引言

由于艦船長期處于海洋環(huán)境中，海水腐蝕一直是困擾艦船的一大難題。海水及海洋大氣對船體金屬的腐蝕要比陸地上嚴重，若不釆取有效的防護措施，將加快其腐蝕速度。調(diào)研結果表明，船體腐蝕問題觸目驚心，通常會造成設備損壞、管子泄漏，有些局部甚至腐蝕穿孔，使船體失去應有的強度，極大地影響了艦船的戰(zhàn)斗力，縮短了艦船的壽命。由此可見，控制艦船的腐蝕是一項十分重要的任務。

根據(jù)腐蝕過程的機理，艦船材料的腐蝕可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類?；瘜W腐蝕是材料同周圍介質(zhì)發(fā)生直接的化學作用。電化學腐蝕是材料在潮濕氣體以及導電的液體中，由于電子流動而引起的腐蝕。在海洋環(huán)境中，艦船多屬于電化學腐蝕，其主要發(fā)生在艦船的水上部位、水線區(qū)、水下部位、內(nèi)部艙室、設備和管系等，且由于海水的長期直接作用，以水下部位（包括船體、螺旋槳、舵等）、壓載水艙、設備管系的腐蝕更為嚴重。

艦船船體防腐保護主要采用陰極保護和涂層保護兩種方式。陰極保護是基于電化學反應機理而釆取的有效保護技術之一，通過導電介質(zhì)向被保護結構提供陰極電流，使被保護的船體變成陰極，從而得到防腐保護。涂層的作用則是將保護結構與腐蝕介質(zhì)隔離，達到防止腐蝕的目的。通常陰極保護和涂層聯(lián)合應用能夠形成完善的保護體系，能夠有效地解決上述腐蝕問題。然而，由于涂層自身的缺陷和施工過程中工藝上存在的缺陷，腐蝕仍將在這些缺陷處發(fā)生。因此，根據(jù)船體的實際情況和使用狀態(tài)，在接觸海水的部位通常釆取以陰極保護方法為主，消除涂層缺陷造成腐蝕的保護措施。

水面艦船防腐蝕設計方法

利用先進的防腐技術，降低腐蝕造成的損失是工程設計中重點考慮的問題.目前，國內(nèi)外針對艦船的防腐與防護，主要釆取以結構防腐和防腐蝕保護為主的總體綜合防腐蝕設計方法。

2.1船體結構和設備防腐設計結構

防腐設計的內(nèi)容較多，主要包括結構的選材、防止水滯留、縫隙腐蝕、電偶腐蝕和考慮腐蝕裕量等方面的設計。主船體外板應選用耐腐蝕材料，船底部位、水線部位、船殼及上層建筑部位內(nèi)部液艙部位、船底、船殼和露天甲板等，需進行重點防腐設計。在艦船結構設計中，應特別注意防止滯留水對該處甲板或船底板的腐蝕，不出現(xiàn)結構死角；內(nèi)部液艙流水通道應暢通。此外，舷外與海水接觸、壓載水艙和油污水艙內(nèi)的基座材料采用耐腐蝕的合金結構鋼。對與海水接觸的設備選型時，應考慮其防腐蝕要求，原則上要與艦總體防腐能力匹配。設備訂貨前，在設備的技術規(guī)格書中應明確防腐蝕的要求，到貨后按技術規(guī)格書上的防腐蝕要求進行驗。

2.2外加電流和犧牲陽極陰極保護設計

基于電化學反應機理，防腐蝕保護是以陰保護措施為主的設計方法，使陰極極化而防止腐蝕，其保護方式主要分為犧牲陽極法和外加電流法兩種。

2.2.1犧牲陽極法

利用腐蝕電池的原理，在原來的腐蝕電池體系中接入1個更加活潑的金屬。由于該金屬的腐蝕對原有腐蝕電池提供保護，加快了自身的腐蝕，因此，被稱為犧牲陽極。該方法優(yōu)點在于,選材容易，方便、安全可靠，平時無須管理。但是，為了保證防腐效果其陽極塊數(shù)要足夠多，且不能實現(xiàn)隨外界條件變化而自動控制，適用于中、小型艦船和無法提供可調(diào)電源的地方。

