船舶阴极保护系统介绍

船舶阴极保护系统详述
简要：详细介绍船体电化学腐蚀原理，阴极保护方法，并结合实际应用详细阐述外加电流的阴极保护的工作原理与衡量标准。

一、电化学腐蚀原理
铁制成的船体接触海水时会产生电位，发生电腐蚀现象。

所以，为了尽量减少船体与海水接触，采用防锈蚀的油漆隔离船体和海水。

但是船尾轴系，推进器或者因为船体损伤导致的与海水接触是无法完全避免的。

所以接触到海水的一部分船体会发生电化学腐蚀，根据电解情况的不同，腐蚀程度不同。

原电池电解反应：
当两种金属或含杂质的金属被置于电解液中，金属活动性强容易失去电子，被氧化，发生氧化反应，为阳极，从而带正电荷（生成金属氧化物，所谓被腐蚀），使电势升高，可以作为正极（正极是针对外部电解质中游离电荷而言，正极吸引负电荷，而正电荷则流向负极，可以被认为是电流的方向）。

金属活动性弱者得电子，被还原，发生还原反应，为阴极（该电极积累金属），电势降低，成为负极，吸引正电荷聚集。

图1 电化学腐蚀原理图
二、阴极保护
阴极保护则使上述过程逆转，根据提供阴极电流的方式不同，阴极保护又分为牺牲阳极法和外加电流法两种，前者是将一种电位更负的金属（如镁、铝、锌等。

注：金属活动性更强，更活跃，更易失电子）与被保护的金属结构物电性连接，通过电负性金属或合金的不断溶解消耗，向被保护物提供保护电流，使金属结构物获得保护。

后者是将外部交流电转变成低压直流电，对被保护的金属表面施加一定的直流电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效抑制。

牺牲阳极阴极保护法一般用锌块合金，布置没有具体要求，只要沿着舭龙骨流线平均分布，具体数量则要根据船只钢材数量（面积）进行计算后得出。

也可用铝合金的，效果更好，但在机舱及货油舱等区域禁止使用（因电位差过高存在引发火星的可能性）。

一般设计使用寿命2-3年，采用焊接或铆接方式固定于船体外壳之上，铆接的话到了使用后期可以方便更换，并且有各种型号可选。

其中双层底和双壁舱室内部区域（bottom; double hull inner area）也应当设有牺牲阳极保护装置。

下面将详细介绍外加电流的阴极保护过程原理及方法。

三、外加电流的阴极保护ICCP (IMPRESSED CURRENT CATHODIC PROTECTION):
将上述电化学腐蚀过程逆转：发生还原反应为阴极，是故直接连接直流电源的负极，由电源输送电子到该区域，从而形成较低的电势。

船舶阴极保护系统中，以船体作为阴极，利用恒电位仪维持船体处于较低的电位。

图2 外加电流的阴极保护原理图
船舶外加电流阴极保护系统由以下几部分组成：①直流电源，②辅助阳极，③参比电极。

此外，为使阳极输出的保护电流更均匀，避免阳极附近结构物产生过保护，有时在阳极周围还须涂刷阳极屏蔽层。

1）直流电源
在外加电流阴极保护系统中，根据保护面积可以计算出需要提供电流的大小，于是需要有一个稳定的直流电源，以提供保护电流。

目前，广泛使用的有整流器和恒电位仪两种。

一般，当被保护的结构物所处的工况条件（如浸水面积、水质等）基本不变或变化很小时，可以采用手动控制的整流器；但当结构物所处的工况条件经常变化时，则应采用自动控制的恒电位仪，以使结构物电位总处在最佳保护范围内。

