船舶B10管路牺牲阳极保护器数量和保护年限计算

汪裕明，谭起龙，田崇欢，陈东泉

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海200129）

0 引 言

船舶系统和动力系统管路是船舶动力和辅助机械设备正常运转的基本保障，直接影响着船舶航行的安全性和续航能力，其中涉及的海水管路大多处于潮湿、高温易腐蚀的恶劣环境中，腐蚀漏水的情况时有发生，严重影响着设备的正常使用。海水管路防腐防漏措施一直是管路制造和后期使用维护阶段的重要研究课题。目前，国外对海水管路防腐蚀的研究主要以牺牲阳极保护为主，牺牲阳极主要采用牺牲锌棒和牺牲短管的型式。牺牲锌棒的缺点是锌棒的腐蚀速度快，更换周期短；牺牲短管的缺点是牺牲短管腐蚀穿孔之后会造成舱内浸水。我国的船舶海水管系虽然也主要采用牺牲阳极的方式防护，但已应用新型的牺牲阳极保护器。目前，有关牺牲阳极保护器的布置原则和使用年限的理论研究还较少，因此需对牺牲阳极的性能开展研究，获取牺牲阳极领域更丰富的理论基础和应用实践。本文结合实船海水管系，对国内新型牺牲阳极保护器的布置数量和保护年限计算进行详细阐述，为实船安装该类型保护器和确定换修检验周期提供参考。

1 新型牺牲阳极保护器的原理、特点与安装

1.1 电偶腐蚀原理［1］

电偶腐蚀实质上是由不同金属或合金电极构成的宏观原电池腐蚀。图1为电偶腐蚀示意图。船舶海水管系涉及的材料类型有很多，这些材料因自然腐蚀，其电位存在很大差异，当在海水管路中共同使用时，很容易发生电偶腐蚀。由于海水的导电率很高，当2种不同的金属或合金在海水中腐蚀时，二者之间通常存在电位差，若二者互相接触或电导通，该电位差即导致电子由电位较低的金属流向电位较高的金属。此时，电位较低的金属因表面发生以氧化为主的电化学反应而成为阳极，电位较高的金属因表面发生以还原反应为主的电化学反应而成为阴极。与未发生电偶腐蚀时相比，阳极金属因腐蚀溶解速度升高，电位较高的阳极金属因腐蚀速度下降或停止而受到保护。牺牲阳极由电位较低的金属材料制成，当其与被保护的管道连接时，自身发生优先离解，从而抑制管道腐蚀，故称为牺牲阳极。

图1 电偶腐蚀示意图

1.2 特点

近年来，国内学者针对海水管路防腐蚀开展了很多研究，考虑到材料、工艺和制造等因素之后，综合分析现有的几种牺牲阳极，设计一种新型牺牲阳极保护器。该保护器的结构型式为圆筒型，内径与海水管路的内径相同，从而减少对整个海水系统流量和流速的影响；同时，避免牺牲阳极部分过度受腐蚀，造成管路泄漏。保护器内部选用新型合金阳极材料，在起到防腐蚀效果的同时，延长牺牲阳极保护器的使用寿命。该新型牺牲阳极保护器相比常规型牺牲阳极具有使用寿命长和更换方便等优点。

