船舶雜散電流腐蝕與防護(hù)案例分析

劉英杰

?

船舶雜散電流腐蝕與防護(hù)案例分析

劉英杰

（交通運(yùn)輸部北海救助局，山東煙臺 264012）

船舶雜散電流腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕。本文以某船舵葉、美人架、螺旋槳異常腐蝕現(xiàn)象分析船舶雜散電流發(fā)生的原因、危害及防護(hù)措施，對于類似船舶的設(shè)計(jì)建造可引以為鑒。

雜散電流 腐蝕 防護(hù)

0 引言

雜散電流是指那些通過非常規(guī)設(shè)計(jì)電路流動的電流，以工業(yè)設(shè)施的泄漏電流為主，它可能是連續(xù)的，斷續(xù)的；也可能是單向的或交變的。雜散電流腐蝕現(xiàn)象在地鐵、輕軌、地下管道等城市基礎(chǔ)設(shè)施中都有不同程度的存在，許多專家學(xué)者對雜散電流腐蝕形成的原因、種類、條件等進(jìn)行研究，并針對其特點(diǎn)采取各種防護(hù)措施，有效阻止雜散電流對鋼制構(gòu)筑物的腐蝕。近些年，船舶雜散電流腐蝕的情況也時(shí)有發(fā)生，特別是長期系泊的船舶，靠近陸地，受周圍環(huán)境的干擾影響較大，或由于本身施工作業(yè)不當(dāng),如焊接時(shí)負(fù)極接地錯(cuò)誤使船體等水下金屬部件處于雜散電流腐蝕狀態(tài)，有的船舶短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)船體坑狀腐蝕。由于用船單位大都對船舶雜散電流腐蝕不甚了解，面對船體及水下金屬部件腐蝕情況，往往從船體材料、犧牲陽極配置數(shù)量不夠等找原因，使問題不能有效解決。本文的案例是一艘新造小型工作船,該船出廠后,長期接岸電靠泊碼頭,短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)水下銅制螺旋槳、舵葉、美人架發(fā)生嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，船廠、設(shè)備供應(yīng)商、船東對造成腐蝕的原因進(jìn)行分析，一時(shí)找不到具體原因。后經(jīng)不斷觀察、測量、分析，判斷造成銅制部件腐蝕的原因?yàn)殡s散電流腐蝕，并采取相應(yīng)措施阻止雜散電流形成，使相應(yīng)金屬部件得以有效保護(hù)。本文從該工作船的工作狀態(tài)、船體及金屬部件安裝狀態(tài)、船舶電制、周圍環(huán)境等方面分析形成雜散電流的原因，采取有效措施，最終徹底解決腐蝕問題。

1 水下金屬部件腐蝕的發(fā)現(xiàn)與進(jìn)展情況

1.1 船體及水下部件安裝情況

該工作船由南方某沿江造船廠建造，采用雙主機(jī)、雙艉軸、雙螺旋槳、雙舵葉形式。每側(cè)艉軸由兩道美人架支撐；水面以下船體材質(zhì)為鋼制；螺旋槳、舵葉、美人架為鎳鋁青銅材質(zhì)；艉軸材質(zhì)為不銹鋼。船體按常規(guī)方式涂刷防銹和防污漆，采用嵌入式鋅塊作犧牲陽極保護(hù)；艉軸進(jìn)行接地連接；美人架與船體采用環(huán)氧樹脂連接，與船體絕緣，美人架軸承采用橡膠軸承；舵葉安裝亦保持與船體絕緣；螺旋槳為可變螺距形式，槳轂將軍帽內(nèi)安裝特制圓形鋅塊。

1.2 初次發(fā)現(xiàn)腐蝕情況

該船建成后由駁船裝載運(yùn)往北方交與船東。船舶吊放駁船進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)螺旋槳、舵葉及美人架均有輕微坑狀腐蝕（見圖1）。為了準(zhǔn)確判斷腐蝕原因，船廠組織相關(guān)各方及專家現(xiàn)場查驗(yàn)。根據(jù)情況判斷為材料本身存在脫成分腐蝕情況的可能性較大，鑒于腐蝕坑上有的附著一些海生物，也有可能為海生物腐蝕。由于具體原因不能查明，大家建議先行將船交與船東使用，待3到4個(gè)月后再進(jìn)行上塢檢查，查驗(yàn)腐蝕進(jìn)展情況，進(jìn)一步判斷原因。

圖1 初次發(fā)現(xiàn)水下部件腐蝕情況

1.3 再次上塢腐蝕情況

4個(gè)月后該船上塢，相關(guān)人員及專家再次現(xiàn)場查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以上部件的腐蝕情況均有不同程度的加重，其中左舵葉的腐蝕情況非常嚴(yán)重，舵葉雙面大面積腐蝕，腐蝕坑增大且加深。右側(cè)舵葉較4個(gè)月前亦有明顯加重，但較左側(cè)腐蝕程度較輕。雙側(cè)美人架均有較大程度的腐蝕，出現(xiàn)溝槽狀腐蝕情況。雙側(cè)螺旋槳腐蝕較輕，沒有明顯加重。雙側(cè)艉軸光亮如初，沒有變化。船體油漆保護(hù)良好，但鋅塊消耗嚴(yán)重，有的鋅塊已近耗盡。螺旋槳保護(hù)鋅塊亦消耗大半，達(dá)到換新要求。

