周 彤,余定峰,鄭攀峰,楊 帥

(武漢第二船舶設(shè)計研究所 海洋電磁探測與控制湖北省重點實驗室,湖北 武漢,430205)

0 引言

21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì),海洋船舶目標(biāo)電場特性研究已成為電場探測和電場隱身設(shè)計領(lǐng)域的熱門議題。近年來,國內(nèi)針對常規(guī)海域船舶電場特性開展了大量研究[1-8]。孫公毅等[1]基于正演模擬及小波系數(shù)分析確定閾值的小波閾值去噪方法壓制噪聲,利用合成的包含大地電磁信號、海流感應(yīng)電磁噪聲的極低頻信號進(jìn)行試驗。孫強等[2]利用邊界元仿真軟件研究了船舶在不同涂層破損率及破損位置情況下的水下電場變化趨勢和控制參量最佳值的變化趨勢。孫寶全等[3]研究了利用船舶靜電場信號對船舶進(jìn)行跟蹤定位的可行性。李越等[4]針對軸頻電場信號及環(huán)境電場噪聲信號在時域及頻域特點的不同,提出了采用Welch 法替代的一種改進(jìn)型檢測算法。卞強等[5]基于ANSYS有限元軟件建立了艦船的三維有限元模型,分析了船舶在周圍海水中形成的靜電場分布狀況。李俊等[6]對裝有外加電流陰極保護(hù)(impressed current cathodic protection,ICCP)系統(tǒng)的船舶進(jìn)行水下靜電場的邊界元建模,分別對2 種情況下船舶ICCP系統(tǒng)的電流輸出進(jìn)行優(yōu)化。張華等[7]基于目標(biāo)靜電場的基本特性,進(jìn)行了水中兵器制導(dǎo)方法的研究。劉春陽等[8]采用有限元法建立水下腐蝕靜電場模型,求解不同海洋環(huán)境因素下水下電場分布。余定峰等[9]通過有限元方法對水下航行器靜電場進(jìn)行了仿真建模及分析。

船舶金屬材料在海洋環(huán)境中的電化學(xué)特性是船舶電場特征產(chǎn)生過程的重要影響因素。長期以來,國內(nèi)多聚焦于常溫海水環(huán)境下的金屬材料電化學(xué)性能研究,對低溫海水環(huán)境下的金屬材料電化學(xué)特性的研究較少。海水溫度、鹽度等環(huán)境參數(shù)的變化會在不同程度上影響船舶主要金屬材料的電化學(xué)極化過程,從而導(dǎo)致船舶電場源分布與常規(guī)海域存在較大差異。

基于此,文中針對幾種典型的船舶主體材料,對其在低溫海水環(huán)境下的極化電位、極化曲線和極化電阻進(jìn)行研究,分析其電化學(xué)特性,為低溫海水環(huán)境下船舶電場特征控制和分析評估提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 試驗設(shè)計

1.1 樣件制作及測試過程

首先制作船用典型材料的試驗件,規(guī)格為直徑20 mm、高度19 mm 的圓柱體,留有一工作面,工作面積為1cm2,非工作面用環(huán)氧樹脂灌封,背面引出導(dǎo)線,利用萬用表檢測試驗件的導(dǎo)電性。在試驗開始之前,用砂紙將試驗件的工作面表面垂直打磨拋光,然后用無水乙醇擦拭干凈待用,試驗件實物見圖1。

電化學(xué)測試使用三電極體系,參比電極采用Ag/AgCl 電極,輔助電極采用鉑電極,工作電極即為待測試驗件。測試設(shè)備選用電化學(xué)工作站。將參比電極、輔助電極和工作電極插入電解池內(nèi)浸泡,3 個電極工作面保持在同一水平線上且互不接觸,在試驗過程中保持位置不動狀態(tài),將電化學(xué)工作站的電極電纜線套夾與對應(yīng)的電極相連,連接示意圖見圖2。

圖2 測試系統(tǒng)連接示意圖Fig.2 Connection diagram of test system

隨時間連續(xù)跟蹤試驗件的電位變化直至趨于穩(wěn)定,此時得到金屬試驗件的開路電位,然后進(jìn)行動電位掃描極化曲線測試,設(shè)置電位范圍-0.5～+0.5 V(相對于開路電位),掃描速率0.5 mV/s,掃描結(jié)束后得到極化曲線。需要注意的是,測試后的金屬樣品被加速極化,每次測試前需重新打磨擦拭,測試用電解液需重新配制。

