劉華軍

應(yīng)用研究

船舶雜散電流腐蝕問題及其防護(hù)

劉華軍

（黃海造船有限公司，山東威海 264300）

在船舶和海洋工程中，有許多常見的腐蝕問題，尤其是雜散型電流的侵蝕。雜散電流的侵蝕一直是世界各國船舶工業(yè)共同面臨的問題，無論是造船業(yè)比較發(fā)達(dá)的日本、歐洲等國，還是一些落后的國家，都存在著腐蝕問題，給造船業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為了解決上述問題，本文首先分析了船舶中雜散電流產(chǎn)生的原因，介紹了船舶腐蝕的類型和特征原理，然后對(duì)雜散電流腐蝕的防護(hù)方法展開研究，最后分析得出：目前船舶雜散電流腐蝕主要是在船上進(jìn)行焊接作業(yè)造成的，采用雙線路供電焊接方法、焊機(jī)上船方法、犧牲陽極排流方法、排流導(dǎo)線等方法可以避免或減少雜散電流對(duì)船體的侵蝕，也具有較好的防腐蝕效果，對(duì)于船舶的防腐蝕具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

船舶工程 雜散電流腐蝕 防護(hù)措施

0 引言

船舶在建造過程中，要在港口停留比較長的時(shí)間，因此很容易受到雜散電流的腐蝕。由于船舶的建設(shè)與維修，必須采用電焊機(jī)等電力設(shè)施，而這些電力裝置往往因?yàn)槟承┰驎?huì)發(fā)生漏電現(xiàn)象，這部分泄漏的電流會(huì)導(dǎo)致船身的腐蝕。此外，在港口周圍還會(huì)有電力設(shè)施，也就是海岸電力，它們會(huì)在船只周圍形成一個(gè)不均勻的電場，在電勢梯度的作用下，導(dǎo)體（船體）很可能會(huì)發(fā)生雜散電流，從而導(dǎo)致腐蝕。雜散電流屬于電化學(xué)腐蝕，其腐蝕過程不但會(huì)引起材料的損壞，還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使部件失去其整體或部分的技術(shù)系統(tǒng)功能，從而危及到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

1 雜散電流產(chǎn)生原因

雜散電流，也稱迷散電流，根據(jù)其產(chǎn)生雜散電流的來源，可以劃分成三類：直流雜散電流、交流雜散電流、地球自轉(zhuǎn)引起的雜散電流。雜散電流可以使金屬的腐蝕速度加快[1]。

雜散電流是一種不穩(wěn)定的物理量，會(huì)被周圍的多種因素所干擾。其成因多種多樣，但大體可歸納為兩個(gè)方面：一是電流泄漏。電流泄漏是造成雜散電流的重要因素，電流泄露的原因很多，比如接觸不良、絕緣不良等。在泄露電流的作用下，金屬結(jié)構(gòu)中的電子由自由移動(dòng)改為定向移動(dòng)，電子與金屬陽離子發(fā)生分離現(xiàn)象。而船舶處于海水（電解質(zhì)）中，在電流作用下，陽離子脫離船身進(jìn)入海水中，這就造成了船身的腐蝕。二是電位梯度。電位梯度是造成雜散電流的又一重要因素。當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)被放置在電場中時(shí)，其電場的電位分布不均勻，存在電位梯度，電位梯度會(huì)對(duì)放置在其內(nèi)部的帶電粒子（金屬中的自由電子）產(chǎn)生電場力，從而使金屬中的自由電子產(chǎn)生方向上的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致電子和金屬之間的分離。如果金屬結(jié)構(gòu)物處于電解質(zhì)環(huán)境中，那么它就會(huì)從金屬結(jié)構(gòu)中分離出來，進(jìn)入到電解液中，使該金屬結(jié)構(gòu)很容易受到雜散電流的侵蝕。

2 腐蝕原因分析

2.1 常規(guī)電化學(xué)腐蝕的主要特征

船舶的電化學(xué)腐蝕具有如下特點(diǎn)：在全浸區(qū)，采用普通的碳鋼制甲板，其腐蝕速度在0.09-0.10毫米/a之間，在局部腐蝕區(qū)，可以達(dá)到0.50毫米/a；在交變水線區(qū)，侵蝕的最大值一般為0.10～0.15毫米/a。

如果按照傳統(tǒng)的電化學(xué)腐蝕速度計(jì)算，船塢檢查周期按2.5 a，船體的平局腐蝕量約為0.25毫米，局部蝕損量約為1.25毫米。而在實(shí)際船體損傷中，發(fā)現(xiàn)腐蝕的主要部位往往不在水線區(qū)，而在船底、尾柱、舵葉和船頭側(cè)推管等部位，這與傳統(tǒng)的化學(xué)腐蝕特性并不相符。從這一點(diǎn)來看，船身材料在海洋中的普通電化學(xué)腐蝕并非引起輪船嚴(yán)重腐蝕的主要原因，一般為雜散電流引起的侵蝕較為常見。