圖2 再次上塢水下部件腐蝕情況

2 腐蝕原因分析

2.1 分析過程

針對以上情況，大家的第一判斷仍然是懷疑銅質(zhì)部件的材質(zhì)是否有問題，其次是安裝是否滿足要求，與船體絕緣是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。為此我們對材質(zhì)進(jìn)行取樣，待送權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，出具報(bào)告后再做判斷。同時(shí)對各部件與船體的狀態(tài)進(jìn)行測量。測量結(jié)果4道美人架絕緣良好，左側(cè)舵葉絕緣較差，右側(cè)舵葉絕緣良好。

根據(jù)供貨商的產(chǎn)品報(bào)告，以上銅質(zhì)部件為同一批次產(chǎn)品，取樣送檢報(bào)告顯示，樣品材質(zhì)基本符合成分要求。由此可以基本否定腐蝕是材質(zhì)原因造成。

根據(jù)絕緣測量結(jié)果，也不能判斷絕緣好壞與腐蝕有直接聯(lián)系。

根據(jù)船體鋅塊的大量消耗情況，銅質(zhì)部件的非常規(guī)腐蝕情況，我們認(rèn)為一定存在一種非常見的腐蝕原因。

為此查閱有關(guān)船舶腐蝕的相關(guān)資料，有一種雜散電流腐蝕的概念。但船舶雜散電流腐蝕的案例基本都是修船時(shí)直流焊機(jī)負(fù)極接地錯(cuò)誤使碼頭和船體之間形成電流，造成對船體的腐蝕現(xiàn)象。雖然沒有直接參照的案例，但從理論上掌握了雜散電流的概念，了解了雜散電流的類型和形成雜散電流的條件，為我們對該船的腐蝕現(xiàn)象判斷提供了理論依據(jù)。

2.2 雜散電流存在的驗(yàn)證

根據(jù)雜散電流腐蝕的判斷準(zhǔn)則,供電系統(tǒng)或電器設(shè)備等引起的雜散電流造成船體電位正向偏移大于20 mV，即可判定產(chǎn)生雜散電流腐蝕[1]。

我們對船體電位進(jìn)行多點(diǎn)多次測量，平均值在-0.69 V左右，該值已明顯偏離船體正常保護(hù)電位-0.80 V至-1.0 V的標(biāo)準(zhǔn)值[2]，如果不是犧牲陽極保護(hù)不夠，說明船舶存在雜散電流腐蝕情況。

2.3 雜散電流的來源

由于船舶長期靠泊碼頭，周圍環(huán)境并不復(fù)雜，沒有外圍設(shè)備干擾情況，船體與外界的唯一聯(lián)系就是岸電系統(tǒng)。我們將岸電從碼頭岸電箱拆除，使船舶與碼頭沒有連接，再多點(diǎn)多次測量船體電位，平均值達(dá)到-0.78 V,接近船體標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位。這進(jìn)一步說明船舶存在雜散電流腐蝕，并且可以判定雜散電流的來源與岸電系統(tǒng)有關(guān)。

2.4 雜散電流的形成原因

岸電為380 V/50 Hz三相四線制，本船電力系統(tǒng)亦為380 V/50 Hz三相四線中性點(diǎn)接地配電系統(tǒng),這與一般船舶的三相三線絕緣系統(tǒng)存在不同，我們認(rèn)為這點(diǎn)不同就是雜散電流形成的原因。

船舶三相三線絕緣系統(tǒng)，平時(shí)接岸電只需與陸地連接三相電源即可，岸電的零線是斷開的，船舶只要保持配電系統(tǒng)絕緣良好，船體與陸地零線之間不會產(chǎn)生電流。船舶三相四線制接岸電是需要將船舶的零線與陸地零線相連接的，由于船舶的用電設(shè)備在三相的布置是不平衡的，本船發(fā)電機(jī)功率較小，用電設(shè)備工作狀態(tài)不一致，加大了三相電流的不平衡程度，這樣零線中就會長期存在較大的電流。本船為小型船舶,日常用電設(shè)備為220 V，其中1臺日用水加熱器，2臺空調(diào)屬于較大用電負(fù)載，功率均在4 KW到5 KW左右，分別布置于不同的3相中，但因需求不同，3臺設(shè)備可能只有1臺運(yùn)行，這就造成很大的不平衡，這時(shí)零線中的電流可能在20 A以上。另外本船的岸電電纜長度為150 m長，零線較細(xì)，截面積為10 mm2，根據(jù)銅的電阻率計(jì)算，零線的電阻約為：R1=ρL/S=0.0172(μΩ.m)*150m/10 mm2=0.263 Ω。這樣零線兩端存在（20 A* 0.263 Ω）近5 V的電位差，由于船體與碼頭靠近，海水又有較高的導(dǎo)電性，船體和碼頭之間這個(gè)電位差就通過海水組成回路，形成雜散電流。由于陸地岸電箱的零線接線螺栓長期不用，銹蝕較重，加大了接觸電阻，增大電位差，更會使雜散電流增大。