1.2 環(huán)境因素影響設(shè)計

依照海洋壞境設(shè)置典型溫度分別為0、8 和25 ℃,設(shè)置電解液鹽度(即NaCl 質(zhì)量百分比)分別0.35%、2.00%和3.50%,分別改變以上控制變量[10],針對2 種船體常用高強鋼以及銅合金總共3 種金屬材料試驗件進(jìn)行27 次測試,試驗設(shè)計見表1。

2 試驗結(jié)果與分析

通過對比試驗結(jié)果,考察低溫海水環(huán)境對3 種試驗件的開路電位、極化曲線及極化電阻等的影響,得到金屬材料的電化學(xué)特性變化規(guī)律。

2.1 海水溫度對開路電位和極化曲線的影響

由Nernst 方程可知,金屬的電極電位與水溶液中離子的濃度(活度)和溫度有關(guān),電極電位是離子濃度(c離子)、溫度T及溶液pH 值的函數(shù)[11],即

一般而言,溫度降低使得溶液中的O2溶解度變高,含氧量變大,金屬的自腐蝕電位正移。

表2 為高強鋼1#在不同環(huán)境下的開路電位數(shù)值。通過對比可以看出,高強鋼1#穩(wěn)定開路電位隨海水溫度的降低而增大。

表2 不同環(huán)境下高強鋼1#開路電位Table 2 Open circuit potential of high-strength steel 1#under different environments

圖3～圖5 分別表示在鹽度0.35%、2%及3.5%的海水條件下,高強鋼1#在不同溫度(0、8、25 ℃)下的極化曲線。從各圖可以看出,高強鋼1#的自腐蝕電位(即實測陰極、陽極極化曲線的起點電位[11])隨著海水溫度的降低而正移,與表2 中的開路電位變化規(guī)律基本一致。

圖3 不同海水溫度下高強鋼1#極化曲線(海水鹽度0.35%)Fig.3 Polarization curves of high-strength steel 1# at different seawater temperatures(0.35% salinity)

圖4 不同海水溫度下高強鋼1#極化曲線(海水鹽度2%)Fig.4 Polarization curves of high-strength steel 1# at different seawater temperatures (2% salinity)

圖5 不同海水溫度下高強鋼1#極化曲線(海水鹽度3.5%)Fig.5 Polarization curves of high-strength steel 1# at different seawater temperatures (3.5% salinity)

表3 為高強鋼2#在不同環(huán)境下的開路電位數(shù)值。通過對比可以看出,高強鋼2#穩(wěn)定開路電位隨海水溫度的降低而增大。

圖6～圖8 分別表示在鹽度0.35%、2%及3.5%的海水條件下,高強鋼2#在不同溫度(0、8、25 ℃)下的極化曲線。從各圖可知,高強鋼2#的自腐蝕電位隨著海水溫度的降低而正移,與表3 中的開路電位變化規(guī)律基本一致。

圖6 不同海水溫度下高強鋼2#極化曲線(海水鹽度0.35%)Fig.6 Polarization curves of high-strength steel 2# at different seawater temperatures (0.35% salinity)

圖7 不同海水溫度下高強鋼2#極化曲線(海水鹽度2%)Fig.7 Polarization curves of high-strength steel 2# at different seawater temperatures (2% salinity)

圖8 不同海水溫度下高強鋼2#極化曲線(海水鹽度3.5%)Fig.8 Polarization curves of high-strength steel 2# at different seawater temperatures (3.5% salinity)

表4 為銅合金在不同環(huán)境下的開路電位數(shù)值。觀察實驗數(shù)據(jù)可以得到,在海水鹽度不同的情況下,銅合金穩(wěn)定開路電位隨海水溫度的變化略有不同。

表4 不同環(huán)境下銅合金開路電位Table 4 Open circuit potential of copper alloy under different environments

圖9～圖11 分別表示在鹽度0.35%、2%及3.5%的海水條件下,銅合金在不同溫度下(0 ℃、8 ℃、25 ℃)的極化曲線,從各圖中可知,銅合金的自腐蝕電位與表4 中的開路電位變化規(guī)律基本一致。

