譚 浩，陳 聰，沈 濱

(1.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部，湖北 武漢 430033；3.武漢東湖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430212)

聲場(chǎng)和磁場(chǎng)一直都是水下目標(biāo)探測(cè)主要的信號(hào)特征源，但是消聲降噪和消磁技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，使得探測(cè)這兩種物理場(chǎng)信號(hào)的難度不斷增大，于是海水中的電場(chǎng)信號(hào)逐漸受到了更大的關(guān)注，因?yàn)闊o(wú)論船舶是靜止還是運(yùn)動(dòng)，其周圍海水中都存在電場(chǎng)[1]。傳感器和信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)使水下的電場(chǎng)成為除聲場(chǎng)和磁場(chǎng)外另一個(gè)重要的暴露源[2]。

船體由金屬構(gòu)成，主要成分方面，船身是鋼，螺旋槳是銅。海水中，鋼和銅因極化電位不同而產(chǎn)生的腐蝕電流和陰極保護(hù)(Cathodic Protection，CP)系統(tǒng)輸出的防腐電流會(huì)經(jīng)海水由船殼流向螺旋槳，再通過(guò)螺旋槳主軸及各機(jī)械部件流回船殼形成回路，從而在海水中產(chǎn)生0.1 Hz以下的準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)[1]，如圖1所示。如果船身防腐涂層不均勻，也會(huì)造成局部腐蝕更加劇烈，那么腐蝕電流也會(huì)在船身的不同區(qū)域之間形成“船殼腐蝕區(qū)域—海水—犧牲陽(yáng)極”回路。而靜態(tài)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)螺旋槳的調(diào)制，還會(huì)形成頻率與螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致的軸頻電場(chǎng)，其信號(hào)的頻譜特征明顯，也容易成為船舶水下的暴露源[3-5]。

圖1 產(chǎn)生水下電場(chǎng)的電流回路Fig.1 Current loop of electrostatic field underwater

總的來(lái)說(shuō)，船體的腐蝕和水下電場(chǎng)的形成是由于船殼不同金屬成分的極化電位存在差異，因此，船身電位的均勻化程度就能夠影響船體的腐蝕狀況和水下的電場(chǎng)目標(biāo)特征。

本文主要針對(duì)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化在船身電位均勻化方面能夠起到的作用進(jìn)行研究。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)也稱被動(dòng)陰極保護(hù)(Passive Cathodic Protection，PCP)系統(tǒng)，其工作原理是將極化電位較低的金屬(如犧牲陽(yáng)極Zn等)與被保護(hù)的金屬(如構(gòu)成船體的Fe和Cu等)相連，通過(guò)犧牲陽(yáng)極的腐蝕所產(chǎn)生的電流來(lái)保護(hù)船殼。因此，犧牲陽(yáng)極的數(shù)量與分布能夠改變船體表面的電位分布，進(jìn)而影響水下電場(chǎng)的目標(biāo)特征。

1 邊界元模型

為了計(jì)算船身電位均勻化對(duì)船體防腐和水下電場(chǎng)的抑制作用，采用邊界元法建立了計(jì)算模型。模型中，海水視為均勻且連續(xù)的電解質(zhì)，電導(dǎo)率為4 S/m，其中不存在凈電荷，所以靜電場(chǎng)服從Lapace方程[6]。船體表面電位和電流之間的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的極化曲線決定。

海床和空氣的電導(dǎo)率相對(duì)于海水而言非常低，如果海水很深，則可以近似認(rèn)為海床-海水界面不存在電流；一般航行狀態(tài)下場(chǎng)源在空氣-海水界面附近，可用鏡像法求解[7]；犧牲陽(yáng)極可視為恒電位源；船身為陰極表面(分為涂層保護(hù)區(qū)域與涂層脫落區(qū)域兩種情況)，以材料的電極化方程或極化曲線作為邊界條件；絕緣部位可認(rèn)為電流為0且電位值已知。