圖3 岸電與船舶負(fù)載系統(tǒng)圖

2.5 腐蝕狀態(tài)分析

本船水下銅質(zhì)部件為坑狀腐蝕，坑面顏色發(fā)黑，船體犧牲陽極鋅塊溶解量超過正常水平，這些現(xiàn)象均符合雜散電流腐蝕的相應(yīng)特點(diǎn)[3]。

美人架和舵葉均發(fā)生腐蝕加重現(xiàn)象，與安裝方式有直接關(guān)系。供貨商和設(shè)計(jì)者從保護(hù)船體的角度考慮，為防止銅與鋼產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕損壞鋼板，采取了絕緣安裝方式，正是絕緣安裝使船體的犧牲陽極鋅塊不能對其進(jìn)行保護(hù)，使其完全獨(dú)立處于雜散電流腐蝕狀態(tài)中。

4道美人架腐蝕較重，因?yàn)樗鼈兙幱跈C(jī)艙底部，與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地部位較近，遭受雜散電流的密度較大。

左側(cè)舵葉的絕緣雖然不是很好，但仍有較大阻值，不足以得到犧牲陽極的保護(hù)。由于船舶靠泊方向原因，該舵葉離碼頭更近，較右側(cè)舵葉相比受雜散電流影響更大，所以左側(cè)舵葉較右側(cè)舵葉腐蝕更加嚴(yán)重。

左右螺旋槳腐蝕情況沒有變化，是因?yàn)槁菪龢ㄟ^軸接地與船體良好連接，且其槳轂中安裝鋅塊，實(shí)現(xiàn)了犧牲陽極的有效保護(hù)。

船體由于涂刷防銹和防污漆得到了良好的保護(hù)，阻礙了雜散電流的腐蝕。

3 問題解決

雜散電流防護(hù)的方法大致可歸納為以下三類[4,5]：

1）控制和減小雜散電流產(chǎn)生的根源，隔離所有可能的雜散電流泄露途徑，俗稱“堵”；2）為雜散電流提供一條暢通的低電阻通路，俗稱“排”；3）監(jiān)測雜散電流大小，以便超標(biāo)時(shí)及時(shí)采取措施，俗稱“測”。

對于本船的情況，我們認(rèn)為必須從根本上消除產(chǎn)生雜散電流的根源，以堵為主，以排為輔。

本船電力配電系統(tǒng)比較簡單，船舶將三相四線制改為三相三線制，增加日用變壓器，取消中性點(diǎn)接地和零線，這樣就堵住了雜散電流的泄露途徑。在船舶艉部增加犧牲陽極鋅塊的布放數(shù)量，加大犧牲陽極排流的能力和時(shí)限。將舵葉和美人架改變安裝方式，實(shí)行可靠接地。加強(qiáng)水下特殊部位的防護(hù)，防止尖角溝槽等部位防護(hù)漆的脫落。

船舶經(jīng)過以上措施后，我們對船體電位經(jīng)過多次測量，均在標(biāo)準(zhǔn)值之內(nèi)，經(jīng)過一段時(shí)間觀察，水下部件完好，說明該船雜散電流腐蝕問題得以徹底解決。

4 結(jié)束語

通過該案例，我們不僅從理論上了解了雜散電流的概念，也真實(shí)感受到其實(shí)際的危害和破壞性是極其嚴(yán)重的。作為船舶使用者往往會第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)船舶腐蝕情況，一旦發(fā)現(xiàn)船舶水下部件出現(xiàn)非常規(guī)腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)充分分析船舶使用狀態(tài)和周圍環(huán)境，考慮是否存在雜散電流生成的條件。希望能為同行提供幫助和借鑒。

[1] 中國船舶工業(yè)總公司. 中華人民共和國船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn): CB/T13-1995[S]. 1995.

[2] 劉賓. 案例法淺析船舶雜散電流腐蝕問題[J]. 中國水產(chǎn), 2009.

[3] 許建國. 淺談雜散電流腐蝕機(jī)理及防護(hù)措施[J]. 鐵道機(jī)車車輛, 2005.

[4] 張安明, 曲本文, 孫小舟, 魯統(tǒng)軍. 船舶雜散電流腐蝕研究現(xiàn)狀[J] .全面腐蝕控制, 2015.

[5] 王璐.鋼板樁碼頭靠泊船雜散電流腐蝕研究[D].大連: 大連理工大學(xué), 2008.

Study on Stray Current Corrosion and Protection of Ships

Liu Yingjie

(Beihai Rescue Bureau, The Ministry Of Transport, Yantai 264012, Shandong, China)

U672.72

A

1003-4862（2019）07-0013-03

2018-12-21

劉英杰（1965-），男，高級工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail: 13963858759@126.com