表1 鋼船體在不同保護電位下的保護效果
 

表2 陰極保護采用的保護電流密度(mA·m^-2)

防護對象	金屬或合金	介質	保護電流密度
海船	鋼質船體(有涂層)	海水	8~18
	鋼質舵板( 漆膜不完整)	海水	150~250
	青銅螺旋槳	海水	300~400
漁船	鋼質船體	海水	15~20
	鋼質舵板	海水	＜250
	銅質螺旋槳	海水	＜900

 

表3 各種船舶陰極保護采用的保護電流密度(mA·m^-2)
 

 

        3. 最小保護電位和最小保護電流密度

        最小保護電位和最小保護電流密度，僅是對保護結構在一定保護介質中保護效果最好的一種參數，它沒有考慮其它因素。船舶在進行陰極保護設計時還需考慮下面因素：
        (1) 按實際保護對象確定最大保護電位
        實際被保護的金屬結構有一定的長度、寬度和面積，陽極和被保護的結構表面的距離不可能完全一致。陽極電流到達距陽極最遠的部位所流經的電解質都起電阻的作用，引起電位下降。為了使陰極最遠處得到最小保護電位，則需提高陽極和被保護金屬間的電位差，以補償那部分電位降的損失，被保護金屬在陽極附近的部位必然得到較高的保護電位。實踐證明，陰極電位越負，陰極附近的電解質中的pH值越高，堿性越強。電位負至析氫電位時，則在陰極表面有氫氣析出。如果是涂料和陰極保護聯合應用的情況，就必須考慮涂料涂層的耐堿性。一般油性和瀝青系涂料的耐堿性差，陰極電位不能負于-0.80V。各種涂料允許的最大保護電位如表4所示。
 

表4 各種涂料允許最大保護電位值(相對飽和甘汞電極)

涂料種類	允許最大保護電位(V)
油性涂料	-0.80
聚氯乙烯涂料	-1.00
環氧系涂料	-1.50
有機富鋅涂料	-1.30
無機富鋅涂料	-1.30

        (2) 按經濟性原則確定最大保護電流密度
        試驗得知，保護效率、保護電流和保護電位三者之間有一定的關系。保護效率隨保護電位變負而提高的趨勢是逐漸變慢，而保護電流密度隨保護電位變負而提高的趨勢是加快的。這就勢必在一定的保護效率以后，若在提高一點保護效率，則保護電流密度要增加很多。總電流強度為被保護金屬面積與電流密度的乘積，這時電力消耗則大大增加，就會顯得不經濟。所以必須合理地選擇最經濟的保護電位和保護電流密度值作為選擇保護電源的輸出額定電流的計算參數。

      犧牲陽極保護設計任務是確定合理的保護參數，選擇犧牲陽極材料、使用壽命及規格尺寸，計算陽極需要數量，正確布置和安裝陽極。         1. 結構達到保護狀態所需保護電流
        所需保護電流銨下式計算： 式中，I_p——被保護結構達到保護狀態所需的電流，A；S_p——被保護結構的總浸水面積，m²；i_p——平均保護電流密度，A/m²。         船體浸水面積S_p1、螺旋槳的浸水面積S_p2分別由下面公式進行近似計算：
式中，d——船舶滿載設計吃水，m；L——船舶設計水線長，m；V——船舶型排水體積，m³；D——螺旋槳直徑，m；θ——盤面比。對于5000t以上的船舶，螺旋槳軸轂面積較大，不能忽略，可按下式計算： 式中，n——螺旋槳數量；η——螺旋槳展開盤面比；D——螺旋槳直徑，m；d2——軸轂直徑，m；L——軸轂長度，m。舵的表面積S_p3因形體比較簡單，可以直接由設計尺寸算出。

        保護電流密度根據結構和構件的材質，表面狀態、使用環境等不同，由試驗和使用經驗加以選擇（見表2和表3）。

        2. 犧牲陽極材料種類選擇和所需重量計算
        船舶的建造說明書中對犧牲陽極材料一般都有明確規定，設計中應該遵守這些規定。若沒有這些規定，則應該根據被保護構件的材質、使用環境及各種陽極的特性、安裝部位、價格等作出選擇，陽極材料選定后，按照下式計算所需陽極總質量： 式中，W——犧牲陽極總質量，kg；I_p——總的保護電流，A；T——保護時間，年；Q——實際電流發生量，A·h/kg；K——安全系數，一般選取1.1～1.2之間。
在犧牲陽極保護中，當陽極消耗到一定數量后，殘存的犧牲陽極所發出的電流量就達不到保護電流的要求，起不到保護作用的殘存陽極材料，約占安裝陽極總重的10%～20%，在計算時用安全系數加以考慮。

