劉春陽(yáng) 汪小娜 王向軍

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）

潛艇電化學(xué)腐蝕電場(chǎng)特性研究?

劉春陽(yáng) 汪小娜 王向軍

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）

初步分析潛艇在海水中腐蝕電場(chǎng)分布和衰減特性，為潛艇防腐和電場(chǎng)隱身提供理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；陔姶艌?chǎng)基本方程導(dǎo)出空氣—海水兩層模型中，潛艇腐蝕電場(chǎng)電位控制方程和邊界條件，利用有限元法對(duì)深海中潛艇腐蝕電場(chǎng)進(jìn)行建模仿真。仿真結(jié)果表明：潛艇腐蝕電場(chǎng)在潛艇附近海水中各分量都能達(dá)到mV∕m量級(jí)，在潛艇螺旋槳附近幅值最大且變化劇烈，潛艇腐蝕電場(chǎng)衰減速度隨海水深度增加而減緩。潛艇腐蝕電場(chǎng)具有明顯的分布特性和衰減特性。

海水；潛艇；電化學(xué)；腐蝕電場(chǎng)；有限元

1 引言

海水中含有大量可溶性鹽，具有強(qiáng)烈的腐蝕性［1］。而潛艇的結(jié)構(gòu)部件主要是金屬材料，不同材料的金屬在海水中產(chǎn)生不同的腐蝕電位，不同電位的金屬發(fā)生電連接將會(huì)產(chǎn)生電流，從而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕電場(chǎng)。腐蝕電流是艇殼鋼板腐蝕的主要原因，也是艦艇電場(chǎng)的主要來(lái)源［2～3］。潛艇腐蝕不僅使?jié)撏ЫY(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，縮短潛艇使用壽命，其產(chǎn)生的腐蝕電場(chǎng)在海水中傳播還會(huì)增加潛艇被探測(cè)、發(fā)現(xiàn)的可能性，成為水中兵器的信號(hào)源，嚴(yán)重影響潛艇隱身性能［3～5］。

采用電偶極子對(duì)潛艇腐蝕電場(chǎng)建模，簡(jiǎn)單實(shí)用，不需要大量計(jì)算［6］，但是無(wú)法直接反映潛艇結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電場(chǎng)分布的影響。利用有限元分析軟件對(duì)潛艇腐蝕電場(chǎng)建模，求解精度高，且可以直觀反映潛艇周?chē)Ｋ须妶?chǎng)分布，可為潛艇電場(chǎng)防腐和隱身提供理論基礎(chǔ)。

2 腐蝕電場(chǎng)控制方程和邊界條件

當(dāng)金屬或合金與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，通常會(huì)因?yàn)樵姵刈饔冒l(fā)生電化學(xué)腐蝕。潛艇的艇體和螺旋槳由不同合金材料制成，潛艇不同腐蝕部位與海水電解液接觸界面上的雙電層電荷密度不同，從而產(chǎn)生不同的電極電位。鋼質(zhì)艇體和銅質(zhì)螺旋槳由大軸連接，構(gòu)成螺旋槳→連接軸→內(nèi)電阻→艇體→海水→螺旋槳回路［7］。

當(dāng)潛艇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和周?chē)Ｑ蟓h(huán)境無(wú)劇烈變化時(shí)，潛艇電化學(xué)腐蝕速度幾乎不變，可認(rèn)為電化學(xué)產(chǎn)生的腐蝕電流是恒定的。恒定電流將會(huì)產(chǎn)生恒定電場(chǎng)，海水可近似為各項(xiàng)同性導(dǎo)電媒質(zhì)，海水中任意一點(diǎn)的電流密度矢量J和電場(chǎng)強(qiáng)度E滿(mǎn)足本構(gòu)關(guān)系［7～8］：

恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)一樣旋度為零，可用一個(gè)標(biāo)量位函數(shù)的負(fù)梯度表示恒定電場(chǎng)的大小：

只要求出電勢(shì)φ在空間中的分布，就可由式（1）求解海水空間電場(chǎng)強(qiáng)度。海水中電位分布滿(mǎn)足拉普拉斯方程：

因此電化學(xué)腐蝕電場(chǎng)的計(jì)算和求解可以歸結(jié)為求解電位控制方程（2）。滿(mǎn)足拉普拉斯方程的解有無(wú)限個(gè)，因此必須給出電位滿(mǎn)足的邊界方程，才能求出海水中電位的唯一解，進(jìn)而求出海水中電場(chǎng)分布。

