海洋环境对潜艇阴极保护和水下腐蚀静电场的影响

刘春阳，王建山，赵玉龙

海洋环境对潜艇阴极保护和水下腐蚀静电场的影响

刘春阳，王建山，赵玉龙

（国防科技大学信息通信学院，武汉 430014）

潜艇阴极保护效果和水下腐蚀静电场分布会随着海水电导率、海床电导率和海水深度等海洋环境的变化而改变。采用有限元法建立潜艇外加电流阴极保护下的水下腐蚀静电场模型，求解不同海水电导率、海床电导率和海水深度等海洋环境因素下潜艇表面电位、阳极输出电流和水下电场分布。结果表明：阳极保护电流随着海水电导率的增大而显著增大，而海床电导率和海水深度对阳极保护电流影响较小；水下电场峰值随着海水电导率、海床电导率和海水深度的增大而减小。

海洋环境 潜艇 阴极保护 腐蚀静电场 有限元

0 引言

海水含有大量各种离子，是一种强电解质，具有强烈的腐蚀性，而潜艇结构部件为各种合金，在海水中会发生电化学腐蚀。为了防止潜艇金属结构腐蚀，通常采用阴极保护和防腐涂层进行腐蚀防护，潜艇金属结构腐蚀和防腐产生的电流在海水中产生水下腐蚀电场[1-3]。潜艇水下腐蚀电场是一种重要的潜艇物理场，不仅可用于对潜艇进行跟踪和定位，还可作为水雷等水中武器的引信。研究潜艇水下腐蚀电场特性，预测腐蚀相关电场分布，有利于在潜艇设计和制造过程中对腐蚀电场进行控制、削弱、甚至消除，对降低潜艇被电场引信武器攻击可能性，提高潜艇在现代战争中的生存能力，更好的发挥作战效能具有重要的意义[4-6]。

潜艇水下腐蚀电场与海水电导率、海水深度、海床电导率等海洋环境密切相关。文献[7-8]基于电偶极子和时谐偶极子模型研究了海水电导率和海床电导率对舰船水下静电场和轴频电场的影响。文献[9-10]基于电偶极子模型研究了海床坡度和岸壁对舰船水下电场的影响。基于电偶极子模型分析海洋环境对舰船电场的影响虽然计算量少，但都是将舰船腐蚀和防腐电流视为恒量，且忽略了潜艇的形状，而实际情况中舰船经常采用外加电流阴极保护ICCP系统进行腐蚀防护，随着海洋环境的变化，腐蚀和防腐电流往往会发生变化。

本文利用商业有限元软件COMSOL建立潜艇水下腐蚀静电场仿真模型，考虑海洋环境变化导致外加电流阴极保护电流的变化，研究外加电流阴极保护状态下海水电导率、海床电导率和海水深度对潜艇阴极保护和水下腐蚀静电场影响。

1 潜艇腐蚀静电场建模

当潜艇航行状态和周围海洋环境无剧烈变化时，潜艇腐蚀和防腐电流近似恒定，可认为腐蚀电场

距离船体足够远处海水区域，即舰船腐蚀电场物理模型的外边界，电流密度为0。

因此，浅海环境下潜艇腐蚀电场的数学模型如方程（12）所示。

2 潜艇模型参数设置

如图1所示，以海平面为XOY平面，以艇首在XOY的投影为原点，X轴正方向由艇首指向艇尾，Y轴正方向由右舷指向左舷，Z轴正方向垂直向下。采用COMSOL建立潜艇水下腐蚀电场模型，潜艇模型包括艇壳、指挥围壳、尾舵、艇轴和螺旋桨，潜艇中前部和中后部各有一对辅助阳极，参比电极位于潜艇中后部。潜艇下潜深度25 m，艇壳覆盖防腐涂层，涂层完好，采用绝缘边界条件，艇轴和螺旋桨裸露，材料分别为625合金和镍铝青铜。潜艇周围外包两个大长方体分别表示海水和海床区域。为了减少边界对水下电场分布的影响，在海水区域和海床区域无穷远边界采用无限域边界条件。

采用自由四面体对三维潜艇仿真模型进行网格剖分，在螺旋桨和辅助阳极附近采用更细的网格剖分，潜艇表面网格剖分如图2所示。

图1 潜艇三维仿真模型

艇壳涂层完好率100%，采用绝缘边界条件，大轴和螺旋桨裸露，电极表面边界条件表示。大轴和螺旋桨电极表面的部分电化学参数[11]列于表1。

表1 大轴和螺旋桨部分电化学参数

潜艇使用外加电流阴极保护，采用恒电位条件，使潜艇表面电位相对于Ag/AgCl参比电极的电位值为-850 mV，以使艇壳处于较好的被保护状态，所需阳极输出电流由COMSOL软件根据潜艇所处海洋环境计算。