2.2.2外加電流法

顧名思義，其由外部的直流電源直接向被保護金屬通以陰極電流，使之陰極極化,達到陰極保護的目的。夕卜加電流保護方案由輔助陽極、參比電極、直流電源以及相關連接電纜組成。一般安裝于大、中型艦船上，電源正極接于安裝在船殼外部且與船殼絕緣的陽極上，電源的負極接在艦殼上。當電路接通后，電流將從陽極經(jīng)海水至船殼構成閉合回路，這樣使船殼免遭腐蝕外加電流法的電壓、電流可調(diào)性好，可隨外界條件變化實現(xiàn)自動控制，使用周期長，并且用于不同介質(zhì)之中。但需要1套控制設備,施工安裝及調(diào)試過程比較復雜，并須艦員經(jīng)常檢查管理。

2.2.3艦船陰極保護措施

對于水面艦船，通常釆取外加電流陰極保護與犧牲陽極相結合的陰極保護方法。船底和水線以下船體部位及附體，釆用外加電流陰極保護和長效配套涂料聯(lián)合防腐保護。壓載水艙、污油水艙釆用高效犧牲陽極和長效配套涂料聯(lián)合防腐保護。此外，接觸海水部位的不同管材的接頭、法蘭之間，必須進行有效的電絕緣處理。同時，由于外加電流陰極保護是一種成熟有效的船體防腐蝕保護方法,在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應用。尤其是對于大、中型艦船釆用外加電流陰極保護方法，可以避免安裝大量的犧牲陽極，減少航行阻力，并具有不受外界條件（如航速、溫度、海區(qū)和油漆涂層狀態(tài)等）和塢期限制等優(yōu)越性，從而有效地抑制船體腐蝕，延長艦船進塢周期。這樣不僅節(jié)省費用，而且保證了艦船處于良好的戰(zhàn)備狀態(tài)，具有明顯的經(jīng)濟效益和顯著的經(jīng)濟軍事意義。

現(xiàn)代水面艦船防腐蝕設計現(xiàn)狀和存在的主要問題

3.1國內(nèi)外現(xiàn)代水面艦船防腐蝕設計現(xiàn)狀

艦船的腐蝕問題對國民經(jīng)濟和國防建設有著重大的影響，各國對艦船的腐蝕問題十分重視美國制定的美國海軍艦船通用規(guī)范、MIL標準、英國BS7361、挪威DNV規(guī)范都提出了釆用陰極保護與涂層聯(lián)合防腐蝕的措施，并對方案設計設備選型、系統(tǒng)安裝、調(diào)試驗收、日常維護進行了詳細的規(guī)定。50年代開發(fā)犧牲陽極的同時，美國、英國及加拿大在海軍艦船上也開始試驗外加電流陰極保護系統(tǒng)。如在1954年，加拿大海軍就釆用手控外加電流系統(tǒng)，輔助陽極采用消耗性鋼板，為達到年的設計壽命，陽極重量競超過了10t。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，外加電流系統(tǒng)的各部件如輔助陽極參比電極、控制電源等都已逐漸成熟。目前，國外艦船陰極保護技術的發(fā)展主要表現(xiàn)在兩方面：一是陰極保護設計技術的提高，釆用計算機輔助優(yōu)化設計；另一方面就是外加電流陰極保護系統(tǒng)部件材料的不斷改進和性能的不斷提高，如輔助陽極就從早期的廢鋼鐵、高硅鐵發(fā)展到鉛銀合金伯復合陽極以及混合金屬氧化物陽極等。我國船體材料通常采用較高強度低合鋼，其在海水中的平均腐蝕速率為0.14mm/a（92鋼青島實海掛片數(shù)據(jù)），局部腐蝕速率為0.4mm/a（921鋼）。實船應用時，由于受螺旋槳等不同材質(zhì)結構的影響，實際腐蝕速率會更大。這就意味著，船體鋼板在無任何保護或只有涂層保護的情況下，在3?5年內(nèi)將腐蝕穿孔。因此，作為船體本身，釆取陰極保護與涂層聯(lián)合防腐是必不可少的措施.我國于60年代中期開始進行外加電流陰極保護的實船試驗，70年代初，在第一艘驅(qū)逐艦上安裝了外加電流系統(tǒng)。1982年制定了''船體外加電流陰極保護系統(tǒng)”的國家標準。現(xiàn)在，我國研制生產(chǎn)的外加電流陰極保護裝置已在艦船上大量安裝應用。

