喻 鵬 姜潤(rùn)翔 程錦房

(海軍工程大學(xué)兵器系 武漢 430033)

艦船腐蝕相關(guān)靜電場(chǎng)隱身方法研究*

喻 鵬 姜潤(rùn)翔 程錦房

(海軍工程大學(xué)兵器系 武漢 430033)

為了達(dá)到最大程度減少艦船靜電場(chǎng)的目的，在利用邊界元數(shù)值仿真軟件的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了自然腐蝕狀態(tài)、犧牲陽(yáng)極保護(hù)、外加電流陰極保護(hù)優(yōu)化和外加電流補(bǔ)償四種狀態(tài)下的船體電位及水下靜電場(chǎng)特性.結(jié)果表明，基于外加電流補(bǔ)償?shù)姆椒苡行Ы档团灤o電場(chǎng)，但是僅船體尾部和螺旋槳附近處于陰極保護(hù)狀態(tài).為了兼顧防腐與隱身的要求，提出“平時(shí)”采用外加電流陰極保護(hù)優(yōu)化技術(shù)和“戰(zhàn)時(shí)”采用外加電流補(bǔ)償技術(shù)的靜電場(chǎng)隱身方法.

艦船；靜電場(chǎng)隱身；防腐；陰極保護(hù)優(yōu)化；外加電流補(bǔ)償

0 引 言

艦船靜電場(chǎng)是水中兵器的重要被動(dòng)攻擊源,其靜電場(chǎng)強(qiáng)度在近場(chǎng)可達(dá)mV/m的量級(jí)[1-2]，而現(xiàn)有電場(chǎng)測(cè)量裝置的測(cè)試精度已經(jīng)可以達(dá)到nV/m的量級(jí)，易被裝有電場(chǎng)引信的水雷武器(如俄羅斯的“MDM-6”[3]、意大利的“ASTERIA”[4]和西班牙的“MINEA”水雷等)攻擊，為了提高艦艇的生命力，各國(guó)通常將電場(chǎng)抑制技術(shù)運(yùn)用在船舶設(shè)計(jì)和制造中[5-6].如俄羅斯海軍使用“Каскад-э”系統(tǒng)、美國(guó)研制“Advanced ICCP”系統(tǒng)等[7].

由于艦船靜電場(chǎng)主要是由于腐蝕和防腐電流產(chǎn)生的，為了降低艦船靜電場(chǎng)，普遍的做法的是采取優(yōu)化結(jié)構(gòu)工藝[8]、外加電流補(bǔ)償和陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[9-10]等幾種方法.針對(duì)上述問(wèn)題，利用邊界元軟件仿真計(jì)算了同一艘中型艦船在不同狀態(tài)下的水下電場(chǎng)值及船體表面的電位值，厘清外加電流補(bǔ)償與陰極保護(hù)優(yōu)化之間的關(guān)系，明確最大程度地實(shí)現(xiàn)艦船靜電場(chǎng)隱身的技術(shù)方法.

1 靜電場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理

艦船是由多種材料制成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)物，主要包括不同種類的碳鋼、低合金鋼、鑄鋼、銅合金、鋁合金、不銹鋼和鈦合金等.由于不同金屬材料在海水中的電極電位不同，當(dāng)使用金屬導(dǎo)線將不同金屬電連接時(shí)，就形成腐蝕原電池(電解偶電路)，從而在回路中產(chǎn)生電流.隨著電流的產(chǎn)生，陽(yáng)極逐漸被腐蝕，而陰極得到保護(hù)，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，在海水中產(chǎn)生穩(wěn)恒電流.根據(jù)歐姆定律的微分形式j(luò)=σE可知，海水中將產(chǎn)生電場(chǎng).

2 靜電場(chǎng)隱身方法

2.1 結(jié)構(gòu)工藝

減小艦船靜電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)工藝可理解為艦艇主要電場(chǎng)源材料之間的電隔離工藝及用于降低艦艇電場(chǎng)源數(shù)量或強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)措施.采用的方法主要包括：合理使用電介質(zhì)材料和涂層、采用電隔離措施增大電場(chǎng)源的回路內(nèi)阻、減小異種金屬的數(shù)量及使用電極電位差小的金屬、合理屏蔽電場(chǎng)源等幾種方法.

2.2 外加電流補(bǔ)償技術(shù)

隨著艦船服役期的增長(zhǎng)，電絕緣層的老化將導(dǎo)致電隔離措施的性能大幅下降，仍然會(huì)產(chǎn)生腐蝕電場(chǎng).為了更有效地減小“船殼-海水-螺旋槳”回路產(chǎn)生的靜電場(chǎng)信號(hào)，可采用外加電流補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)一步降低靜電場(chǎng)信號(hào).外加電流補(bǔ)償技術(shù)的是通過(guò)外加與自然腐蝕相反的電流實(shí)現(xiàn)靜電場(chǎng)隱身的方法，其基本原理見(jiàn)圖1.其中，實(shí)線為腐蝕電流，虛線為補(bǔ)償電流，R為船殼和螺旋槳之間的內(nèi)部回路電阻.