        3. 陽極幾何形狀、尺寸、重量和數量的確定
        犧牲陽極有平板狀、條狀等各式各樣的形狀，關于犧牲陽極的形狀、尺寸、凈質量，已經有國家標準。鋅合金犧牲陽極見GB4950～4951-85，鋁合金陽極見GB4948～4949-85。對于犧牲陽極塊，各國船級社都有各自的規定，在進行陰極保護設計時，必須認真執行該船所入船級社的規范的有關規定。一般而言，船體外板、螺旋槳、舵、海底閥箱等的保護應該選用平板狀陽極，壓載水艙選用長條狀陽極。

        所需陽極的數量與每塊犧牲陽極的電流發生量有關，犧牲陽極的發生電流量一般可以從有關標準或者標準附錄中查到，若查不到, 則確定陽極電流發生量，一般采用歐姆定律： 式中，I_a——每塊陽極發生的電流，A；R_a——電路電阻，Ω，通常取陽極散流電阻；ΔV——驅動電阻，V。驅動電位為陽極工作電位與被保護金屬表面保護電位（最小保護電位）的差值，通常對鋁或鋅合金陽極保護鋼結構取為0.25V。陽極散流電阻R_a，由海水電阻率ρ和陽極幾何形狀決定。對于條狀陽極、平板狀陽極（緊貼被保護體安裝時）可由經驗公式計算陽極散流電阻： 式中，ρ——海水電阻率，通常取值為25Ω·cm；L——陽極長度，cm；r——陽極等效半徑，cm；r²=a/π；a——陽極截面積，m²；S——陽極的當量長度，S =L+B cm；B——陽極寬度，cm。

        海水的電阻率，一般與海水溫度有關系，降低溫度將增大海水電阻率。世界幾個海區的電阻率如表5所示：

 
        4. 犧牲陽極使用壽命估算
        每塊陽極的使用壽命取決于陽極的凈重、陽極消耗率及在 使用壽命期間陽極平均電流發生量，可以用下式估算： 式中，t——犧牲陽極使用壽命，年；m——每塊犧牲陽極質量，kg；I_m——犧牲陽極平均發生電流量，對于一般艦船，I_m=0.6-0.7I_a；1/K——利用系數，一般取0.85。

        5. 犧牲陽極的布置
        犧牲陽極的布置應該遵循以下原則：
        (1)船體外板所需的犧牲陽極應該均勻對稱的布置在舭龍骨和舭龍骨前后的流線上，以減少船體附加阻力；

        (2)螺旋槳和舵所需的犧牲陽極應均勻的布置在艉部船殼板及舵上，距螺旋槳葉梢300mm范圍內的船殼板上和單螺旋槳船的無陽極區不得布置犧牲陽極；

        (3)海底閥箱、聲納換能器阱所需的犧牲陽極應布置在箱、阱內部。

        6. 犧牲陽極的安裝
        犧牲陽極可采用焊接或螺栓固定兩種方式安裝，一般說來焊接固定方法簡單、安裝牢度高、接觸電阻小，而螺栓安裝容易更換，更換時可不損壞周圍及鋼板反面的涂層。

        犧牲陽極的安裝應該注意以下幾點：
        (1)在安裝前陽極背面要涂一道絕緣漆，在安裝處的船體表面加涂絕緣漆或加墊其它絕緣物，防止因陽極背面腐蝕而脫落，也使背面不起作用，陽極使用面積與設計數值一致；

        (2)陽極表面嚴禁涂漆或沾污，在涂漆和下水前加以保護；

        (3)安裝時陽極要焊在指定位置，陽極背面要緊壓船殼表面，鐵腳燒焊處要補涂油漆。

        7. 陽極附加阻力估算
        在船體上安裝凸出的犧牲陽極或陽極組，對船舶航行產生附加阻力，因而影響航速，增加了燃料消耗。附加阻力計算最可行的方法是在分析每個凸出元件造成的局部粗糙度的基礎上，按下式估算： 式中，r_b——附加阻力，V——水流的平均流速，m/s；C_b——阻力系數，根據幾何形狀最相似的物體實驗所得數據選擇；γ——水的質量密度，kg·s²/m⁴；ω——凸出元件的最大橫截面積，m²。

        迎面而來的水流平均速度由下式決定： 式中，V——船舶航行速度，m/s；H——凸出元件高度，m；δ——元件前端邊界層的厚度，m。
邊界層的厚度為： 式中，λ——海水運動粘性系數，m²/s；X——凸出元件前端與首垂線的距離，m。

         犧牲陽極的陰極保護是船舶船體防腐蝕最為廣泛應用的技術，但是目前的陰極保護設計還停留在人工設計階段，在計算機技術高度發達的今天，如何結合計算機技術，根據船舶漆層、航行區域等具體情況具體要求，開發船舶犧牲陽極陰極保護技術設計方案的智能計算機設計軟件，節省人力，提高經濟效益以及效率，是今后研究工作的重點。