3 结果与分析

3.1 海水电导率的影响

海水深度40 m，海床电导率0.1 S/m保持不变，采用COMSOL二次电流模块进行参数扫描，设定海水电导率为2～6 S/m，扫描间隔1 S/m，对不同海水电导率下潜艇表面电位和水下静电场进行求解，分析海水电导率对潜艇阴极保护和水下静电场的影响。

3.1.1 对阴极保护的影响

不同海水电导率下阳极输出总电流如表2所示，由表可知2，随着电导率增大，阳极输出总电流增大，海水电导率为2 S/m时，阳极输出电流为11.94 A，而海水电导率增大到6 S/m时，阳极输出电流增大到30.47 A。海水电导率增大3倍，阳极输出电流增大2.56倍，说明海水电导率对阳极输出电流影响较大，利用电偶极子模型分析海水电导率对舰船电场分布的影响时必须考虑等效偶极子强度的变化。

表2 不同海水电导率下阳极输出电流

海水电导率分别为2 S/m、4 S/m和6 S/m时潜艇表面电位分布图如图3所示，右侧数值为艇体电极电位，单位V。由图3可知，在3种海水电导率下，除了阳极附近外，艇壳表面电极电位均处于-800～-1200 mV，即均具有较好的防腐效果，螺旋桨和大轴的电位在-0.6～-0.4 V之间，也处于较好的防腐效果。

图3 潜艇表面电位

3.1.2 对水下电场的影响

为了进一步直观观察，以潜艇左侧1倍艇宽的测量路径为例，其电场分布曲线如图5所示，直观分析海水电导率对潜艇水下静电场的影响。

图5可知，海水电导率分别为2 S/m、4 S/m和6 S/m时，电场曲线分布规律基本相同，在螺旋桨附近位置出现最大值，随着海水电导率的增大，电场峰值减小。海水电导率由2 S/m增大至6 S/m时，增大了3倍，电场峰值增大约13.1%。

图5 不同海水电导率电场分布曲线

图6 参比电极处电流密度和电场强度

图6为参比电极处点电场值和电流密度随海水电导率的变化曲线。由图6可知，随着海水电导率的增大，参比电极处海水电流密度增大，但电场值减小。这是由于海水电导率增大，阴极保护电流增大，因此海水电流密度增大。但由于电流密度增大倍率小于电导率增大倍数，因此电导率的增大导致潜艇水下静电场减小。

3.2 海床电导率的影响

海水深度40 m，海水电导率4S/m保持不变，采用COMSOL二次电流模块进行参数扫描，设定海床电导率分别为0.01 S/m、0.1 S/m、1 S/m、2 S/m和3 S/m，对不同海床电导率下潜艇表面电位和水下静电场进行求解，分析海床电导率对潜艇阴极保护和水下静电场的影响。

3.2.1 对阴极保护的影响

不同海床电导率下阳极输出总电流如表3所示。由表可知3，随着海床电导率增大，阳极输出总电流略微增大，海床电导率为0.01 S/m时，阳极输出电流为21.69 A，而海床电导率增大到3 S/m时，阳极输出电流也仅增大到22.16 A。海床电导率增大300倍，阳极输出电流仅增大2.2%，说明海床电导率对阳极输出电流影响较小，基本可以忽略。

表3 不同海床电导率下阳极输出电流

3.2.2 对水下电场的影响

图7 不同海床电导率电场分布曲线

由图7可知，不同海床电导率电场曲线分布规律基本相同，在阳极和螺旋桨附近出现峰值，在螺旋桨附近出现最大值，随着海床电导率的增大，电场模幅值最大值变小。海床电导率由0.01 S/m增大至0.1 S/m时，增大了10倍，电场值基本不变；而当海床电导率由0.1 S/m增大至1 S/m、1 S/m增大至2 S/m和2 S/m增大至3 S/m时，电导率增大约1 S/m，电场峰值分别减小约14.3%、14.3%和11.1%，说明电场值主要受海床电导率绝对值变化的影响。

