艦船的電化學腐蝕及其外加電流陰極保護法應用狀況 

文 | 江炎蘭 曲亮生 海軍航空工程學院基礎部

一、前言

艦船在海上航行時，艦船殼體、推進器、內艙、冷凝器和海水管路系統等部位都會發生腐蝕。艦船腐蝕的原因比較復雜，是多種不同腐蝕形態共存的。其中最主要的原因是由于海水的含鹽度高（一般在 33% ～ 37%），艦船的金屬材料與海水接觸時，會形成無數個微小原電池而引起艦船的金屬腐蝕。腐蝕的后果是嚴重的，受到海水及海面鹽霧的侵蝕后，艦艇的甲板及艦體，每年需涂幾次涂料進行防護。南海地區艦艇每次小修更換的腐蝕鋼板達 1/3, 中修換板率超過 1/2, 甚至新艦艇尚未服役即出現腐蝕等問題，既增加了維修工作量，降低了航率，又造成了巨大的經濟損失，嚴重地影響了部隊的戰斗力。因此，采用外加電流陰極保護有效地防止海洋環境下的艦船腐蝕破壞，是當今世界各國的普遍做法。

艦船的陰極保護歷史悠久，應用廣泛。從 20 世紀 60 年代開始，陰極保護技術已經成為世界各國艦船必不可少的防腐蝕技術，各國的科研人員正在對陰極保護系統的設備和材料及陰極保護理論和設計技術進行深入研究，以期達到延長保護年限、提高陰極保護系統的可靠性和自動化程度、降低保護費用的目的。

陰極保護根據陰極給電流的方式不同可分為犧牲陽極法和外加電流法。對于艦船，往往采用外加電流陰極保護系統，這是因為：（1）智能化的恒電位儀能隨著外界環境的變化，如不同海區的溫度、鹽度、風浪及動靜態等的變化，給出參比電極的信號，自動調整保護電流，使艦船始終處于良好的保護狀態，有利于縮短塢修日期，延長進塢的間隔；（2）外加電流陰極保護系統安裝陽極數量少，對水流的阻力可忽略；節約燃料和涂料；（3）對于潛艇來說，在外殼裝犧牲陽極以后，航行時會產生可測得的聲響，影響其隱蔽性；（4）外加電流系統使用壽命長，甚至可與艦船同壽命，而犧牲陽極的使用壽命一般只有 l ～ 2a, 消耗完后必須更換。外加電流的陰極保護系統在艦船上應用越來越廣泛。

二、外加電流陰極保護法

1.原理

外加電流陰極保護利用電化學腐蝕的原理，由連接外部直流電源的陽極直接向被保護的艦船施加陰極電流，不間斷地提供電子，進而在金屬表面富集電子，并通過控制艦船船體電位或電流密度，使船體發生陰極極化，達到降低甚至完全抑制船體水下部位金屬腐蝕的目的。外加電流保護系統由輔助陽極、參比電極、智能控制的直流電源以及相關連接電纜組成，當電路接通后，電流將從陽極經海水至船殼構成閉合回路，這樣使船殼免遭腐蝕。艦船外加電流陰極保護系統可以有效防止艦船浸水部分的電化學腐蝕。

2.應用狀況

過去，國外對艦船的腐蝕防護主要是采用犧牲陽極和油漆涂層防護相結合的辦法，效果并不理想。有鑒于此，20世紀 50 年代，美國、英國及加拿大在海軍艦船開始試驗外加電流陰極保護系統。1954 年，加拿大海軍在艦船上采用手控外加電流系統，輔助陽極采用消耗性鋼板。20 世紀 50 年代末期，美國開始在潛艇上進行外加電流陰極保護的試驗，后來美國海軍核潛艇“海狼號”、“漁號”均采用了自動控制外加電流陰極裝置，根據潛艇的不同狀態（停泊、航行、下潛、上浮及不同的航速），自動調節所需的保護電流，使潛艇始終處于給定的保護電位。多次進塢檢查證明，防蝕效果顯著，水下部分無明顯銹層，鋼板未發現凹坑，焊縫基本上完好無蝕，殼板比較光滑，油漆脫落的地方也無黃斑，烏黑發亮，無銹蝕痕跡，取得了良好的保護效果。