船身材料為鋼(有涂層覆蓋)，螺旋槳為銅(無(wú)涂層覆蓋)，水下部分長(zhǎng)約117 m，寬約15.6 m，最深處約6.7 m。場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量平面為邊長(zhǎng)400 m的正方形，位于船體下方50 m深處。設(shè)置以龍骨為軸呈對(duì)稱分布的四塊涂層完全脫落的區(qū)域，靠近船頭兩塊區(qū)域面積約為6.4 m2，靠近船尾兩塊區(qū)域面積約為3.3 m2，畫點(diǎn)單元區(qū)域添加18塊犧牲陽(yáng)極，如圖2所示。

圖2 船體水下模型Fig.2 Model of the ship underwater

2 電位均勻化對(duì)防腐和水下電場(chǎng)的作用

由以上模型，分別計(jì)算得到船體自然腐蝕和PCP系統(tǒng)防腐兩種情況下的船身電位分布和測(cè)量平面電流密度的分布，計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。用電流密度表征測(cè)量平面電場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)在于更利于分析不同的特征量：其分布反映了水下電位變化的梯度，與電導(dǎo)率的比值則為電場(chǎng)強(qiáng)度的值。

圖3 自然腐蝕的船殼電位分布Fig.3 Potential distributing of the ship in natural corrosion

計(jì)算結(jié)果表明，自然腐蝕時(shí)的船身電位基本處于-610～-520 mV之間，高于保護(hù)區(qū)間-1 100～-800 mV，腐蝕區(qū)域與螺旋槳之間的電位差達(dá)到了170 mV左右，所以船體處于腐蝕狀態(tài)；而PCP系統(tǒng)防腐時(shí)，船身電位基本處于-840～-770 mV之間，腐蝕區(qū)域與螺旋槳之間的電位差也減小到100 mV左右，腐蝕狀況得以緩解。水下的測(cè)量平面處，參考Y方向的電流密度，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖6 PCP防腐的測(cè)量點(diǎn)電流密度Fig.6 Current density underwater of the ship in PCP anticorrosion

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著正橫距的增大，靜電場(chǎng)信號(hào)的幅值衰減較快，且在同一水深條件下，正橫距為0B和0.5B(B為船寬)、1.0B的信號(hào)明顯大于1.5B和2.0B的信號(hào)，所以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)對(duì)正橫為0B、0.5B和1.0B的電場(chǎng)峰-峰值進(jìn)行分析。

由圖5和圖6還能夠發(fā)現(xiàn)，自然腐蝕時(shí)測(cè)量平面的電流密度峰值達(dá)到了約0.28 mA/m2，而PCP防腐后峰值則減小到0.23 mA/m2左右。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，盡管添加PCP系統(tǒng)后會(huì)增大防腐電流，但是，只要針對(duì)陽(yáng)極的數(shù)量和分布進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，就能夠在起到防腐作用的同時(shí)對(duì)水下電場(chǎng)的目標(biāo)特征產(chǎn)生抑制作用。

3 優(yōu)化PCP系統(tǒng)

電解液中，陰極的腐蝕程度與陰、陽(yáng)兩極的極化電位差關(guān)系密切，所產(chǎn)生的腐蝕電流與水下電場(chǎng)的大小趨勢(shì)一致。而船殼的涂層狀況如果并不均勻，甚至出現(xiàn)局部脫落的情況則會(huì)增大電位差。由于船身電位相對(duì)于水下的電場(chǎng)信號(hào)更易測(cè)量，對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化可致力于船身電位均勻化的目標(biāo)上[8]。

當(dāng)犧牲陽(yáng)極的數(shù)量較少時(shí)，如圖7左半部分所示，假設(shè)犧牲陽(yáng)極的數(shù)量只有1個(gè)，為對(duì)腐蝕區(qū)域起到保護(hù)作用，防腐電流就需要保持一定的強(qiáng)度；如果適當(dāng)增加陽(yáng)極數(shù)量，如圖7右半部所示，為達(dá)到與左半部分相同的防腐效果，所需的防腐電流可由多個(gè)陽(yáng)極共同提供，各個(gè)陽(yáng)極的輸出都會(huì)相對(duì)減小，若同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)防腐區(qū)域，電流所途經(jīng)的距離也會(huì)相對(duì)縮短。因此，陽(yáng)極數(shù)量適當(dāng)增多時(shí)，船身電位的均勻化程度會(huì)得到提高，這樣就能夠在防腐的同時(shí)起到減弱水下靜電場(chǎng)的作用。這也就是陰極保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化原則。

