基于ICCP與仿真預(yù)防船體腐蝕的方法介紹

為預(yù)防船體在惡劣的海洋環(huán)境中受腐蝕，我們通常采用陰極保護(hù)的方法。利用諸如犧牲陽(yáng)極或外加電流等不同的方法，使海上作業(yè)的設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。外加電流陰極保護(hù) (ICCP) 方法就是通過(guò)向船體施加外部電流來(lái)減輕腐蝕的。此方法的效能取決于多種因素，例如螺旋槳上是否涂有涂層。在這里，我們通過(guò)仿真來(lái)探討螺旋槳上的涂層如何影響外加電流陰極保護(hù)方法的工效的。

海上腐蝕

坐在甲板上，您可能無(wú)法得知水下發(fā)生了什么。但如果潛入水下，就可能會(huì)發(fā)現(xiàn)船體表面最大的問(wèn)題之一：腐蝕。

當(dāng)處于電解質(zhì)（即海水）中，并且不同區(qū)域具有不同的電位時(shí)，船體就會(huì)發(fā)生腐蝕。簡(jiǎn)而言之，海水這一電解質(zhì)促使電子從附近電解質(zhì)電位較高的陽(yáng)極流向附近電解質(zhì)電位較低的陰極，由此引起陽(yáng)極區(qū)出現(xiàn)氧化和腐蝕。

電解質(zhì)溶液內(nèi)陽(yáng)極與陰極簡(jiǎn)圖。

腐蝕導(dǎo)致船舶和石油平臺(tái)等結(jié)構(gòu)損壞，影響其使用壽命。還可能導(dǎo)致泄漏，引發(fā)安全事故。如果等這些問(wèn)題發(fā)生之后再尋求解決辦法，則需要付出高昂的代價(jià)，因此重點(diǎn)是提前采取保護(hù)措施防止腐蝕，例如采用外加電流陰極保護(hù)。

圖中所示船舶采用了防腐蝕系統(tǒng)延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的使用壽命。（由 Jean-Michel Roche 提供。在 Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported 許可下使用，經(jīng) Wikimedia Commons發(fā)布。）

借助外加電流陰極保護(hù)減緩船體腐蝕

在使用外加電流陰極保護(hù)方法保護(hù)船體免受腐蝕時(shí)，我們施加了外部電流將船體上的高電位陽(yáng)極區(qū)轉(zhuǎn)化為低電位陰極區(qū)。因?yàn)檎麄€(gè)船體都為陰極，確保了船體表面免受腐蝕。

船體幾何圖形。

一個(gè)有效的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)所需的電流量取決于多種因素，例如水的鹽度和溫度。然而，暴露于海水中的金屬區(qū)域是決定電流量的最重要因素。螺旋槳通常由外露金屬制成，但可以給它涂上保護(hù)層。螺旋槳是否具有涂層會(huì)影響外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)工作時(shí)所需的電流量。

下面我們通過(guò)仿真比較船舶上的螺旋槳有涂層以及沒(méi)有涂層時(shí)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的工作效率。

采用仿真評(píng)估螺旋槳有涂層時(shí) ICCP 的性能

受 Huber 和 Wang 的論文啟發(fā)，我們創(chuàng)建了一個(gè)模型來(lái)評(píng)估螺旋槳有涂層時(shí)，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的使用狀況。

有涂層的螺旋槳

在螺旋槳有涂層的情況下，我們施加了 0.87A 電流進(jìn)行測(cè)試。此時(shí)，船體表面的電解質(zhì)電位相對(duì)平均且較低，而陽(yáng)極表面的電解質(zhì)電位相對(duì)較高。看上去似乎一切正常，但是讓我們仔細(xì)觀察一下陽(yáng)極附近的不均勻區(qū)域。

上圖：有涂層螺旋槳的教學(xué)模型中的電解質(zhì)電位。陽(yáng)極為紅色的圈。下圖：有涂層螺旋槳軸的局部電流密度。

如圖所示，模型的軸表面局部電流密度為負(fù)值，說(shuō)明電流流入軸表面，而不是從軸表面流出。從而證實(shí)了軸表面發(fā)生陰極反應(yīng)。

在螺旋槳有涂層的情況下，因?yàn)檩S表面的發(fā)生陰極反應(yīng)，陽(yáng)極表面的電解質(zhì)電位相對(duì)較高，整體電解質(zhì)電位相對(duì)較低，外加電流密度足以保護(hù)船體免受腐蝕。

沒(méi)有涂層的螺旋槳

在模擬沒(méi)有涂層的螺旋槳時(shí)，我們施加了 3.1A 電流。同樣的，在船體表面，陽(yáng)極表面的電解質(zhì)電位高于其它部位的電解質(zhì)電位。然而，當(dāng)與船體表面其它部位相比時(shí)，軸表面及沒(méi)有涂層的螺旋槳表面的電解質(zhì)電位相對(duì)較低。

上圖：沒(méi)有涂層螺旋槳的教學(xué)模型中的電解質(zhì)電位。陽(yáng)極為紅色的圈。下圖：軸及沒(méi)有涂層螺旋槳的局部電流密度。

通過(guò)觀察軸表面及沒(méi)有涂層螺旋槳表面，我們發(fā)現(xiàn)其上的局部電流密度均為負(fù)值。由此，我們可以認(rèn)為軸表面及沒(méi)有涂層螺旋槳表面發(fā)生了陰極反應(yīng)。因此，在螺旋槳沒(méi)有涂層的情況下，電流密度也足以保護(hù)船體免受腐蝕。

無(wú)論螺旋槳是否具有涂層都能實(shí)現(xiàn)防腐蝕，但是有涂層螺旋槳所需的電流更低，從而使整個(gè)系統(tǒng)更高效。此外，如下圖所示，在螺旋槳有涂層的情況下，電解質(zhì)電位也更均勻。

有涂層/沒(méi)有涂層的螺旋槳模型電解質(zhì)電位對(duì)比圖?；￠L(zhǎng)表示船體長(zhǎng)度。

結(jié)論與后續(xù)步驟

通過(guò) COMSOL Multiphysics 仿真，我們發(fā)現(xiàn)與螺旋槳沒(méi)有涂層的船體相比，由于有涂層螺旋槳的船體表面電位較低，因此船體表面的耐腐蝕效果更佳。毫無(wú)疑問(wèn)，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)有涂層螺旋槳能更好地發(fā)揮保護(hù)作用。