恒定電場(chǎng)與靜電場(chǎng)一樣，電場(chǎng)強(qiáng)度切向分量和電流密度的法向分量在邊界面上連續(xù)。用電位函數(shù)描述邊界條件則為

深海區(qū)可以忽略海床影響，求解區(qū)域等效為空氣—海水兩層模型，在海水和空氣界面，空氣可視為是理想電介質(zhì)，其電導(dǎo)率σ0=0，因此在空氣海水—分界面上法向電流為0，即海水中的電流沒(méi)有從分界面處流入空氣，電流只在海水內(nèi)部流動(dòng)。海水-空氣界面上電位函數(shù)滿(mǎn)足自然邊界條件：

因此求解海水中電場(chǎng)分布時(shí)無(wú)需對(duì)空氣部分建模。在發(fā)生電化學(xué)腐蝕的艇體和螺旋槳表面其電流密度和電勢(shì)關(guān)系滿(mǎn)足極化曲線，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)出。在離潛艇無(wú)窮遠(yuǎn)處的海水區(qū)域電位為零，在實(shí)際計(jì)算中可取足夠遠(yuǎn)為邊界，減少計(jì)算量［9～11］。

3 潛艇腐蝕電場(chǎng)有限元建模仿真

理論上根據(jù)潛艇周?chē)Ｋ须娢豢刂品匠毯碗娢粷M(mǎn)足的邊界條件可以求出潛艇周?chē)Ｋ械碾娢环植?，進(jìn)一步利用電磁場(chǎng)基本方程求出海水中電場(chǎng)強(qiáng)度分布。但是計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜，而且不能直觀得到海水中電場(chǎng)分布和潛艇腐蝕的關(guān)系。利用有限元仿真軟件對(duì)潛艇電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的恒流電場(chǎng)進(jìn)行建模仿真，可以求解復(fù)雜潛艇模型的電場(chǎng)分布，而且求解精度高，可以得到海水中電場(chǎng)分布圖，直接反應(yīng)腐蝕電場(chǎng)與艦船結(jié)構(gòu)及參數(shù)變化的關(guān)系［12～13］。

本文利用Ansoft有限元仿真軟件建立潛艇仿真模型，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，減少計(jì)算量，對(duì)潛艇模型適當(dāng)簡(jiǎn)化［9，11］：

1）用多個(gè)規(guī)則幾何體連接近似表示艇體光滑過(guò)度表面，艇體和螺旋槳之間由艦軸連接，艇體和螺旋槳都視為等勢(shì)體。

2）指揮臺(tái)和尾舵簡(jiǎn)化為規(guī)則幾何體，且不考慮潛艇內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路系統(tǒng)對(duì)腐蝕電場(chǎng)的影響。

3）艇殼表面的防護(hù)涂層看成是有限導(dǎo)電薄膜，螺旋槳和艇體之間連接的主軸簡(jiǎn)化為一個(gè)規(guī)則的圓柱體，單位電導(dǎo)率為40。

4）理論上無(wú)窮遠(yuǎn)處海水電勢(shì)為0，為了減少計(jì)算量，取一個(gè)足夠大長(zhǎng)方體作為求解域。

5）基本的電磁參數(shù)參考海水中的標(biāo)準(zhǔn)值，由于潛艇模型較為復(fù)雜，不考慮潛艇表面金屬的極化作用。

建立直角坐標(biāo)系：以艇艏端點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸正方向?yàn)橹赶蜃笙希赏贾赶蛲矠閅軸正方向，Z軸正方向垂直向上。潛艇仿真模型全長(zhǎng)80 m，型寬8 m，潛艇仿真模型如圖1所示。

圖1 潛艇仿真模型

潛艇周?chē)Ｋ刃橐粋€(gè)足夠大的長(zhǎng)方體。在海水—空氣界面滿(mǎn)足自然邊界件，無(wú)須對(duì)其強(qiáng)加邊界條件，也不用對(duì)海面以上的空氣建立模型。潛艇外包海水X方向由300 m～-300 m，Y方向-500 m～500 m，Z負(fù)方向設(shè)為-250 m，Z正方向?yàn)闈撏聺撋疃?，海水外包模型如圖2所示。

圖2 海水外包模型

4 潛艇腐蝕電場(chǎng)特性分析

假設(shè)海水深度250m，潛艇下潛20m，潛艇艏部防腐涂層破損，其余部位防護(hù)涂層良好，即只有艇艏發(fā)生腐蝕。艇艏腐蝕電極電位為-0.64 V，銅質(zhì)螺旋槳腐蝕電位-0.32 V。