圖1 電流補(bǔ)償技術(shù)原理圖

2.3 陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在艦船設(shè)計(jì)中，為防止船體腐蝕，艦船一般采用陰極保護(hù)技術(shù).但是，陰極保護(hù)技術(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的防腐電流，使艦船靜電場(chǎng)增大，影響靜電場(chǎng)隱身效果.為了兼顧防腐和電場(chǎng)隱身，可利用電場(chǎng)仿真計(jì)算軟件(如“CP Master”“PROCA”“COMCAP”和“BEASY”等)和縮比船模根據(jù)艦船的實(shí)際線型對(duì)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)和外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇參比電極和輔助陽(yáng)極或犧牲陽(yáng)極的位置和數(shù)量，在有效保護(hù)船體的前提下，使艦船腐蝕防護(hù)靜電場(chǎng)降低，其基本原理是使船體保護(hù)電流分布的更加均勻.

3 算 例

為了對(duì)比分析不同靜電場(chǎng)隱身技術(shù)的效果，同時(shí)厘清外加電流補(bǔ)償與陰極保護(hù)優(yōu)化之間的關(guān)系，利用邊界元軟件對(duì)一船舶在不同狀態(tài)時(shí)的水下靜電場(chǎng)及船體表面電位進(jìn)行仿真計(jì)算.其中，船長(zhǎng)L=130 m、寬B=15 m，吃水T=4 m，以船底部幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸指向船首方向，y軸指向左舷，z軸指向船體正上方.船首尾對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)分別為65，-65 m，船體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，船體表面材料為涂層破損率為2%的鋼，螺旋槳為鎳鋁青銅，船體及螺旋槳的極化曲線見(jiàn)圖3.

圖2 艦船結(jié)構(gòu)

圖3 不同材料的極化曲線

取海水電導(dǎo)率為4 S/m(海水深度60 m)，海底電導(dǎo)率為0.1 S/m，利用邊界元軟件分別計(jì)算不同狀態(tài)下的水下電場(chǎng)和船體表面電位值.

3.1 自然腐蝕

表1為自然腐蝕狀態(tài)下艦船龍骨正下方不同深度平面電場(chǎng)、電位峰-峰值.從已有資料可以知道，電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)如水雷等利用傳感器測(cè)量艦船周圍某兩點(diǎn)的電勢(shì)差[12-13]，目前電場(chǎng)引信水雷所采用的電極距通常在0.5～1 m，所得信號(hào)近似為電場(chǎng)信號(hào)，為此，文中采用電場(chǎng)|E|值作為評(píng)價(jià)指標(biāo).

表1 自然腐蝕狀態(tài)下電場(chǎng)、電位峰-峰值

由表1可知，自然腐蝕狀態(tài)下，艦船靜電場(chǎng)在近場(chǎng)可達(dá)mV/m的量級(jí)，極易被探測(cè)到.隨著水深的增大，艦船水下電場(chǎng)信號(hào)逐步減弱，這主要是點(diǎn)電荷電位及電場(chǎng)衰減特性決定的.

3.2 全船犧牲陽(yáng)極保護(hù)

犧牲陽(yáng)極保護(hù)是利用犧牲陽(yáng)極塊提供所需的陰極保護(hù)電流，使金屬結(jié)構(gòu)的電位達(dá)到陰極保護(hù)的最佳保護(hù)電位.由圖3可知，船體材料達(dá)到保護(hù)電位-0.80 V時(shí)的陰極極化電流密度為10 mA/m2左右，而螺旋槳材料的保護(hù)電位低于自平衡電位-100 mV時(shí)(此時(shí)電位為-480 mV)的陰極極化電流密度為500 mA/m2左右.

計(jì)算得到浸水面積為2 351.6 m2的船體需要的保護(hù)電流為23.5 A，而螺旋槳的保護(hù)電流為33.08 A，犧牲陽(yáng)極采用鋁基陽(yáng)極(尺寸為1 000 mm×120 mm×50 mm)，其輸出電流按照22.5 A/m2計(jì)算，得到陽(yáng)極的總面積為2.51 m2，從而估算出的陽(yáng)極塊個(gè)數(shù)為20塊.利用邊界元軟件仿真得到犧牲陽(yáng)極安裝的最佳位置，由于船體左右對(duì)稱，僅給出船體左舷犧牲陽(yáng)極安裝位置，見(jiàn)表2(序號(hào)由小至大依次代表由船尾至船首的犧牲陽(yáng)極)，此時(shí)全船犧牲陽(yáng)極總輸出電流為41.105 A.全船犧牲陽(yáng)極保護(hù)狀態(tài)下的龍骨正下方電場(chǎng)及電位峰峰值見(jiàn)表3.