圖7 PCP系統(tǒng)優(yōu)化示意圖Fig.7 Sketch of optimization in PCP system

根據(jù)以上優(yōu)化原則，在圖2模型中設(shè)置78塊犧牲陽(yáng)極，如圖8所示，計(jì)算得到船身與水下的情況如圖9和圖10所示。

圖8 添加犧牲陽(yáng)極的船體水下部分Fig.8 Underwater part of the ship with more sacrificial anodes

圖9 添加犧牲陽(yáng)極后的船身電位Fig.9 Potential of the ship with more sacrificial anodes

圖10 添加犧牲陽(yáng)極后的測(cè)量點(diǎn)電流密度Fig.10 Current density underwater of the ship in PCP anticorrosion with more sacrificial anodes

可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的船身電位基本處于-1 050～-960 mV之間，電位差進(jìn)一步減小至約60 mV，起到了較好的船體防腐作用；同時(shí)，水下電流密度的峰值也降低到0.20 mA/m2以下，低于優(yōu)化前的水平?？梢?jiàn)，優(yōu)化后不僅增強(qiáng)了防腐功能，而且盡管犧牲陽(yáng)極的數(shù)量增加了，水下靜電場(chǎng)依然得到了進(jìn)一步的抑制。

4 實(shí)驗(yàn)室船模實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)水池進(jìn)行了船模實(shí)驗(yàn)，坐標(biāo)方向選取與仿真相同的方向。

實(shí)驗(yàn)水池長(zhǎng)、寬和深分別為12 m、7 m和1.2 m。船模長(zhǎng)272 cm，寬34 cm，吃水9.14 cm，船體的材料為鋼，螺旋槳為鎳鋁青銅，部分區(qū)域?yàn)榻^緣材料，美人架為鋼。船模螺旋槳的轉(zhuǎn)軸上安裝有滑動(dòng)變阻器，通過(guò)調(diào)整其阻值來(lái)模擬船殼整體的涂層完好程度。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，船用漆僅涂一層，并利用刀片在船體增加幾處破損位置。實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.11 Schematic diagram of the experiment

按照模型的縮比狀況配置人工海水，海水電導(dǎo)率設(shè)置為2.61 S/m，船模吃水深度約為9.2 cm。電場(chǎng)測(cè)量傳感器為低噪聲全固態(tài)Ag/AgCl電極，距離水面的深度同樣按照相同比例進(jìn)行縮比，布置于水下1.0B的深度，在該深度上分別測(cè)量正橫距0B、0.5B、1.0B測(cè)線上的電場(chǎng)信號(hào)。

為了能夠有效測(cè)量水下電場(chǎng)信號(hào)，研制了低噪聲電場(chǎng)放大器，信號(hào)帶寬為0～0.5 Hz，前置放大器增益為60 dB，在0.1～10 Hz范圍內(nèi)，噪聲峰-峰值小于1 μV/m。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別采用局部(減搖鰭、美人架和螺旋槳)犧牲陽(yáng)極防腐(6個(gè)Zn塊)和全船犧牲陽(yáng)極防腐(16個(gè)Zn塊)來(lái)對(duì)比兩種情況下的船身電位和水下電場(chǎng)特征，其中全船防腐多出的10個(gè)Zn塊基本均勻布置于船底(如此設(shè)計(jì)犧牲陽(yáng)極的數(shù)量和位置只是相對(duì)于局部而言定性地預(yù)計(jì)能夠使電位更加均勻，是否為最佳的優(yōu)化方案則需要通過(guò)邊界元建模進(jìn)行定量計(jì)算)。將測(cè)量電極布放于水池中央，利用電機(jī)拖動(dòng)裝置調(diào)整縮比船模的運(yùn)動(dòng)速度，船模螺旋槳旋轉(zhuǎn)螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)速度分別為61 r/min、90 r/min、140 r/min和240 r/min，對(duì)應(yīng)的船模行進(jìn)速度分別約為：6.70 cm/s、10.08 cm/s、17.14 cm/s和26.60 cm/s。