3.3 海水深度深度的影响

海水电导率4 S/m，海床电导率0.1 S/m保持不变，通过改变海水域长方体高度模拟不同海水深度，对不同海水深度电导率下潜艇表面电位和水下静电场进行求解，分析海水深度对潜艇阴极保护和水下静电场的影响。

3.3.1 对阴极保护的影响

不同海水深度下阳极输出总电流如表4所示，由表可知4，随着海水深度增大，阳极输出总电流略微增大，海水深度为40 m时，阳极输出电流为21.71 A，而海水深度增大到150 m时，阳极输出电流也仅增大到22.23 A。海水深度增大了3.75倍，阳极输出电流增大2.4%，说明海水深度对阳极输出电流影响较小，基本可以忽略。

表4 不同海水深度下阳极输出电流

3.3.2 对水下电场的影响

图8 不同海水深度电场分布曲线

由图8可知，随着海水深度的增大，电场峰值减小，且当水深由40 m增大至50 m时电场变化剧烈，减小约32.7%；当水深大于60 m后，电场曲线分布规律随海水深度的变化较小，主要在螺旋桨附近发生变化；当海水深度大于100 m时，电场分布曲线基本不变，此时可以等效为深海模型。

4 结论

利用有限元法建立外加电流阴极保护潜艇水下腐蚀静电场模型，分析海水电导率、海床电导率、海水深度对阴极保护和水下腐蚀静电场的影响，结果表明：

1）海水电导率对潜艇阴极保护的影响较大，海床电导率和海水深度对阴极保护的影响较小。海水电导率增大3倍时，阳极输出电流增大约2.75倍。海床电导率和海水深度的变化导致阳极输出电流的变化小于2.5%，在工程实际中可以忽略。

2）随着海水电导率、海床电导率和海水深度的增大，潜艇水下腐蚀静电场减小。海水电导率增大3倍时，水下腐蚀静电场峰值增大约13.1%；水下腐蚀静电场主要受海床电导率增大绝对值的影响；当海底与电场测量平面的距离大于60 m时，可忽略海水-海床界面对水下腐蚀静电场的影响。

[1] 赵斌, 刘兴. 基于有限元分析的舰船轴电流仿真研究[J]. 船电技术, 2015, 35(4): 55-57.

[2] Kim Y S, Lee S K, Chung H J, et al. Influence of a simulated deep sea condition on the cathodic protection and electric field of an underwater vehicle[J]. Ocean Engineering, 2018, 148: 223-233.

[3] Zhang J, Wang X , Jie T. Numerical Simulation of Underwater Electric Field in Seawater Condition[C]// International Conference on Mechatronics and Intelligent Robotics. Springer, Cham, 2017.

[4] 张济平, 柳懿, 王向军. 舰船水下静电场防护因素的仿真分析研究[J]. 船电技术, 2019, 39(12): 50-54.

[5] 刘春阳, 汪小娜, 王向军, 苗海. 螺旋桨涂层对潜艇水下静电场影响仿真分析[J]. 中国舰船研究, 2018, 13(S1): 182-188.

[6] 孙嘉庆, 陈聪, 危玉倩, 李定国. 微分递推法在舰船静态电场深度换算中的应用研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(02): 345-355.

[7] 李定国, 陈聪, 陈夫余, 等. 斜坡海床环境舰船电场电位分布研究[J]. 海军工程大学学报, 2018, 30(1): 7-12.

[8] 柳志忠. 海洋环境电导率对舰船水下电场特性的影响[J]. 舰船科学技术, 2009, 31(10): 10-13,38.

[9] 王向军, 张建春, 嵇斗, 田婕, 张继烈. 浅海中电导率对同一水平面轴频电场的影响[J]. 海军工程大学学报, 2018, 30(02): 1-6.

[10] 陈聪, 杨靖玄, 孙嘉庆, 等. 存在垂直岸壁时舰船水下标量电位分布特征研究[J]. 海军工程大学学报, 2020, 32(6): 1-6.

[11] 徐庆林, 王向军, 张建春, 等. 温度对舰船阴极保护和腐蚀静电场的影响[J]. 国防科技大学学报, 2019(4): 182-1.

Effects of marine environment on cathodic protection and underwater corrosion electrostatic field of submarine

Liu Chunyang, Wang Jianshan, Zhaou Yulong

(College of Information and Communication, National University of Defense Technology, Wuhan 430014, China)

O411.1

A

1003-4862(2022)06-0056-06

2021-09-30

刘春阳，男，助教。研究方向：海军通信技术、军兵种信息通信保障。E-mail: 1005253809@qq.com