船体防蚀及阴极保护系统在船舶上的应用

阐明了金属腐蚀的成因及基本概念，对阴极保护系统的分类和工作机理进行了细致的分析，最后结合外加电流阴极保护系统在远洋船舶上的广泛使用，指出该系统在船舶安装和使用中容易出现和忽视的问题及解决办法。

金属腐蚀的成因与基本概念

金属与非金属(如氧)进行接触将形成电化学反应而产生金属氧化物，或在某些自然环境下（如潮湿雨天或海淡水中）也将发生电化学反应而产生其它化合物，其结果均是金属受到电化腐蚀。不同的金属材料处在相同的环境下时其分别受到的腐蚀程度各不相同，通常可以用“电位”来表示金属受到电化腐蚀的程度。如果将两种活性不同的金属放置在相同的特定环境下，则会形成所谓的原电池，如图1所示。

在图中活性较大的金属如锌和活性较低的金属如铁一起放置在电解液中（如海水），并将他们直接进行电气连接（具体反映在船上则多表现为钢板上安装锌块或管路镀锌），这样，浸没在溶液中的较活泼金属产生的离子流将通过电解液从较活泼的金属流入欠活泼金属，金属离子和电子的转移过程持续发生，活泼金属上的电流不断增加，其结果导致活泼金属被腐蚀了，欠活泼金属将不会被腐蚀，在这里，活泼金属即称为阳极，欠活泼金属则称为阴极。也就是说，两种不同金属在电解液中相互联系起来会分别形成阳极区域和阴极区域而建立起腐蚀电池，使活泼金属（阳极）表面区域发生电化腐蚀。而对于暴露在潮湿环境的单一金属（如雨水落在无涂料保护的钢板上），在其表面则是以微电池形式构成阳极和阴极区域，从而发生电化腐蚀现象。

根据以上腐蚀原电池形成机制可以得出如下结论：当某种金属相对于电解液的“电位”处在某一范围内时我们可以认为该金属处于电化腐蚀状态，或“电位”处在另一范围时则表明未受到腐蚀。即金属处于“阳极”状态即是受腐蚀状态，金属处于“阴极”状态即是被保护状态。

防止金属腐蚀－阴极保护的作用机理

根据金属腐蚀的基本成因，为了防止船舶结构和系统出现腐蚀现象，基本的原则就是确保腐蚀原电池不被建立，其重要的手段就是防蚀涂料。防蚀涂料将船体结构和系统与自然环境完全隔离，但是其保护效果取决于涂料质量、表面膜厚、施工工艺以及后续保养，实际上，完全依靠防蚀涂料进行结构的防蚀是不充分的，必需采取可靠的补充措施予以完善，即阴极保护，其分为牺牲阳极的阴极保护和外加电流的阴极保护。

牺牲阳极的阴极保护即是通过图1所示的腐蚀电池来完成的。如前所述，在电解液中将一种金属与另一种更具活性的阳极金属进行电气连接可以使其成为阴极，从而得到保护。目前普遍使用的阳极材料为铝合金、锌和镁，这些阳极金属将优先腐蚀，产生的腐蚀电流完成对与其相连金属的阴极保护，在保护过程中阳极会消耗，因此称为牺牲阳极的阴极保护。在船舶上，牺牲阳极的阴极保护系统通过在特定的结构（如压载舱）或部件上（如舵叶）安装锌块、镁或铝块使其先于结构腐蚀达到防止结构腐蚀的目的。

如果在图一的电解液内再增加一外部阳极，并外加一定大小和确定方向的电流，这将使图1中原始阳极和阴极均强制成为阴极，即外加电流阴极保护，如图2所示。

图2中，在外加直流电源的作用下，原始阴极（如被保护的船体）被强制为阴极继续得到保护，而原来的阳极（如锌块）与外加阳极金属通过直流电源和电解液（如海水）建立起电气连接，使电流离开外加阳极金属元件的表面进入电解液然后流入被保护金属（原来的阳极），最终使得原来的阳极（如锌块）转化为新阴极，以实现阴极保护。

总而言之，被保护区域相对于电解液（海水）的电位可以指示该区域是处于阴极还是阳极状态，处于阴极状态即是被保护状态，可以通过对阴极/电解液电位进行测量，进而控制阳极输出电流的大小来强制被保护区域成为阴极。

外加电流阴极保护系统在船舶上的应用

随着船东对船体结构保护越来越重视，以前仅在集装箱船舶中少量应用的外加电流阴极保护系统现在越来越多地被采用，甚至很多散货船也开始大量使用。提供外加电流阴极保护系统的厂家也较多，但各厂家阴极保护系统的基本原理均基于以上机理，实现手段也大同小异，仅在阳极材料的选用和型式上有所差别。

外加电流阴极保护系统应用在确定的船舶上，系统容量的正确选择是保证系统有效性的关键。结合图1和图2可以清晰地知道，实现外加电流阴极保护的前提条件是从外加阳极电极产生的电流需要足以克服被保护电极表面区域的自然腐蚀电流。因此，需要根据被保护区域面积的大小进行详细计算以确定船舶所选用系统的容量。