隨著微電子技術、計算機技術和信息技術的不斷發展，外加電流系統的各部件，如輔助陽極、參比電極、控制電源等都已逐漸成熟。現在，國外海軍的預備役及許多現役艦艇都采用外加電流保護系統來防腐蝕，而海軍潛艇則以多種防護方法相結合，如用犧牲陽極重點保護壓載艙、指揮臺圍壁內的結構浸水區，用外加電流陰極保護著重保護整個艇的外殼浸水部分及推進器，這種防腐蝕方法對潛艇實用而有效。

大型高速運輸船只多數也是安裝外加電流保護系統。某些國家在修造船手冊規范中也注明安裝外加電流陰極保護裝置的船舶，進塢間隔可以延長為 25a。

目前，國外陰極保護技術的發展主要表現在：（1）采用計算機輔助優化設計，使陰極保護技術向著智能化、高效率、長壽命的方向發展；（2）系統各部件材料的不斷改進和性能不斷提高，如輔助陽極從早期的廢鋼鐵、高硅鐵發展到鉛銀合金、鉑復合陽極以及混合金屬氧化物陽極等，其可控電源由磁飽和、大功率晶體管、可控硅 3 大系列的恒電位儀向 GBT 電子電力模塊、開關電源數字化方向發展。

過去，我國艦船所用材料為較高強度的低合金鋼，海水中腐蝕速率較高（大于 0.14mm/a），在無任何保護或只有涂層保護的情況下，3 ～ 5a 就腐蝕穿孔。于是，1964 年 9 月首次在漁輪上進行了艦船的外加電流系統試驗，所采用的輔助陽極為高硅鑄鐵，參比電極為鋅電極，電源為硒整流器；1969 年開始研制核潛艇外加電流保護系統；1970 年在第一艘驅逐艦上，采用可控硅恒電位儀和粉壓型銀 / 氯化銀參比電極，1974 年在所有的導彈驅逐艦均安裝了這套外加電流系統。1975 年在第一代核潛艇上安裝了外加電流保護系統，其電源設備為可控硅恒電位儀，輔助陽極為鍍鉑鈦陽極，參比電極為銀 / 氯化銀電極和鋅電極；1982 年制訂了“艦船外加電流陰極保護系統”的國家標準?，F在，我國研制生產的外加電流陰極保護裝置已在艦船上大量安裝應用。

三、結語

我國的艦船陰極保護技術發展較快，基本解決了海軍艦船殼體等部位的腐蝕問題，但在許多技術領域和應用的廣度和深度上與發達國家相比仍存在一定的差距。就外加電流陰極保護來說具體表現在：外加電流系統中恒電位儀的可靠性和自動化程度與國際水平有一定的差距；輔助陽極的單支排流量較小，對大型艦船的保護所需的陽極數量過多，不能滿足要求；參比電極的使用壽命和長期工作的穩定性有待進一步提高；陰極保護設計技術的水平與國際先進水平有相當大的差距，在 CAD 技術的應用方面幾乎是空白，影響了陰極保護系統的可靠性和保護效果。

雖然如此，我國艦船陰極保護擁有相當的研究機構和專業人員，各有關部門對艦船的腐蝕與防護問題也非常重視，“九五”期間建立了海洋環境腐蝕與防護國防科技重點試驗室，開展艦船腐蝕與防護的基本理論和應用研究。上述工作的開展將大大縮小我國艦船陰極保護技術與國際先進水平的差距，不久的將來即可達到國際同期的先進水平，為進一步提高艦船的戰斗力提供強有力的技術支持。