2.2 雜散電流腐蝕的主要特征

雜散電流是一種獨(dú)特的電化學(xué)腐蝕類型。這是一種強(qiáng)烈的腐蝕性物質(zhì)，通過船舶的外部或內(nèi)部電流通過船身流入海水，從而引起船舶的電解[2]。在船體的水下局部位置處，雜散電流造成的腐蝕往往最嚴(yán)重。雜散電流腐蝕主要特征為：

（1）腐蝕速率快，一般為鋼在水中的腐蝕速度的50倍，有時(shí)只需要幾個(gè)小時(shí)的雜散電就能使鋼板發(fā)生較大的腐蝕。

（2）腐蝕強(qiáng)度大，能產(chǎn)生大范圍的點(diǎn)狀、坑狀或穿孔狀的侵蝕，坑洞形狀為圓或橢圓形，具有鋒利邊緣，坑洞中含黑色的粉狀淤泥狀銹斑。

（3）腐蝕易發(fā)生在電阻小和易放電的位置，例如船體鍍膜破損處、尾柱、龍骨等位置。

（4）由于雜散電流的侵蝕，導(dǎo)致船體電位值與船的常規(guī)電位值有很大的偏差。

（5）雜散電流的侵蝕使船體的消耗顯著高于常規(guī)消耗。因?yàn)殡s散電流一般都很大，如果它的工作持續(xù)時(shí)間比較久，那么采用陰極防護(hù)的方法很難防止雜散電流的侵蝕。

2.3 引起船舶雜散電流腐蝕的原因

如果船塢中有雜散電流會(huì)導(dǎo)致船身的雜散電流腐蝕。雜散電流的來源有以下幾種：

（1）船舶在建造或修理時(shí)，一般由碼頭直流焊機(jī)進(jìn)行作業(yè)，因接線方法不當(dāng)，導(dǎo)致部分電流從船體流入水中，再回流到碼頭，這就形成了以船身作為陽極的回路，對(duì)船體進(jìn)行電解腐蝕，如圖 1 所示。從并聯(lián)電路原理進(jìn)行分析，接地電阻越大（即接地條件越差，或接地線截面越小，長度越長），流入海水中的雜散電流越多，船體受到的侵蝕就越嚴(yán)重。

圖1 接線方式不當(dāng)引起的船體雜散電流腐蝕示意圖

（2）船舶上自有的動(dòng)力裝置或使用岸-船、船-船電源發(fā)生漏電時(shí)，電流會(huì)通過船體流入水中，與碼頭或其它船形成電路，造成電解腐蝕[3]。

（3）船塢附近有電力設(shè)備或海底電力傳輸線泄漏，形成海底電場，造成船體電解。

3 雜散電流腐蝕的防護(hù)方法分析

通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，交流雜散腐蝕只有直流雜散腐蝕的1%，只要安裝了陰極保護(hù)裝置，就可以有效地避免交流雜散電流的侵蝕。雜散電流腐蝕的根源在于干擾源，所以，只有找到干擾源并采取相應(yīng)的處理方法，就能從根本上消除雜散電流。在無法確定干擾源的情況下，必須對(duì)被干擾的船舶采取保護(hù)措施，以防止雜散電流由排流導(dǎo)線流出或?qū)⒏g轉(zhuǎn)移至替代品（如犧牲陽極）。

3.1 雙線路供電焊接方法

當(dāng)需要在港口?？坎⑿枰罅康暮附幼鳂I(yè)的時(shí)候，將電焊機(jī)置于港口或漂浮設(shè)備上，這時(shí)若采用單一導(dǎo)線進(jìn)行焊接，會(huì)造成較多的雜散電流，船體受到強(qiáng)烈的腐蝕，電弧從焊槍中涌出，通過船體-海洋-碼頭流回焊機(jī)的負(fù)極，產(chǎn)生的雜散電流和焊接電流相當(dāng)，具有很強(qiáng)的腐蝕性，可以在很短的時(shí)間內(nèi)將船體腐蝕穿孔。

要改善這種情況，應(yīng)將焊機(jī)置于原來的位置，采用雙線焊，也就是增設(shè)一條回流線，將焊接設(shè)備的外殼與焊接設(shè)備的負(fù)極直接電連接起來，這樣的工作環(huán)境下，電流可以從回流線路返回焊接設(shè)備，而不需要通過海水返回焊接設(shè)備，能有效地去除雜散電流，對(duì)船體的侵蝕作用微乎其微。

為了確保船舶上兩個(gè)點(diǎn)的電連接，應(yīng)避免使用各種管道系統(tǒng)、設(shè)備等作為回流通路。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，回流線與船身的連接部位及焊接槍頭的間距不得超過30米，同時(shí)應(yīng)采用良好的電源和焊接設(shè)備與船塢地面進(jìn)行可靠的絕緣。

