汪裕明，譚起龍，田崇歡，陳東泉

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海200129）

0 引 言

船舶系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)管路是船舶動(dòng)力和輔助機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本保障，直接影響著船舶航行的安全性和續(xù)航能力，其中涉及的海水管路大多處于潮濕、高溫易腐蝕的惡劣環(huán)境中，腐蝕漏水的情況時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響著設(shè)備的正常使用。海水管路防腐防漏措施一直是管路制造和后期使用維護(hù)階段的重要研究課題。目前，國(guó)外對(duì)海水管路防腐蝕的研究主要以犧牲陽(yáng)極保護(hù)為主，犧牲陽(yáng)極主要采用犧牲鋅棒和犧牲短管的型式。犧牲鋅棒的缺點(diǎn)是鋅棒的腐蝕速度快，更換周期短；犧牲短管的缺點(diǎn)是犧牲短管腐蝕穿孔之后會(huì)造成艙內(nèi)浸水。我國(guó)的船舶海水管系雖然也主要采用犧牲陽(yáng)極的方式防護(hù)，但已應(yīng)用新型的犧牲陽(yáng)極保護(hù)器。目前，有關(guān)犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的布置原則和使用年限的理論研究還較少，因此需對(duì)犧牲陽(yáng)極的性能開(kāi)展研究，獲取犧牲陽(yáng)極領(lǐng)域更豐富的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用實(shí)踐。本文結(jié)合實(shí)船海水管系，對(duì)國(guó)內(nèi)新型犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的布置數(shù)量和保護(hù)年限計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)闡述，為實(shí)船安裝該類型保護(hù)器和確定換修檢驗(yàn)周期提供參考。

1 新型犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的原理、特點(diǎn)與安裝

1.1 電偶腐蝕原理［1］

電偶腐蝕實(shí)質(zhì)上是由不同金屬或合金電極構(gòu)成的宏觀原電池腐蝕。圖1為電偶腐蝕示意圖。船舶海水管系涉及的材料類型有很多，這些材料因自然腐蝕，其電位存在很大差異，當(dāng)在海水管路中共同使用時(shí)，很容易發(fā)生電偶腐蝕。由于海水的導(dǎo)電率很高，當(dāng)2種不同的金屬或合金在海水中腐蝕時(shí)，二者之間通常存在電位差，若二者互相接觸或電導(dǎo)通，該電位差即導(dǎo)致電子由電位較低的金屬流向電位較高的金屬。此時(shí)，電位較低的金屬因表面發(fā)生以氧化為主的電化學(xué)反應(yīng)而成為陽(yáng)極，電位較高的金屬因表面發(fā)生以還原反應(yīng)為主的電化學(xué)反應(yīng)而成為陰極。與未發(fā)生電偶腐蝕時(shí)相比，陽(yáng)極金屬因腐蝕溶解速度升高，電位較高的陽(yáng)極金屬因腐蝕速度下降或停止而受到保護(hù)。犧牲陽(yáng)極由電位較低的金屬材料制成，當(dāng)其與被保護(hù)的管道連接時(shí)，自身發(fā)生優(yōu)先離解，從而抑制管道腐蝕，故稱為犧牲陽(yáng)極。

圖1 電偶腐蝕示意圖

1.2 特點(diǎn)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)海水管路防腐蝕開(kāi)展了很多研究，考慮到材料、工藝和制造等因素之后，綜合分析現(xiàn)有的幾種犧牲陽(yáng)極，設(shè)計(jì)一種新型犧牲陽(yáng)極保護(hù)器。該保護(hù)器的結(jié)構(gòu)型式為圓筒型，內(nèi)徑與海水管路的內(nèi)徑相同，從而減少對(duì)整個(gè)海水系統(tǒng)流量和流速的影響；同時(shí)，避免犧牲陽(yáng)極部分過(guò)度受腐蝕，造成管路泄漏。保護(hù)器內(nèi)部選用新型合金陽(yáng)極材料，在起到防腐蝕效果的同時(shí)，延長(zhǎng)犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的使用壽命。該新型犧牲陽(yáng)極保護(hù)器相比常規(guī)型犧牲陽(yáng)極具有使用壽命長(zhǎng)和更換方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 安裝

