6]。

4 结语

GB/T 3108-1999《船体外加电流阴极保护系统》规定，在海水中船体钢板的保护电位范围相对于银/氯化银参比电极应达到-0.80～-1.00V，特殊情况下，当阳极布置位置受到限制时，保护电位范围可为-0.75～-1.00V。该船外加电流阴极保护系统调试完成、投入运行后，船体保护电位满足设计和实际使用要求，达到了阴极保护效果，可以有效预防船体腐蚀，延长船舶的使用寿命。