3.2 焊機(jī)上船方法

采用雙線路焊焊接可以有效避免雜散電流侵蝕船身，但是必須定期檢查回流線的電連接情況，確保焊機(jī)和碼頭地面的安全接地，以及電源等設(shè)備齊全，可以把焊機(jī)放在甲板上，在此情況下，可以從根本上消除因焊接產(chǎn)生的雜散流對(duì)船舶造成的侵蝕，并且可以減少維修工作[4]。由于船舶的鐵質(zhì)屬性，因此可以視為良好的導(dǎo)電材料，其電阻遠(yuǎn)小于海洋，焊條中的電弧可以從焊槍上流回焊機(jī)，不會(huì)從船體留至海洋再流回焊機(jī)造成雜散電流，所以，即便焊機(jī)的負(fù)極與船體接觸不好，也只會(huì)對(duì)造成焊頭發(fā)熱等輕微損傷，并不會(huì)像雙線路焊那樣出現(xiàn)從船內(nèi)溢出的電流，從而消除了因意外原因造成的雜散電流的腐蝕。

3.3 犧牲陽極排流方法

犧牲陽極排流是把被侵蝕物損傷轉(zhuǎn)嫁到對(duì)陽極進(jìn)行犧牲的一種保護(hù)措施。它是一種無源保護(hù)裝置，而且因?yàn)殡s散電流會(huì)造成短暫的強(qiáng)烈的腐蝕性，所以犧牲陽極法雖然可以排除大部分的雜散電流，卻無法徹底阻止船身的侵蝕，這與散射電流大小、涂層質(zhì)量、犧牲陽極數(shù)目等因素相關(guān)。通常采用犧牲陽極排流，應(yīng)先經(jīng)檢測，查明雜散電流的分布及方向，再將犧牲陽極放于電流流出方向。在海洋中，可以選用鋅合金或鋁合金材料作為替代，采用大電容的鋁陽極。在停靠港口時(shí)，無論采用犧牲陽極保護(hù)或附加電流陰極保護(hù)，只要船身電壓達(dá)-0.85 V，即可視為船身受到了很好的防護(hù)。犧牲陽極排流方法原理圖如下圖2所示。

圖2 犧牲陽極排流方法原理圖

3.4 排流導(dǎo)線方法

排流導(dǎo)線是一種用于將船體與岸邊接地回路（或鄰近船舶）之間具有良好導(dǎo)電性能的銅芯纜線，其作用是將干擾船體的雜散電流引入岸邊接地回路。對(duì)于已安裝了陰極保護(hù)裝置，但仍處于使用中的船舶，不宜使用排流導(dǎo)線，主要原因?yàn)椋旱谝?，由于陰極保護(hù)裝置能將船體的電勢維持在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而保證船體的安全，船舶腐蝕在允許的限度之內(nèi)；第二，由于岸邊接地回路由排流導(dǎo)線與船舶相連，因此，陰極保護(hù)裝置既給船舶和岸邊接地電路供電，又增加了陰極保護(hù)區(qū)域，存在超過其設(shè)計(jì)容量而使船舶無法得到應(yīng)有保護(hù)的可能[5]。

對(duì)于未安裝陰極保護(hù)系統(tǒng)或雖已安裝但未使用該系統(tǒng)的船舶，應(yīng)使用排流導(dǎo)線來避免或減少雜散電流的侵蝕。排流導(dǎo)線的一端為接地回路，另一端接在船舶上，位置可以設(shè)置在船頭、船尾、船舷等，每隔50米設(shè)置一個(gè)直徑為20毫米的銅制接觸螺栓接線。

4 結(jié)語

總之，雜散電流腐蝕速度快、強(qiáng)度大，給船舶造成了很大的外觀及功能上的損害，從各方面的分析研究可知，目前船舶雜散電流腐蝕主要是在船上進(jìn)行焊接作業(yè)造成的，采用雙線路焊接作業(yè)模式可以有效地避免雜散電流的發(fā)生。

同時(shí)采用犧牲陽極或采用附加電流陰極來避免或減少雜散電流對(duì)船體的侵蝕，也具有較好的防腐蝕效果。隨著科技的進(jìn)步和我國的經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，雜散電流的腐蝕問題一定會(huì)找到更好的解決辦法。

[1] 邢少華, 楊光付, 劉廣義, 等.船舶海水管路直流雜散電流仿真研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2021, 18(09): 93-100.

[2] 黎峰, 晉文菊, 張明杰.船舶雜散電流腐蝕問題及其防控[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊, 2019, (01): 22-25.

[3] 劉英杰. 船舶雜散電流腐蝕與防護(hù)案例分析[J]. 船電技術(shù), 2019, 39(07): 13-15.

[4] 劉賓. 案例法淺析船舶雜散電流腐蝕問題[J]. 中國水產(chǎn), 2009(10): 64-65.

[5] 王璐. 鋼板樁碼頭靠泊船雜散電流腐蝕研究[D]. 大連理工大學(xué), 2008.

Ship Stray Current Corrosion and Its Protection

Liu Huajun

(Yellow Sea Shipbuilding Co., Ltd. Weihai 264300, China)

U664

A

1003-4862（2023）10-0061-03

2023-04-23

劉華軍（1980-），男，工程師。研究方向：船舶電氣設(shè)計(jì)及自動(dòng)化。E-mail: 632847010@qq.com