3.2我國水面艦船防腐蝕設計存在的主要問題

隨著艦船外加電流陰極保護技術的不斷發(fā)展進步，智能化、高效率、長壽命的陰極保護系統(tǒng)已在國外艦船上得到應用，并在大型艦船上已普遍應用現(xiàn)代數(shù)值分析計算方法和以計算機作為工具進行陰極保護系統(tǒng)設計的現(xiàn)代設計方法］。由于這一技術屬于高新技術，在國外的文獻報道中對其求解和尋優(yōu)等關鍵技術只字未提。但是，國內(nèi)在這方面的技術研究起步較晚，存在較大的差距。我國在實際工程中，外加電流陰極保護系統(tǒng)的設計方法一直是基于單純依據(jù)經(jīng)驗估算和簡單的暴露試驗方法為主的傳統(tǒng)計算設計方法，對于輔助陽極和參比電極數(shù)量及布置位置，只能定性，而不能定量分析，帶有極大的盲目性；尚未實現(xiàn)智能化管理和控制，未實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與互動；電源裝置容量小，輔助陽極排流量小，參比電極壽命短；對系統(tǒng)防護的效果和功能狀態(tài)也只能憑肉眼觀察，沒有試驗數(shù)據(jù)作為支撐和評估，系統(tǒng)在使用和維護中也需要反復更正等問題。同時，隨著大型艦船排水量的增加，船體浸水面積大，所需的保護電流量也成倍增加。

隨之而來，如何使保護電位和電流分布均勻，也是外加電流陰極保護優(yōu)化設計技術需要開展的研究內(nèi)容。此外，在防腐方面，國內(nèi)艦船偏重于保護壽命的設計，但對由防腐弓I起的艦船周圍的電場情況沒有考慮，造成潛在的不安全性。尤其是對艦船的外加電流陰極保護系統(tǒng)中保護電位指標值的選取和使用中如何正確控制，才能做到既能滿足電化學防腐的要求，又能滿足電場防護的安全性的要求，使之達到艦船防腐與隱身雙重效果，都是值得研究的重要課題。

現(xiàn)代水面艦船防腐蝕優(yōu)化設計方法和發(fā)展趨勢

現(xiàn)代水面艦船防腐蝕設計是一項系統(tǒng)工程，從總體綜合防腐觀點出發(fā)，需要總船設計、各系統(tǒng)和專業(yè)設計及工藝技術部門互相配合，協(xié)調(diào)一致.

4.1選用合適的耐腐蝕結構材料和防腐涂料結構材料

使用耐海水腐蝕性能好的材料建造船體，這對船體的使用、保養(yǎng)、維修都比較方便，并直接影響艦船的使用壽命、經(jīng)濟性及可靠性。在船體結構設計時，應盡量選用相同的材料或經(jīng)可焊接性、材料性能匹配性等試驗合格的高強度、耐腐蝕的特種造船用鋼。在異種金屬結構的材料之間進行絕緣處理，減少異種金屬電位腐蝕。艦船主船體、上層建筑和內(nèi)部各種不同用途艙室需使用長效無毒防腐涂料.艦船上大容積的燃油艙或重油艙、航空煤油艙等部位，需用淺色導靜電耐油涂料。

4.2艦船陰極保護系統(tǒng)