新型犧牲陽(yáng)極保護(hù)器安裝示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 新型犧牲陽(yáng)極保護(hù)器安裝示意圖

1.4 材料

犧牲陽(yáng)極主要有鎂合金犧牲陽(yáng)極、鋁合金犧牲陽(yáng)極、鋅合金犧牲陽(yáng)極和鐵合金犧牲陽(yáng)極等4種。在當(dāng)前的陰極保護(hù)系統(tǒng)中，采用的犧牲陽(yáng)極材料是鎂、鋁和鋅基合金。從性能上看，這些材料相對(duì)于鐵基陽(yáng)極材料來(lái)說(shuō)，均具有足夠低的開(kāi)路電位，有效電位差大于200 mV。從電流效率方面看，鎂基合金最差，這是因?yàn)殒V的電位很低，其表面的局部腐蝕微電池具有極大的活性，自溶性高；其次是鋁基合金，這是因?yàn)殇X易鈍化，其表面易形成氧化膜，雖能通過(guò)合金化得到改善，但仍存在非均勻溶解；鋅和鋅基合金的電流效率要好些，但其對(duì)雜質(zhì)的影響敏感。鋅含量大于99.995%的純鋅和鐵含量小于0.001 4%的高純鋅才可直接作為犧牲陽(yáng)極使用。即使可通過(guò)合金化消除雜質(zhì)的影響，鐵、銅和鉛等物質(zhì)的最大含量仍需小于0.005%，這無(wú)疑會(huì)增加鋅陽(yáng)極的制造難度，相應(yīng)會(huì)增加成本。鐵合金犧牲陽(yáng)極性能，其陽(yáng)極開(kāi)路電位可根據(jù)在海水中的穩(wěn)定電位序表得到，自然腐蝕電位約為-700 mV，保護(hù)電位為-850 mV，紫銅的自然腐蝕電位約為-240 mV，B10銅鎳合金管的自然腐蝕電位還要高一些，它們的保護(hù)電位為-450 mV，即用鐵合金陽(yáng)極保護(hù)銅鎳合金海水管路，犧牲陽(yáng)極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)之間至少有460 mV的電位差，相對(duì)于鉛、錫和銅等電位更高的合金來(lái)說(shuō)，已有足夠低的開(kāi)路電位，有效電位差可大于200 mV。鐵的電流效率不會(huì)太低，因?yàn)殍F的電位較高，在中性液中主要是吸氧腐蝕，對(duì)陰極夾雜不敏感，自溶性也小；同時(shí)，鐵的自鈍化傾向小于鋁，其均勻溶解性優(yōu)于鋁。從使用環(huán)境方面看：鎂合金因其開(kāi)路電位較低，有效電位差較大，可適用于電阻率高的水和土壤環(huán)境；鋅和鋁合金適用于電阻率小的海洋環(huán)境介質(zhì)。綜上所述，鐵合金犧牲陽(yáng)極具有更適宜的驅(qū)動(dòng)電位，其除了對(duì)B10有電化學(xué)保護(hù)作用之外，溶解下來(lái)的鐵離子還能在銅合金表面形成富鐵保護(hù)膜，從而降低陰極保護(hù)有效區(qū)段內(nèi)的保護(hù)電流輸出，減少陽(yáng)極消耗，延長(zhǎng)陽(yáng)極使用壽命，并緩解距陽(yáng)極較遠(yuǎn)的B10管表面的腐蝕。此外，鐵合金犧牲陽(yáng)極的電流效率性能更優(yōu)，在海水中恒定保持均勻溶解狀態(tài)，受水質(zhì)的影響較小，無(wú)晶間腐蝕敏感性；鐵合金犧牲陽(yáng)極資源豐富，價(jià)格低廉，可顯著降低B10管路的防腐蝕費(fèi)用。因此，用鐵合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)B10銅鎳合金管，從理論上看是最優(yōu)的。表1為各種材料犧牲陽(yáng)極電容量。