1.3 安装

新型牺牲阳极保护器安装示意图见图2。

图2 新型牺牲阳极保护器安装示意图

1.4 材料

牺牲阳极主要有镁合金牺牲阳极、铝合金牺牲阳极、锌合金牺牲阳极和铁合金牺牲阳极等4种。在当前的阴极保护系统中，采用的牺牲阳极材料是镁、铝和锌基合金。从性能上看，这些材料相对于铁基阳极材料来说，均具有足够低的开路电位，有效电位差大于200 mV。从电流效率方面看，镁基合金最差，这是因为镁的电位很低，其表面的局部腐蚀微电池具有极大的活性，自溶性高；其次是铝基合金，这是因为铝易钝化，其表面易形成氧化膜，虽能通过合金化得到改善，但仍存在非均匀溶解；锌和锌基合金的电流效率要好些，但其对杂质的影响敏感。锌含量大于99.995%的纯锌和铁含量小于0.001 4%的高纯锌才可直接作为牺牲阳极使用。即使可通过合金化消除杂质的影响，铁、铜和铅等物质的最大含量仍需小于0.005%，这无疑会增加锌阳极的制造难度，相应会增加成本。铁合金牺牲阳极性能，其阳极开路电位可根据在海水中的稳定电位序表得到，自然腐蚀电位约为-700 mV，保护电位为-850 mV，紫铜的自然腐蚀电位约为-240 mV，B10铜镍合金管的自然腐蚀电位还要高一些，它们的保护电位为-450 mV，即用铁合金阳极保护铜镍合金海水管路，牺牲阳极与被保护结构之间至少有460 mV的电位差，相对于铅、锡和铜等电位更高的合金来说，已有足够低的开路电位，有效电位差可大于200 mV。铁的电流效率不会太低，因为铁的电位较高，在中性液中主要是吸氧腐蚀，对阴极夹杂不敏感，自溶性也小；同时，铁的自钝化倾向小于铝，其均匀溶解性优于铝。从使用环境方面看：镁合金因其开路电位较低，有效电位差较大，可适用于电阻率高的水和土壤环境；锌和铝合金适用于电阻率小的海洋环境介质。综上所述，铁合金牺牲阳极具有更适宜的驱动电位，其除了对B10有电化学保护作用之外，溶解下来的铁离子还能在铜合金表面形成富铁保护膜，从而降低阴极保护有效区段内的保护电流输出，减少阳极消耗，延长阳极使用寿命，并缓解距阳极较远的B10管表面的腐蚀。此外，铁合金牺牲阳极的电流效率性能更优，在海水中恒定保持均匀溶解状态，受水质的影响较小，无晶间腐蚀敏感性；铁合金牺牲阳极资源丰富，价格低廉，可显著降低B10管路的防腐蚀费用。因此，用铁合金牺牲阳极保护B10铜镍合金管，从理论上看是最优的。表1为各种材料牺牲阳极电容量。

表1 各种材料牺牲阳极电容量

1.5 铁合金牺牲阳极保护器参数

铁合金牺牲阳极保护器参数见表2。

表2 铁合金牺牲阳极保护器参数

2 计算实例

以某船的B10海水消防管路系统为例进行分析，该系统通过机舱内的2台消防泵与船首的1台应急消防泵向二甲板消防管路供水，主要管路有DN80、DN100和DN125等3种规格。系统采用铁合金牺牲阳极保护器。

2.1 3种规格的牺牲阳极保护器发生电流量计算

2.1.1 牺牲阳极保护器的接水电阻

牺牲阳极保护器的接水电阻R为

式（1）中：ρ为海水电阻率，一般取ρ＝25 Ω˙cm。

1）DN125牺牲阳极保护器的长度L＝10 cm，宽度B＝39.878 cm，由式（1）可得其接水电阻R＝0.5 Ω；

2）DN100牺牲阳极保护器的长度L＝10 cm，宽度B＝31.42 cm，由式（1）可得其接水电阻R＝0.6 Ω；

3）DN80牺牲阳极保护器的长度L＝10 cm；宽度B＝25.13 cm，由式（1）可得其接水电阻R＝0.71 Ω。

2.1.2 牺牲阳极保护器发生电流量

牺牲阳极保护器发生电流量I为

式（2）中：ΔE为牺牲阳极保护器的驱动电压，铁合金牺牲阳极取0.25 V；R为牺牲阳极保护器的接水电阻，见第2.1.1节。

1）DN125牺牲保护器的发生电流量I＝ΔE／R＝0.5 A；

2）DN100牺牲保护器的发生电流量I＝ΔE／R＝0.417 A；

3）DN80牺牲保护器的发生电流量I＝ΔE／R＝0.352 A。

2.2 二甲板管路长度估算

图3为二甲板消防管路布置图。管路通径为DN125，规格为Ø133×2.5，管材为B10铜镍合金材料。经测量，该管系总长220 m，左右舷各长100 m，连通管长20 m（计算时因海水箱已设置海水管系防污防腐装置，故泵前管路不计算，二甲板管路中的隔离阀件默认为管路）。