整個艦船體需采用外加電流陰極保護與犧牲陽極雙重陰極保護措施。從而，船體水下的主船體、螺旋槳、球鼻首導流罩三極電偶電池系統(tǒng)與防腐保護的外加電流陰極保護系統(tǒng)以及犧牲陽極系統(tǒng)共同形成了一個廣義上的電池耦合系統(tǒng)。在這個廣義電池耦合系統(tǒng)中，需要由耦合外加電流陰極保護系統(tǒng)向復雜電偶電池系統(tǒng)提供充分的保護電流，以覆蓋螺旋槳及球鼻首導流罩對主船體產(chǎn)生的電偶腐蝕作用，使得主船體處于良好的防腐狀態(tài)。同時，各類電池在船體周圍形成的誘導電場耦合疊加而成的統(tǒng)一電場也需被控制在一個合理的水平上。

由于外加電流陰極保護優(yōu)于犧牲陽極的陰極保護而得到迅速發(fā)展。但是，對于現(xiàn)代大型水面艦船的防腐,外加電流保護裝置關鍵在于大功率直流電源控制裝置的研制以及護電位指標值的選取和控制。今后，還需對電場的空間和表面分布計算方法、電流的電場計算方法、異種金屬結構之問電絕緣等進行深人研究。壓載水艙是封閉空間，由于可能產(chǎn)生氫氣，不允許釆用外加電流系統(tǒng)，所以應釆用防腐涂裝和犧牲陽極并用的復合防腐技術。犧牲陽極的布置方案，關鍵技術在于優(yōu)化布置，使壓載水艙的全部結構表面的保護電位水平達到基準范圍。

4.3釆用計算機仿真技術進行陰極保護防腐優(yōu)化設計方法

隨著計算機應用的發(fā)展日益深人，計算機仿真技術是一種強有力的技術手段。從仿真模型中，可以得到滿足整個艦船陰極保護系統(tǒng)設計所需的高精度數(shù)值分析解法來預測電位和陽極電流，從而優(yōu)化設計，達到在船體上產(chǎn)生均勻分布的電位，使電位保持在特定的范圍內(nèi)，避免發(fā)生過保護或欠保護現(xiàn)象。

4.3.1建立計算機仿真模型

基于數(shù)值模擬仿真技術建立船體水面下廣義耦合電池系統(tǒng)的仿真計算模型（局部模型見圖3）.建模的基本思想是，將水面以下的主船體表面、螺旋槳表面、球鼻首導流罩表面、犧牲陽極表面等離散成三角形單元或四邊形單元集合，在三角形或四邊形單元集合中隱含著對保護電流及保護電位的描述.同時，對船體進行網(wǎng)格離散化，再根據(jù)它們的電化學特性，形成廣義耦合電池系統(tǒng)仿真計算模型的邊界條件。計算機模型能描繪船體濕表面陰極保護電位分布狀態(tài)，實現(xiàn)全壽命周期船體陰極保護狀態(tài)的可視化。此外，該模型不僅可以用來優(yōu)化外加電流陰極保護系統(tǒng)的電極的總體布置位置，而且也可以用于定義外加電流陰極保護系統(tǒng)的控制規(guī)則，從而在提高系統(tǒng)性能和圖3廣義耦合電池系統(tǒng)算模型局部示意圖降低系統(tǒng)風險的情況下實現(xiàn)優(yōu)化設計的目標。

4.3.2數(shù)值模擬計算

釆用數(shù)值模擬計算技術，對船體耦合陰極保護系統(tǒng)進行模擬計算，確定全壽命周期外加電源的容量和控制參數(shù)指標。利用計算模型可以得到不同的操作環(huán)境下，夕卜加電流陰極保護系統(tǒng)的保護信息。通過改變模型中涂裝導電率的方法，可模擬隨時間改變的電流需求量。從而，得到外加電流陰極保護系統(tǒng)需求的總電流需求以及在較好和較壞的艦船涂裝條件下，單個輔助陽極電流的信息。在考慮海水導電率情況下的保護電位，計算機模型還可預測艦船在不同服役期內(nèi)由于涂裝導電率改變而導致的損害。優(yōu)化設計的過程包括對船體電位截面的一系列計算，以及對可替換輔助陽極的設計，這些都可以由仿真模型模擬計算完成。

