艦船腐蝕相關靜態(tài)電場水下電位特征研究

楊鵬程 ,楊靖浩 ,姜潤翔

(1.海軍工程大學 電氣工程學院,湖北 武漢,430033;2.中國船舶集團有限公司 第708 研究所,上海,200011)

0 引言

艦船電場是除聲場、磁場和水壓場之外又一明顯的船舶物理場特征,按其形成的原因可分為靜電場、軸頻電場、諧波電場和感應電場等[1-3]。其中,艦船靜電場信號的量級較大,可被應用于重點海域、要地及要道的警戒封鎖系統(tǒng)的研制,如俄羅斯研制的KOMOR 電磁封海系統(tǒng)[4]。文獻[5]基于實測數據,分析了艦船電場的特性,但是其分析是建立在單節(jié)點測量系統(tǒng)基礎上的,難以滿足全面掌握艦船電場特征的要求。為了全面掌握艦船靜電場信號的特征,除了建立數值仿真計算模型外,還可依托縮比模型和實船試驗。文中在電場測量陣列的基礎上,基于典型模型試驗與實船試驗,分析了艦船靜電場的水下電位特征。

1 艦船腐蝕相關靜電場

艦船是由多種材料組成的復雜結構物,主要有低合金鋼、鑄鋼、銅合金、鋁合金、不銹鋼和鈦合金等。由于不同金屬材料在海水中的電極電位不同,當它們之間存在電連接時,將形成腐蝕原電池,從而在回路中產生電流[6-7]。隨著電流的產生,陽極將逐漸被腐蝕,而陰極得到保護,最后達到動態(tài)平衡,在海水中產生穩(wěn)恒電流。為了保護船體不受腐蝕,現代船舶上普遍采用了外加電流陰極保護(impressed current cathodic protection,ICCP)系統(tǒng)和犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)產生防腐電流。腐蝕電流和保護電流均會導致船體周圍出現電場信號,稱為腐蝕相關靜電場信號(簡稱為靜電場信號)[8],鋼制船體與銅制通海閥電化學腐蝕產生的水下電位信號如圖1 所示,圖中:U為水下電位;h為測量深度。

圖1 “船體-通海閥”產生的水下電位信號Fig.1 Underwater potential signal generated by hullaccess valve

2 縮比模型試驗

船體表面異種金屬分布的多樣性、艦船陰極保護系統(tǒng)設計的差異性,均將導致艦船靜電場信號的多樣性?？s比模型試驗重點對陰極保護系統(tǒng)對艦船靜電場的影響進行了分析。試驗船模長4.13 m,寬0.57 m,吃水深度為0.13 m,船體艏部安裝有側推青銅槳,艉部安裝有主推青銅槳,內部安裝有被動軸接地裝置,船體艏側推槽道內、減搖鰭和舵板安裝有可以實現外部連接的3 對犧牲陽極,船體表面安裝有8 對輔助陽極和16 個監(jiān)測參比電極,輔助陽極、參比電極和船體分別與電化學工作站的CE、RE、WE 端連接,可實現對ICCP 系統(tǒng)的模擬。犧牲陽極與ICCP 保護系統(tǒng)的布置圖見圖2。

圖2 犧牲陽極與輔助陽極布置圖Fig.2 Layout of sacrificial anodes and auxiliary anodes

試驗水池長14 m,寬7 m,水深1.08 m,水池上安裝有導軌和拖曳裝置,可實現對縮比模型的拖動,水池內部安裝4 個不同深度平面的電場測量陣列。其中,4 個不同深度依次為0.5B(B為船寬)、25 m、1.0B、1.5B按照1∶60 縮比對應的深度,分別為28.5、41.7、57、85.5 cm,每個深度的9個測量Ag/AgCl電極間距為142.5 mm?；鶞蔄g/AgCl電極(零電極)與測量電極的最小距離為3 m,縮比模型通過電場測量陣列的現場照片如圖3 所示。

圖3 縮比模型通過電場測量陣列的現場照片Fig.3 Field photos of scale model passing through electric field measurement array