在工程中广泛使用的恒电位仪主要有三类：可控硅恒电位仪、磁饱和恒电位仪和晶体管恒电位仪。

可控硅恒电位仪功率较大、体积较小，但过载能力不强。

磁饱和恒电位仪紧固耐用，过载能力强，但体积比较大，加工工艺也比较复杂。

晶体管恒电位仪输出平稳、无噪声、控制精度较高，但线路较复杂。

2）辅助阳极
辅助阳极的作用是将直流电源输出的直流电流由介质传递到被保护的金属结构上。

可作辅助阳极的材料有很多，如废钢铁、石墨、铅银合金、高硅铸铁、镀铂钛、包铂铌以及混合金属氧化物电极等。

这些材料各有其特点，适用于不同的场合。

3）参比电极
参比电极的作用有两个：一方面用于测量被保护结构物的电位，监测保护效果；另一方面，为自动控制的恒电位仪提供控制信号，以调节输出电流，使结构物总处于良好的保护状态。

在工程中，常用的参比电极有铜/饱和硫酸铜、银/卤化银及锌参比电极等，这些参比电极各具特点，适用于不同的场合。

下图可以看出不同材料做参比电极范围不同：
图3 不同材料参比电极保护范围对比
由上图可知，不同的材料作为参比电极，电势值是不同的。

在实际项目中，通常选用锌来做参比电极。

图4 系统布置图
那么外加电流的阴极保护正常工作时电路是怎样的呢？以往的文章常常对这一部分未做描述。

其实电路非常简单：
电流从电源正极流出，至辅助阳极，然后经过海水中的正离子抵达有破损的船体，从船体经过电缆流回电源负极。

以某船阴极保护系统接线图为例，可以看到，连接辅助阳极和参比电极分别各用一根电缆SPYCY 95和SPYCY 2.5，并最终与系统阴极（接地）构成大回路。

于是，参比电极的原理就较为容易理解了，该项目以纯锌作为参比电极，也就意味着假设船体为锌，且暴露在电解质海水之中，活动性较强，故为阳极，可以测得它与船体（阴极）之间的电势差。

该电势差作为所加电流的控制量。

做一个理想化的假设，即假设船体涂层完整，没有一处破损。

这就意味着，一块纯锌置于电解液中，它无法发生电解腐蚀。

此时的电势差为0mV。

于是，也就不需要外加电流接到船体上。

然而，船体总有与海水直接接触的部分，可以作为参比电极的阴极。

因此可以测量出有电势差，该电势差会随着船体裸露出来的面积而提高。

目前设定报警值为400mV，意味着“under protection”，保护电流过低。

而随着加在船体上的电流增大，也就是电源输出负载增加，参比电极的电势差会降低，一般过保护报警值设定为-50mV。

参比电极与船体之间的电势差受诸多因素影响，如海水盐度、船速、温度、洋流等。

图5 某船阴极保护系统接线图
在通电之前，需先测量辅助电极开路电势及参比电极开路电势，辅助阳极开路电势应该在8 00mV以上，参比电极的开路电势应该与手动模式下负载为0%即输出电流为0A时相同。

并可以通过手动模式下，修改负载检查输出电流、电压，尤其检查参比电极电势是否随着输出电流的增加而下降。

所以，手动模式下的报警不必在意。

阴极保护和涂覆层的联合应用，可以使船舶获得最经济和有效的保护。

良好的涂覆层可以保护船体99%以上的外表面不受腐蚀。

按照上述原理，如果船体能够做到完全电绝缘隔离，金属在电介质中的腐蚀电池的形成将受到抑制，腐蚀电流将无法产生，从而防止金属的腐蚀。

然而，完全理想的涂覆层是不存在的，由于施工过程中的运输、安装及补口，热应力及船体扭曲应力、涂层的老化及涂层微小针孔的存在，船体的外涂层总会存在一些缺陷，而这些缺陷最终将导致金属的局部腐蚀产生。

阴极保护技术和涂层联合应用则可以有效解决这一问题。

一方面阴极保护可有效地防止涂层破损处产生的腐蚀，延长涂层使用寿命。

阴极保护的费用通常只占被船体造价的1%～5%，而船舶船体的使用寿命则可因此而成倍甚至几十倍地延长，因此，这项技术得到人们的普遍认可，并已在船舶、港工设施、海洋工程、石化、电力、市政等领域得到越来越广泛的应用，前景十分广阔。