圖9 不同海水溫度下銅合金極化曲線(海水鹽度0.35%)Fig.9 Polarization curves of copper alloy at different seawater temperatures(0.35% salinity)

圖10 不同海水溫度下銅合金極化曲線(海水鹽度2%)Fig.10 Polarization curves of copper alloy at different seawater temperatures(2% salinity)

2.2 海水溫度/鹽度對極化電阻的影響

對線性極化數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,可以得到極化電阻 。極化電阻表示試樣對電極表面的電化學(xué)過程的阻抗大小,一般極化電阻越大,阻抗越大,電化學(xué)得失電子的過程越困難。電化學(xué)反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行,極化電阻隨時間的變化可以反映電化學(xué)反應(yīng)速率的變化,對腐蝕而言,極化電阻越大,則試樣耐腐蝕性能越好,也預(yù)示著電極表面的陽極過程越困難,溶解過程越緩慢。

以高強鋼1#在溫度0 ℃、鹽度0.35%海水條件的電流-電位曲線擬合為例(如圖12 所示),得到Rp金屬的極化電阻值。

圖12 溫度0 ℃、鹽度0.35%海水條件下高強鋼1#電流-電位曲線Fig.12 Current-potential curve of high-strength steel 1# in seawater of 0 ℃ and 0.35% salinity

高強鋼1#在不同環(huán)境下的極化電阻值見表5。對比數(shù)據(jù)可知,隨著海水溫度降低,極化電阻值變化不明顯,隨著海水鹽度減小,極化電阻值增大,表明電化學(xué)反應(yīng)過程中電荷經(jīng)過陽極和海水之間的轉(zhuǎn)移過程難度增大,即高強鋼1#試驗件的溶解活化程度變低[12]。

表5 不同環(huán)境下高強鋼1#極化電阻Table 5 Polarization resistance of high-strength steel 1#under different environments

高強鋼2#在不同環(huán)境下的極化電阻值見表6,對比數(shù)據(jù)可知,隨著海水鹽度減小,極化電阻值增大,即高強鋼2#試驗件的溶解活化程度變低。

表6 不同環(huán)境下高強鋼2#極化電阻Table 6 Polarization resistance of high-strength steel 2#under different environments

銅合金在不同環(huán)境下的極化電阻值見表7,對比數(shù)據(jù)可知,隨著海水鹽度減小,極化電阻值增大,即銅合金試驗件的溶解活化程度變低。

表7 不同環(huán)境下銅合金極化電阻Table 7 Polarization resistance of copper alloy under different environments

2.3 海水溫度對電場的影響分析

計算得出不同環(huán)境條件下的金屬電位差,見表8。

表8 不同環(huán)境下金屬電位差Table 8 Metal potential difference under different environments

總體而言,同樣的鹽度條件下,隨海水溫度降低,高強鋼1#與銅合金的電位差、高強鋼2#與銅合金的電位差均呈減小趨勢。

3 結(jié)束語

文中研究了3 種船舶用典型材料在低溫海水中的電化學(xué)性能,基于不同溫度及鹽度的變化,設(shè)計影響試驗分析環(huán)境因素對金屬開路電位、極化曲線及極化電阻的影響,主要工作及結(jié)論如下:

1) 2 種典型高強鋼材料的穩(wěn)定開路電位隨海水溫度的降低而增大,自腐蝕電位隨著海水溫度的降低而正移,與開路電位變化規(guī)律基本一致;

2) 3 種典型材料的極化電阻隨著海水鹽度減小而增大,溶解活化程度變低;

3) 其他條件不變時,隨海水溫度降低,高強鋼與銅合金的電位差呈減小趨勢,預(yù)計會使船舶電場強度變小。

文中主要針對靜態(tài)海水環(huán)境開展金屬的極化曲線測試及分析,后續(xù)將拓展研究流動海水環(huán)境中金屬的極化特性,進(jìn)而更好地服務(wù)于海上船舶電場特性研究。需要指出,文中重點考察典型金屬的開路電位、自腐蝕電位及極化曲線,利用試驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析金屬的其他電化學(xué)性能將是未來工作的重點。