由表3和表1可知，使用全船犧牲陽(yáng)極保護(hù)時(shí)，艦船水下靜電場(chǎng)相比自然腐蝕狀態(tài)增加將近3倍，靜電場(chǎng)隱身性能降低.這主要是由于在犧牲陽(yáng)極防腐狀態(tài)下，防腐電流的產(chǎn)生使螺旋槳電流得到大幅度提升的原因.

表2 犧牲陽(yáng)極塊安裝位置

表3 全船犧牲陽(yáng)極狀態(tài)下電場(chǎng)、電位峰-峰值

3.3 外加電流陰極保護(hù)及優(yōu)化

外加電流陰極防腐是由外部的直流源直接向被保護(hù)金屬通以陰極電流，使之陰極極化，達(dá)到陰極保護(hù)的目的.相比于犧牲陽(yáng)極法具有設(shè)計(jì)使用壽命長(zhǎng)，輸出電流、電位可調(diào)等優(yōu)點(diǎn).

3.3.1外加電流陰極保護(hù)

兩對(duì)輔助陽(yáng)極ICCP1和ICCP2均以龍骨為中線對(duì)稱分布，相對(duì)于艦船尾部的縱向距離分別為18.2 m和52.2 m，都在水線以下1.5 m.以船體剛好處于保護(hù)電位為目標(biāo)函數(shù)，利用邊界元軟件計(jì)算得到的電流值分別為：ICCP1=16.591 A和ICCP2=32.244 A，雙軸電流之和為35.94 A.龍骨正下方電場(chǎng)及電位峰峰值見(jiàn)表4.

表4 兩對(duì)輔助陽(yáng)極狀態(tài)下電場(chǎng)、電位峰-峰值

3.3.2外加電流陰極保護(hù)優(yōu)化

為了使船體表面電位更加均勻，采用多對(duì)輔助陽(yáng)極進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比分析其防腐及靜電場(chǎng)隱身效果.將船體劃分為三個(gè)區(qū)進(jìn)行保護(hù)，輔助陽(yáng)極由兩對(duì)增加至八對(duì)(四個(gè)陽(yáng)極變?yōu)?6個(gè)陽(yáng)極)，輔助陽(yáng)極關(guān)于龍骨左右對(duì)稱，給出左舷的輔助陽(yáng)極安裝位置及輸出電流值，見(jiàn)表5.

此電流條件下，雙軸電流和為51.39 A.龍骨正下方電場(chǎng)及電位峰峰值見(jiàn)表6.

表5 輔助陽(yáng)極安裝位置及電流值

表6 八對(duì)輔助陽(yáng)極狀態(tài)下電場(chǎng)、電位峰-峰值

由表4和表6可知，采用多對(duì)輔助陽(yáng)極后，電場(chǎng)值有所減小，以水深15 m平面為例，|E|的峰-峰值由3 475.06降低至2 451.24，降低幅度約30%，主要是由于增加多對(duì)輔助陽(yáng)極，使得船體表面電位更加均勻.但它對(duì)電場(chǎng)的降低是有限的，這主要是由于在陰極保護(hù)狀態(tài)下，螺旋槳電流得到大幅度提升的原因，且輔助陽(yáng)極的尺寸均遠(yuǎn)小于螺旋槳的尺寸，隨著距離的增大，輔助陽(yáng)極的電場(chǎng)值衰減較快，在遠(yuǎn)距離上，電場(chǎng)值主要取決于螺旋槳等效點(diǎn)電荷電場(chǎng)值的緣故.

由表3和表6可知，八對(duì)輔助陽(yáng)極和全船犧牲陽(yáng)極防腐時(shí)的水下電場(chǎng)大小基本相當(dāng).事實(shí)上，外加電流陰極保護(hù)和全船犧牲陽(yáng)極防腐在艦船隱身與防腐方面原理基本一致，但是由于犧牲陽(yáng)極輸出電流不可控，當(dāng)艦船涂層電阻、航速等外部條件改變時(shí)，其現(xiàn)有防腐與靜電場(chǎng)隱身的性能便不是最優(yōu)的.故多對(duì)輔助陽(yáng)極防腐的方法不僅能達(dá)到有效防腐的效果，也可以在防腐的前提下降低靜電場(chǎng)信號(hào).

3.4 外加電流補(bǔ)償

外加電流補(bǔ)償技術(shù)一般在螺旋槳正上方安裝補(bǔ)償陽(yáng)極，輸出補(bǔ)償電流.通過(guò)軟件仿真分析可得當(dāng)補(bǔ)償陽(yáng)極輸出電流為21.5 A時(shí)，艦船水下1B處?kù)o電場(chǎng)達(dá)到了最小值，此時(shí)的軸電流為21.98 A.龍骨正下方電場(chǎng)及電位峰峰值見(jiàn)表7.