图3 二甲板消防管路布置图

按照图3，∑L（DN125）管路长度为240 m（DN125），∑L（DN100）管路长度为20 m（DN125）。

2.3 全部管路的牺牲阳极保护器数量

管路需要的牺牲阳极保护器的总数量N为

式（3）中：I为保护电流密度；S为管路浸水面积；I为牺牲阳极保护器发生电流量。

图3中，DN125管路浸水面积为

DN100管路浸水面积为

式（4）和式（5）中：D为管路内径；L为管路长度。

管路浸水总面积为

图3中管路需要的牺牲阳极保护器的总数量为

式（7）中：I为保护电流密度，为54.1 mA／m；S为管路浸水面积，为101.98 m；I为牺牲阳极保护器发生电流量，为0.5 A。设置DN125共10套；DN100共1套。

按上述计算结果，该泵出口至二甲板管路中设置的牺牲阳极数量为11套，其布置见图4。

图4 二甲板海水系统的牺牲阳极保护器管路图

2.4 牺牲阳极保护器保护年限计算

牺牲阳极保护器保护年限的计算公式为

式（8）中：Y为牺牲阳极保护器保护年限；U为牺牲阳极利用系数，取0.8；C为牺牲阳极消耗率；I为平均发生电流量。

2.4.1 单套铁合金牺牲阳极保护器保护年限

铁合金牺牲阳极的消耗率C为

式（15）中：Q为铁合金牺牲阳极电容量，取930 Ah／kg；8 760 h为1 a的小时数。

二甲板11套铁合金牺牲阳极保护器单套的保护年限Y为

式（10）中：U为牺牲阳极利用系数（取0.8）；C为牺牲阳极消耗率；I为平均发生电流量，0.75I＝0.375 A；M为单个DN125牺牲阳极保护器的质量，7 kg。

二甲板11套铁合金牺牲阳极保护器单套的保护年限Y为

式（17）中：U为牺牲阳极利用系数，取0.8；C为牺牲阳极消耗率；I为平均发生电流量，0.75I＝0.312 A；M为单个DN100牺牲阳极保护器的质量，5.58 kg。

综合分析：二甲板11套铁合金牺牲阳极保护器单套的保护年限Y和Y取小值，为1.52 a。

2.4.2 牺牲阳极的总数量

计算系统管路要求达到20 a保护年限所需的牺牲阳极的总数量为

式（12）中：N为管路需要牺牲阳极保护器的总数量；M为单个牺牲阳极保护器的质量；I′为全船平均保护电流数值，I′＝（0.7∽0.8）I；C为牺牲阳极消耗率；Y′为全船牺牲阳极保护器的保护年限；U为牺牲阳极利用系数，0.8。

原来系统设计二甲板布置11套牺牲阳极保护器，故总数量为11的倍数，取154套。

若使二甲板管路中的牺牲阳极设计保护期限达到20 a，共需要牺牲阳极154套。按20 a期限计算的总数量采购。当这些保护器达到相应的使用期限之后，根据检查螺栓检查结果进行更换。

3 结 语

船舶海水管系承担着冷却主辅机、消防、压载和清洗等任务，在保证船舶主要设备正常运行及安全、船舶平衡等方面起着重要作用。海水管系输送的均为海水，致使海水管系必然面临着腐蚀严重的问题，从而影响设备的正常运行和船舶的安全运行，大量维修也造成了人力和物力上的损失。因此，开展海水管路的牺牲阳极设计研究具有重要意义。以往类似设计通常采用估算法，不仅不能对设计成本进行准确计算，而且已不适应当前的数字造船要求。本文对船舶B10管路新型牺牲阳极保护器的布置数量和保护年限进行了实例计算，通过计算可准确得出海水管路需要布置牺牲阳极保护器的数量和管路中设置的阳极保护器的保护期限，为牺牲阳极的实际应用提供了理论依据。虽然现代船舶在航率更高、服役工况更复杂的环境中遭受的腐蚀破坏作用更强，但通过采取合理设计选材、设置新型牺牲阳极保护器等一系列防腐蚀措施，一定能有效解决海水管路系统海水电化学腐蚀和电偶腐蚀等问题，保障船舶海水系统的运行可靠性。