表1 各種材料犧牲陽(yáng)極電容量

1.5 鐵合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)器參數(shù)

鐵合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)器參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鐵合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)器參數(shù)

2 計(jì)算實(shí)例

以某船的B10海水消防管路系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，該系統(tǒng)通過(guò)機(jī)艙內(nèi)的2臺(tái)消防泵與船首的1臺(tái)應(yīng)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種規(guī)格。系統(tǒng)采用鐵合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)器。

2.1 3種規(guī)格的犧牲陽(yáng)極保護(hù)器發(fā)生電流量計(jì)算

2.1.1 犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的接水電阻

犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的接水電阻R為

式（1）中：ρ為海水電阻率，一般取ρ＝25 Ω˙cm。

1）DN125犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的長(zhǎng)度L＝10 cm，寬度B＝39.878 cm，由式（1）可得其接水電阻R＝0.5 Ω；

2）DN100犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的長(zhǎng)度L＝10 cm，寬度B＝31.42 cm，由式（1）可得其接水電阻R＝0.6 Ω；

3）DN80犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的長(zhǎng)度L＝10 cm；寬度B＝25.13 cm，由式（1）可得其接水電阻R＝0.71 Ω。

2.1.2 犧牲陽(yáng)極保護(hù)器發(fā)生電流量

犧牲陽(yáng)極保護(hù)器發(fā)生電流量I為

式（2）中：ΔE為犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的驅(qū)動(dòng)電壓，鐵合金犧牲陽(yáng)極取0.25 V；R為犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的接水電阻，見(jiàn)第2.1.1節(jié)。

1）DN125犧牲保護(hù)器的發(fā)生電流量I＝ΔE／R＝0.5 A；

2）DN100犧牲保護(hù)器的發(fā)生電流量I＝ΔE／R＝0.417 A；

3）DN80犧牲保護(hù)器的發(fā)生電流量I＝ΔE／R＝0.352 A。

2.2 二甲板管路長(zhǎng)度估算

圖3為二甲板消防管路布置圖。管路通徑為DN125，規(guī)格為?133×2.5，管材為B10銅鎳合金材料。經(jīng)測(cè)量，該管系總長(zhǎng)220 m，左右舷各長(zhǎng)100 m，連通管長(zhǎng)20 m（計(jì)算時(shí)因海水箱已設(shè)置海水管系防污防腐裝置，故泵前管路不計(jì)算，二甲板管路中的隔離閥件默認(rèn)為管路）。

圖3 二甲板消防管路布置圖

按照?qǐng)D3，∑L（DN125）管路長(zhǎng)度為240 m（DN125），∑L（DN100）管路長(zhǎng)度為20 m（DN125）。

2.3 全部管路的犧牲陽(yáng)極保護(hù)器數(shù)量

管路需要的犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的總數(shù)量N為

式（3）中：I為保護(hù)電流密度；S為管路浸水面積；I為犧牲陽(yáng)極保護(hù)器發(fā)生電流量。

圖3中，DN125管路浸水面積為

DN100管路浸水面積為

式（4）和式（5）中：D為管路內(nèi)徑；L為管路長(zhǎng)度。

管路浸水總面積為

圖3中管路需要的犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的總數(shù)量為

式（7）中：I為保護(hù)電流密度，為54.1 mA／m；S為管路浸水面積，為101.98 m；I為犧牲陽(yáng)極保護(hù)器發(fā)生電流量，為0.5 A。設(shè)置DN125共10套；DN100共1套。

按上述計(jì)算結(jié)果，該泵出口至二甲板管路中設(shè)置的犧牲陽(yáng)極數(shù)量為11套，其布置見(jiàn)圖4。

圖4 二甲板海水系統(tǒng)的犧牲陽(yáng)極保護(hù)器管路圖

2.4 犧牲陽(yáng)極保護(hù)器保護(hù)年限計(jì)算

犧牲陽(yáng)極保護(hù)器保護(hù)年限的計(jì)算公式為

式（8）中：Y為犧牲陽(yáng)極保護(hù)器保護(hù)年限；U為犧牲陽(yáng)極利用系數(shù)，取0.8；C為犧牲陽(yáng)極消耗率；I為平均發(fā)生電流量。