計算機仿真可以提供例如電位分布、總電流等應用中需要的設計參數(shù)，以及一些不同環(huán)境的參數(shù)同樣可以根據(jù)計算機仿真來實現(xiàn)。應用陰極保護數(shù)值模擬技術能夠克服先行防腐設計方法中的固有缺陷，對陰極保護系統(tǒng)的動態(tài)過程進行模擬仿真，在確認船體表面上保護電位及保護電流分布狀態(tài)隨時間變化規(guī)律的基礎上，確保船體表面在全壽命周期內(nèi)處于有效保護狀態(tài)。

4.3.3計算結果分析

(1)根據(jù)計算結果可以評估設計的外加電流陰極保護系統(tǒng)的實際效能。其中一些部位存在過保護或欠保護的現(xiàn)象，可通過陽極數(shù)量、位置和電流的調(diào)整，使之達到較好的保護等級以達到較優(yōu)化的目標。因此,通過分析外加電流陰極保護裝置的運行狀態(tài)、犧牲陽極的工作狀態(tài)、船體周圍海水中電場特性，以及船體水面下三極電偶電池系統(tǒng)表面上的保護電流及保護電位分布狀態(tài)等，能夠提出更為合理的外加電流陰極保護與犧牲陽極的陰極保護措施的優(yōu)選方案。計算機設計具有方便、快捷、靈活等優(yōu)點，尤其是對一些復雜的被保護對象而言，影響的因素眾多，光憑_些經(jīng)驗及試驗是難以達到理想保護狀態(tài)的，通過計算機仿真和設計的方法，使得陰極保護、電場分析和輔助陽極形狀、尺寸、布置方式、數(shù)量、位置等方面的優(yōu)化以及值，勿使過高。在工況發(fā)生變化時，要根據(jù)各機器特性，合理調(diào)整油門開度，使主機的速度特性適應螺旋槳特性的變化。例如，當船舶在大風浪中航行及船舶過狹窄水道或淺水道等工況時，柴油機轉(zhuǎn)速會自行下降，于是往復慣性力減小，氣缸至大爆破壓力則變化不大，因此氣體力與往復慣性力的差值相應增大，從而使十字頭軸承所受機械負荷增大，這樣就容易造成該軸承龜裂。因此，工作人員要特別注意當工況變化時，不要使柴油機超負荷運轉(zhuǎn)。

(2)要保證軸承的良好潤滑和冷卻。前面提到十字頭軸承所處的工作條件苛刻，不易形成良好的潤滑油膜，因此，必須對軸承的潤滑情況給予密切注意。要保證供給該處足夠的合適的潤滑油，而且必須保持滑油的干凈，嚴防水份、柴油、金屬粉末等雜質(zhì)的混入。滑油不潔將造成配合件的磨損加劇和其他故障，造成十字頭軸承的損傷因此，要時常檢査系統(tǒng)的管路及容器，定期清洗滑油濾器。柴油機外部滑油管路清洗一定要與其內(nèi)部滑油管路分開來，絕不允許清洗外部管路油液流經(jīng)主機。

(3)機器運行時，嚴格按要求控制溫，另外十頭軸承在工作時摩擦產(chǎn)生的熱量，如不及時冷卻，軸承的溫度會升高到不能允許的程度這會導致軸承承載能力的急劇下降和軸瓦材料的損壞，所以需要有一定的潤滑油流量，把摩擦產(chǎn)生的熱量帶走。為此在柴油機工作時要密切注意潤滑油泵的工作情況，運行時，要特別注意滑油的正常供應(包括油壓、油量)，為提高十字頭軸承的工作可靠性，按要求提高滑油壓力外，在滑油的流向上還將滑油首先引入十字頭軸承，以減少管路損失所導致的油壓降低。

(4)加強值班工作，在柴油機動轉(zhuǎn)過程中，應經(jīng)常仔細傾聽曲柄箱的聲音和觸摸曲柄箱的冷熱，以檢査是否有異常溫升及不正常的運轉(zhuǎn)聲，密切注意軸承的工作情況，發(fā)現(xiàn)有異常，應及時釆取相應的措施。