船上使用的阴极保护系统主要由电控箱、阳极及参比电极组成。图2中所需要的直流电源通常是将船电经变压器降压，然后通过可控硅整流器整流后输出，控制单元则对阴极（即船体）与电解液（即海水）间电位差进行连续监视，并以此来自动调节外加阳极输出电流的大小，在需要时也可以手动测量并根据测量结果进行手动调节。

系统中阳极的功能是将直流保护电流导入海水，最理想的阳极应是电流通过它流入海水中时不产生阳极材料的消耗，阳极材料的选择对于阴极保护系统的有效性和经济性非常关键，在选用阳极材料时需要综合考虑材料的消耗、成本和物理特性，根据厂家的不同，外加电流的阳极通常采用铂电极、钛电极，也有使用石墨、硅钢、铅合金的。阳极安装在船体外板上合适的位置，在船体穿透部位采用了非常严格的水密，在背面接线处还配有防水箱，电缆通过电缆密封管从水密防水箱引出。

系统参比电极一般采用高纯度高稳定性的锌参比电极，其作用是测量船体相对于海水的电位，作为控制单元闭环控制的参考点，也可对阳极附近船体电位进行监视，防止由于误操作、系统失常等导致过保护发生而损坏船体油漆。

阴极保护系统通常还包括一套舵柱接地系统和一套艉轴接地和测量系统。舵柱接地使用电缆将舵杆与船体结构进行连接，从而使舵叶与船体在电气上成为一体，这样可以使舵叶也受到保护。艉轴接地系统在螺旋桨轴上安装有滑环及碳刷，通过碳刷及滑环的低电阻，使流向螺旋桨桨叶的电流经轴系返回到船体，这样不仅可以保护的螺旋桨和轴系，还可以防止轴系和轴承间产生电弧而损坏油膜。

最后需要指出的是，在大型船舶上仅采用外加电流阴极保护系统来对船体外板、桨叶、舵叶及压载舱进行保护是不够的，由于压载舱、桨叶及舵叶区域所处的特殊位置，外加电流往往无法到达或不够，这时往往需要在上述部位采取牺牲阳极的办法来予以补充，从而达到对全船结构予以保护的目的。

外加电流阴极保护系统的管理与维护

对于外加电流阴极保护系统而言，设备安装是极其重要的，根据经验，系统运行发生的问题极大程度上是因为不正确的安装导致的。在系统安装时需要注意如下事项：

由于阳极上较高的电压，通过海水，会造成阳极附近船体油漆的破坏，因此在阳极附近船体区域不涂油漆而采用特殊的介电屏蔽层，以确保阳极与船体高度绝缘。该区域大小设备厂会给出推荐值，一般区域直径在5米，层厚在70微米左右。介电屏蔽层的施工非常重要，在进行介电屏蔽层施工之前，应确保该区域里外所有电焊及打磨工作全部完成，而施工完成之后不应再进行任何电焊工作，最后，介电屏蔽层施工完毕需完全硬化后才可以通电调试。特别需要注意的是介电屏蔽层一定要将除阳极表面以外的所有部件完全覆盖，例如紧固螺丝，否则不仅造成系统无法正常工作，而且大电流还会损坏介电屏蔽层和船体油漆。

影响阳极功能的因素有阳极尺寸（与海水的接触电阻）、电缆尺寸等。因此，阳极表面进水前应确保干净，表面保护层不被损坏，阳极电缆和系统工作接地电缆均应采用单芯电缆，并有足够大小，以免电缆上产生较大电压降。电缆安装时也应注意电缆绝缘绝对不能破坏。

对于舵接地系统没有特别之处，但轴系接地的毫伏表电位应控制在50毫伏以下，否则需要进行以下检查：滑环与轴间的电阻应平滑；碳刷应垂直于轴系安装，避免不平滑的磨损；轴与碳刷接触良好；连接碳刷与船体的电缆也需足够尺寸；系统从轴系到船体的总电阻不能超出设备厂规定范围，根据经验一般不应超过1欧姆；滑环是否太脏需要清洁；滑环是否松动；碳刷是否过度磨损或卡死。

阳极和参比电极安装在船体上，需要确保严格的水密，因此密性安装及密性试验应特别仔细地检查。

外加电流阴极保护系统安装到船，经调试可以正常工作之后通常无需过多的保养工作，船上使用中需要注意的主要是对系统工况进行定期地检查和记录。在船舶表面涂料工况较好的前提下，系统工作电流通常是较小的，随着时间的推移，船体外板油漆的性能逐渐下降，油漆状态变差，系统工作电流就会逐渐上升，所以通过检查阳极电流的变化也可作为判断油漆状况的依据之一。日常使用中应注意系统的测量和控制是否失常，否则应进行人工测量和调节，因此，船上最好是能配备便携式参比电极和毫伏仪以供人工测量使用。便携式参比电极的种类有很多，采用不同类型的参比电极测量出来的船体电位各不相同，大多数厂家认为：船体在海水中使用标准铜/硫酸铜电极测量出的电位如低于－0.85V可以表明其获得了阴极保护，而以银/氯化银电极为参比电极进行测量的话则应低于－0.8V，以锌电极为参比电极则应低于0.24V，船员在人工测量和调节时需要以此为依据进行，但船体电位也不能过低，否则可能意味着船体遭受过度保护，这样反而会损坏油漆。

（作者单位：上海远洋运输有限公司）