在不同航速、不同涂層完好程度下測(cè)量到的軸電流、參比電極電位和不同正橫距的電場(chǎng)峰-峰值在局部PCP防腐和整體PCP防腐兩種狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表1和表2所示。

其中，由于電極尺寸相對(duì)于船模而言較大，且由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，電極難以完全固定于船身，船模在行進(jìn)過(guò)程中會(huì)造成電極的晃動(dòng)甚至脫落，水流也會(huì)導(dǎo)致電極極化的不穩(wěn)定，所以船身電位僅用參比電極進(jìn)行總體的表征，用來(lái)判定船模整體是否處于保護(hù)區(qū)間，參比電極安裝于船底幾何中心位置。

對(duì)比表1和表2中參比電極的電位可以發(fā)現(xiàn)，局部PCP防腐和整體PCP防腐兩種情況下，參比電極的電位基本上位于保護(hù)區(qū)間內(nèi)，說(shuō)明兩種狀態(tài)下都對(duì)船體起到了較好的防腐作用。而整體防腐時(shí)參比電極的電位相對(duì)更低，說(shuō)明犧牲陽(yáng)極數(shù)量的增多會(huì)使防腐電流增大，起到了更好的防腐效果。當(dāng)然，如果犧牲陽(yáng)極的數(shù)量過(guò)多，會(huì)造成船體的過(guò)保護(hù)，也會(huì)增大水下電場(chǎng)的強(qiáng)度，所以犧牲陽(yáng)極的數(shù)量需要通過(guò)對(duì)船體的大小、結(jié)構(gòu)和材料等具體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后才能確定。

要判斷防腐電流的增大是否必然導(dǎo)致水下電場(chǎng)目標(biāo)特征的增強(qiáng)，可以考察變阻器阻值和航速相同時(shí)，兩種防腐狀態(tài)在水下產(chǎn)生的電位峰-峰值。由表1和表2可知，涂層完好程度相同時(shí)相同的測(cè)量點(diǎn)在絕大部分情況下，整體防腐的電場(chǎng)峰-峰值相對(duì)于局部防腐時(shí)的值更低，這說(shuō)明犧牲陽(yáng)極的增多盡管會(huì)增大防腐電流，但是通過(guò)合理優(yōu)化犧牲陽(yáng)極的個(gè)數(shù)和位置，可以在保證防腐的條件下，達(dá)到降低艦船電場(chǎng)的目的，而其中優(yōu)化的原則與仿真計(jì)算時(shí)的原理是一致的——盡可能使多個(gè)犧牲陽(yáng)極去保護(hù)同一塊腐蝕區(qū)域，雖然總的防腐電流會(huì)增大，但是每個(gè)防腐模塊輸出的電流則會(huì)相對(duì)減小，從而使得整個(gè)船體的電位更加均勻并使水下電場(chǎng)得到抑制。

由表1和表2還能夠看出，在相同的航速下隨著涂層電阻的增大，軸電流逐漸減小，而水下電場(chǎng)值卻呈上升趨勢(shì)，這與通常對(duì)船舶水下電場(chǎng)成因的電流走向的認(rèn)識(shí)存在出入。經(jīng)分析，由于存在數(shù)量較多的犧牲陽(yáng)極，其極化電位相對(duì)于船殼腐蝕區(qū)域和螺旋槳的電位更低，所以經(jīng)海水流向螺旋槳及轉(zhuǎn)軸的腐蝕和防腐電流都會(huì)降低，更多的電流會(huì)直接經(jīng)過(guò)犧牲陽(yáng)極和腐蝕區(qū)域或在犧牲陽(yáng)極之間直接流進(jìn)海水。