表7 外加電流補(bǔ)償狀態(tài)下電場(chǎng)、電位峰-峰值

由表7可知，相對(duì)于自然腐蝕狀態(tài)，外加電流補(bǔ)償后，不同深度平面的電位U、電場(chǎng)|E|的峰-峰值均有所減小，但減小的比例不一致，且隨著水深的增大，補(bǔ)償后的電場(chǎng)值衰減的更快.以水深1.0B為例，電場(chǎng)減小了56%，電場(chǎng)隱身效果明顯.主要是由于外加電流補(bǔ)償了船體腐蝕產(chǎn)生的電流，使極值點(diǎn)的縱向距離縮短，即等效偶極矩的距離明顯減小，隨著距離的增大，靜電場(chǎng)抑制效果將明顯增大.

3.5 不同狀態(tài)電場(chǎng)及電位對(duì)比

圖4為幾種狀態(tài)下龍骨表面的電位，由圖4可知，自然腐蝕時(shí)，船體未處于保護(hù)電位(-800～-1 000 mV)，此時(shí)防腐效果最差.八對(duì)輔助陽(yáng)極保護(hù)相比兩對(duì)輔助陽(yáng)極以及全船犧牲陽(yáng)極保護(hù)，船體表面保護(hù)的更加均勻，防腐效果最佳.

圖4 不同狀態(tài)下龍骨表面的電位

相比于外加電流陰極保護(hù)，外加電流補(bǔ)償僅補(bǔ)償了船體產(chǎn)生的腐蝕電流，只有船體尾部和螺旋槳附近處于陰極保護(hù)狀態(tài)，而中部及首部位置只達(dá)到了自平衡電位，處于欠保護(hù)狀態(tài)，易造成腐蝕.

所以從陰極保護(hù)即艦船防腐的效果來(lái)看，多對(duì)輔助陽(yáng)極效果最優(yōu)，外加電流補(bǔ)償效果較差.

圖5為幾種狀態(tài)下水深15 m，正橫8 m的水下電位和電場(chǎng)信號(hào)，由圖5可知，外加電流補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)的靜電場(chǎng)信號(hào)最小，且大幅低于陰極保護(hù)優(yōu)化時(shí)的靜電場(chǎng)信號(hào).

圖5 不同狀態(tài)下水下電位信號(hào)和電場(chǎng)模值

所以從艦船靜電場(chǎng)隱身的角度來(lái)看，外加電流補(bǔ)償時(shí)的隱身效果最好.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

基于多對(duì)輔助陽(yáng)極的陰極保護(hù)優(yōu)化技術(shù)能夠使整個(gè)船體處于最佳防腐狀態(tài)，相比于優(yōu)化前的靜電場(chǎng)信號(hào)可達(dá)30%的抑制效果.

采用外加電流補(bǔ)償技術(shù)，可以使船體靜電場(chǎng)信號(hào)明顯低于陰極保護(hù)優(yōu)化狀態(tài)及自然腐蝕狀態(tài)，但是船體陰極保護(hù)不充分，會(huì)產(chǎn)生一定的腐蝕.

所以為了最大限度降低艦船靜電場(chǎng)信號(hào)，解決防腐與隱身的矛盾，實(shí)際使用中可采用兩種工作狀態(tài)模式：當(dāng)艦船通過(guò)疑似水雷區(qū)或電場(chǎng)探測(cè)裝置時(shí)，可采取外加電流補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行靜電場(chǎng)隱身；而在平時(shí)，則采用基于多對(duì)輔助陽(yáng)極的陰極保護(hù)優(yōu)化技術(shù).

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Stealth Method Research on Corrosion Related Electrostatic Field of Warship

YUPengJIANGRunxiangCHENGJinfang

(WeaponDepartment,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

In order to reduce ship electrostatic field to the greatest extent, the hull potential and underwater electrostatic field characteristics are compared and analyzed based on boundary element calculating software under four different conditions, natural corrosion, sacrificial anodes protection, advanced impressed-current cathodic protection and impressed-current compensation. The results show that the method based on impressed-current compensation can effectively decrease ship electrostatic field, but only the areas near ship tail and propeller are under cathodic protection. In order to realize the needs for anti-corrosion and stealth in electric field, the advanced impressed-current cathodic protection method is proposed for daily use and the impressed-current compensation method proposed for wartime use.

warship; Electrostatic field stealth; anti-corrosion; cathodic protection optimization; impressed-current compensation

U672.72

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.026

2017-09-16

喻鵬(1991—)：男，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)檐娪媚繕?biāo)特性探測(cè)、艦船電場(chǎng)

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51509252)