2.4.1 單套鐵合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)器保護(hù)年限

鐵合金犧牲陽(yáng)極的消耗率C為

式（15）中：Q為鐵合金犧牲陽(yáng)極電容量，取930 Ah／kg；8 760 h為1 a的小時(shí)數(shù)。

二甲板11套鐵合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)器單套的保護(hù)年限Y為

式（10）中：U為犧牲陽(yáng)極利用系數(shù)（取0.8）；C為犧牲陽(yáng)極消耗率；I為平均發(fā)生電流量，0.75I＝0.375 A；M為單個(gè)DN125犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的質(zhì)量，7 kg。

二甲板11套鐵合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)器單套的保護(hù)年限Y為

式（17）中：U為犧牲陽(yáng)極利用系數(shù)，取0.8；C為犧牲陽(yáng)極消耗率；I為平均發(fā)生電流量，0.75I＝0.312 A；M為單個(gè)DN100犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的質(zhì)量，5.58 kg。

綜合分析：二甲板11套鐵合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)器單套的保護(hù)年限Y和Y取小值，為1.52 a。

2.4.2 犧牲陽(yáng)極的總數(shù)量

計(jì)算系統(tǒng)管路要求達(dá)到20 a保護(hù)年限所需的犧牲陽(yáng)極的總數(shù)量為

式（12）中：N為管路需要犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的總數(shù)量；M為單個(gè)犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的質(zhì)量；I′為全船平均保護(hù)電流數(shù)值，I′＝（0.7∽0.8）I；C為犧牲陽(yáng)極消耗率；Y′為全船犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的保護(hù)年限；U為犧牲陽(yáng)極利用系數(shù)，0.8。

原來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)二甲板布置11套犧牲陽(yáng)極保護(hù)器，故總數(shù)量為11的倍數(shù)，取154套。

若使二甲板管路中的犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)保護(hù)期限達(dá)到20 a，共需要犧牲陽(yáng)極154套。按20 a期限計(jì)算的總數(shù)量采購(gòu)。當(dāng)這些保護(hù)器達(dá)到相應(yīng)的使用期限之后，根據(jù)檢查螺栓檢查結(jié)果進(jìn)行更換。

3 結(jié) 語(yǔ)

船舶海水管系承擔(dān)著冷卻主輔機(jī)、消防、壓載和清洗等任務(wù)，在保證船舶主要設(shè)備正常運(yùn)行及安全、船舶平衡等方面起著重要作用。海水管系輸送的均為海水，致使海水管系必然面臨著腐蝕嚴(yán)重的問(wèn)題，從而影響設(shè)備的正常運(yùn)行和船舶的安全運(yùn)行，大量維修也造成了人力和物力上的損失。因此，開(kāi)展海水管路的犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)研究具有重要意義。以往類似設(shè)計(jì)通常采用估算法，不僅不能對(duì)設(shè)計(jì)成本進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，而且已不適應(yīng)當(dāng)前的數(shù)字造船要求。本文對(duì)船舶B10管路新型犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的布置數(shù)量和保護(hù)年限進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，通過(guò)計(jì)算可準(zhǔn)確得出海水管路需要布置犧牲陽(yáng)極保護(hù)器的數(shù)量和管路中設(shè)置的陽(yáng)極保護(hù)器的保護(hù)期限，為犧牲陽(yáng)極的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。雖然現(xiàn)代船舶在航率更高、服役工況更復(fù)雜的環(huán)境中遭受的腐蝕破壞作用更強(qiáng)，但通過(guò)采取合理設(shè)計(jì)選材、設(shè)置新型犧牲陽(yáng)極保護(hù)器等一系列防腐蝕措施，一定能有效解決海水管路系統(tǒng)海水電化學(xué)腐蝕和電偶腐蝕等問(wèn)題，保障船舶海水系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。