另外，隨著變阻器阻值的增大，軸電流呈下降趨勢(shì)，這一點(diǎn)是正常的，表明涂層越完好，產(chǎn)生電場(chǎng)回路中的電流在減小。不過(guò)對(duì)于局部防腐，涂層破損較高時(shí)，隨著航速的增加，軸電流呈下降趨勢(shì)；涂層較為完好時(shí)，隨著航速的增加，軸電流呈上升趨勢(shì)；而整體防腐時(shí)，在相同的涂層下，隨著航速的增加，軸電流的變化卻不大。分析其中的原因在于：航速的加大會(huì)使材料的去極化作用增大、極化電阻減小。局部防腐時(shí)，如果變阻器阻值較小，電流主要經(jīng)“船殼—海水—螺旋槳”完成回路，所以航速提高帶來(lái)的去極化作用對(duì)軸電流的影響比較大；如果變阻器阻值增大，則“船殼—海水—螺旋槳”回路中的電流會(huì)有一部分分流到“船殼腐蝕區(qū)域—海水—犧牲陽(yáng)極”回路，所以去極化作用對(duì)軸電流的影響被弱化；到了整體防腐，由于犧牲陽(yáng)極的數(shù)量增多，“船殼—海水—螺旋槳”回路中的電流會(huì)進(jìn)一步減小，去極化作用對(duì)軸電流的影響則進(jìn)一步被弱化。

5 結(jié)論與展望

本文通過(guò)仿真計(jì)算，分析了PCP系統(tǒng)犧牲陽(yáng)極的數(shù)量和分布對(duì)船身電位和水下電場(chǎng)的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，以保持船身電位的均勻?yàn)槟繕?biāo)對(duì)PCP系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能夠同時(shí)起到防腐和抑制水下電場(chǎng)的功能，且相對(duì)于以水下電場(chǎng)的抑制為目標(biāo)的優(yōu)化方式，本文方法更加便于測(cè)量與評(píng)估優(yōu)化效果的實(shí)際操作。

不過(guò)，由于PCP系統(tǒng)在安裝完成后不易更改其犧牲陽(yáng)極的分布，且由表1和表2可知，隨著涂層狀態(tài)的改變，盡管犧牲陽(yáng)極在短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有太大變化，但是水下的電場(chǎng)信號(hào)卻依然是變化的，這就說(shuō)明犧牲陽(yáng)極輸出的防腐電流僅受環(huán)境因素影響(如溫度、海水電導(dǎo)率、船殼腐蝕狀況甚至航速等)，難以人為的控制，且電流輸出不穩(wěn)定。而且，隨著犧牲陽(yáng)極的不斷腐蝕，也需要定期更換陽(yáng)極塊，這些都是PCP系統(tǒng)存在的缺陷。

相較而言，PCP系統(tǒng)的防腐電流相當(dāng)于“恒壓輸出”，而外加電流陰極保護(hù)(Impressed Current Cathodic Protection，ICCP)系統(tǒng)的防腐電流則相當(dāng)于“恒流輸出”。盡管在建造完成后，兩種陰極保護(hù)系統(tǒng)中陽(yáng)極的數(shù)量和位置都難以改變，但I(xiàn)CCP系統(tǒng)防腐電流的輸出更加易于人為控制和監(jiān)測(cè)，只要維持每個(gè)輔助陽(yáng)極輸出電流與犧牲陽(yáng)極的輸出電流一致，則仍然可以達(dá)到防腐和控制水下電場(chǎng)的目的。

所以，為了使船舶在不同海域、不同航速、不同涂層狀態(tài)下均能得到有效的保護(hù)且能夠抑制水下電場(chǎng)的目標(biāo)特征，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)ICCP系統(tǒng)開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)ICCP為主、PCP為輔的一套系統(tǒng)，這也是下一步的研究重點(diǎn)。