應(yīng)用Ansoft恒流電場(chǎng)求解器對(duì)潛艇電場(chǎng)進(jìn)行求解，可以得到整個(gè)海水空間中腐蝕恒流電場(chǎng)分布。圖3為潛艇下方6 m與海平面平行的平面電場(chǎng)強(qiáng)度幅值分布云圖。

圖3 潛艇下方6 m與海平面平行的平面各方向電場(chǎng)分布圖

由圖3（a）可知，潛艇下方海水中電場(chǎng)X分量關(guān)于ZOY平面反對(duì)稱(chēng)分布，在潛艇下方附近幅值較大，遠(yuǎn)離潛艇區(qū)域幅值小。螺旋槳左右附近出現(xiàn)正負(fù)峰，螺旋槳附近峰值可達(dá)到0.84 mV∕m，艇體附近也有較大電場(chǎng)值，約為 0.44 mV∕m。由圖 3（b）可知，電場(chǎng)Y分量關(guān)于ZOY平面對(duì)稱(chēng)分布，在螺旋槳前后附近出現(xiàn)正負(fù)峰值，正峰可達(dá)0.73 mV∕m，負(fù)峰可達(dá)到-1.68 mV∕m。在艇艏下方附近也有一個(gè)較小的正峰，幅值可達(dá)0.15 mV∕m。由圖3（c）可知電場(chǎng)Z分量關(guān)于ZOY平面對(duì)稱(chēng)分布，有明顯的負(fù)峰，且負(fù)峰出現(xiàn)在螺旋槳后方，可達(dá)2.3 mV∕m，螺旋槳和艇體下方附近電場(chǎng)變化劇烈，遠(yuǎn)離潛艇下方海水區(qū)域變化平緩。

圖4為距潛艇左舷6 m，與艏艉線平行不同深度求解路徑上電場(chǎng)各分量曲線圖。圖中實(shí)線為潛艇下方6 m曲線圖，短劃線為潛艇下方26 m曲線圖，長(zhǎng)劃線為潛艇下方46 m曲線圖。x=100 m為艇艏頂端正下方，x=180 m為螺旋槳正下方。由圖4可知，電場(chǎng)各分量在不同深度變化趨勢(shì)相同，在螺旋槳下發(fā)附近出現(xiàn)峰值，且變化劇烈。隨著深度增加，潛艇腐蝕電場(chǎng)各分量衰減速度減慢，且X分量衰減最快，Z分量在潛艇下方附近下降較慢。深度為46m時(shí)，在潛艇下方X分量幾乎為0。

圖4 腐蝕電場(chǎng)不同深度時(shí)的分布曲線

5 結(jié)語(yǔ)

潛艇結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料性質(zhì)變化多樣，且不同海域海洋環(huán)境差異較大，因此很難用解析法準(zhǔn)確求解潛艇電化學(xué)腐蝕電場(chǎng)在海水中分布。合理簡(jiǎn)化潛艇模型和海水情況，對(duì)海水-空氣兩層模型中潛艇電化學(xué)腐蝕電場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真分析能對(duì)潛艇腐蝕電場(chǎng)進(jìn)行初步分析。仿真結(jié)果表明，潛艇腐蝕電場(chǎng)具有明顯的分布和衰減特性，因此對(duì)潛艇腐蝕電場(chǎng)特性進(jìn)行研究能為潛艇防腐和水下武器提供一定理論依據(jù)。

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Research on Electric Field Produced by Electrochemical Corrosion of Submarine

LIU ChunyangWANG XiaonaWANG Xiangjun
（College of Electrical Engineering ，Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

A preliminary analysis of the submarine in seawater corrosion electric field distribution and attenuation characteristics provides theoretical and data basis for submarines anticorrosive and electric fields stealth.Electric field controllable equation and boundary condition in air-sea two layer structures are analyzed，based on the basic equation of electromagnetic.Corrosion related electric field of the submarine is modeled by finite element method.The simulation result shows that the electric field distribution of submarine has obvious symmetry，and the components are of magnitude of millivolts per meter.Corrosion electric field of submarine has obvious distribution and attenuation characteristics.

seawater，submarine，electrochemical，corrosion electric field，finite element

U674.76

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.004

Class Number U674.76

2017年4月7日，

2017年5月26日

劉春陽(yáng)，男，碩士研究生，研究方向：電磁環(huán)境與防護(hù)。汪小娜，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：艦船電場(chǎng)防護(hù)。王向軍，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：艦船電場(chǎng)防護(hù)。