將36 個測量電極與基準電極的信號傳輸至高精度24 位采集器,采樣頻率設定為100 Hz,實時記錄水下電位信號?？s比模型以13.77 cm/s 的速度通過測量陣列,不同船體狀態(tài)條件下深度20 m(縮比為41.7 cm)平面的水下電位信號如圖4 所示(船艏及船艉對應的位置分別為1.377 m 和5.508 m)。圖4 中不同船體狀態(tài)分別對應于8 種不同狀態(tài),分別為: 狀態(tài)1,船體自然腐蝕;狀態(tài)2,船體-艏側推槳電化學腐蝕;狀態(tài)3,船體-艏側推-艉部槳電化學腐蝕(艦船工作時的初始狀態(tài));狀態(tài)4,狀態(tài)3 工作前提下艏側推犧牲陽極陰極保護;狀態(tài)5,狀態(tài)3工作前提下減搖鰭犧牲陽極陰極保護;狀態(tài)6,狀態(tài)3 工作前提下艉舵犧牲陽極陰極保護;狀態(tài)7,狀態(tài)3 工作前提下艏側推、減搖鰭、艉舵犧牲陽極陰極保護;狀態(tài)8,狀態(tài)7 工作條件下的外加電流陰極保護。

圖4 深度41.7 cm 平面不同陰極保護狀態(tài)條件下水下電位信號Fig.4 Underwater potential signals under different cathodic protection conditions at a depth of 41.7 cm

由圖4(a)可知,即使船體上未安裝有異種金屬,船體鋼及焊料之間的微腐蝕與電化學腐蝕依然會產生水下電位信號,但其幅度相對較小;對比圖4(c)～圖4(f)可知,相對于艦船工作時的初始狀態(tài),不同位置的犧牲陽極工作后,對水下電場的影響是不同的,如艉舵犧牲陽極工作時,將導致水下電位的峰-峰值降低,即可通過合理的布放犧牲實現電場隱身;對比圖4(b)～圖4(h)可知: 1) 不同船體狀態(tài)條件下的水下電位的波形、幅度都存在較大的差別,即艦船水下電場與電化學腐蝕與陰極保護狀態(tài)密切相關;2) 在近場范圍內,艦船水下電位信號具有多峰的特點,且峰值點對應于主要電場源的位置。

犧牲陽極陰極保護狀態(tài)條件下,不同深度平面的水下電位信號如圖5 所示。對比圖4(g)與圖5可知,隨著測量深度的增加,水下電位信號逐漸平滑,即接近于偶極子產生的電位信號。

圖5 不同深度平面的水下電位信號(犧牲陽極陰極保護狀態(tài))Fig.5 Underwater potential signals at different plane depths(sacrificial anode and cathode protection state)

3 海上試驗

為了進一步研究艦船靜態(tài)電場的特征,在某海域(水深30 m)布置一套水下電位測量陣列,該電位陣列共包含18 個電極,其中2 個為基準電極(1 個基準電極備用),16 個為測量電極,測量電極序號依次為1～16,測量電極之間的相鄰距離為5 m,基準電極距離最近的測量電極90 m。16 個測量電極與基準電極信號利用雙絞屏蔽電纜傳輸至岸上數據采集系統(tǒng),系統(tǒng)采樣頻率為250 Hz,試驗持續(xù)時間為140 d,期間獲取了大量海洋環(huán)境及艦船電場信號。測試期間,獲取了1～7 級海況條件下的海洋環(huán)境電場值,海洋環(huán)境電場時域波形有明顯周期,幅值均在10～40 μV 之間,4 級海況條件下的海洋環(huán)境背景值如圖6 所示。由圖6 可知,不同測量點的水下電位信號存在較強的相關性。對4 級海況其中1 個測量節(jié)點600 s 時間內的電位信號計算其頻譜,結果如圖7 所示（圖中U(f)為頻率對應的信號能量的加和，由圖7 可發(fā)現,海洋環(huán)境電場的頻率主要集中在0.2 Hz以下頻段,與海浪的頻率分布一致。

圖6 海洋環(huán)境電位分布(4 級海況)Fig.6 marine environmental potential distribution(level 4 sea state)

圖7 海洋環(huán)境電位頻譜及累計能量占比(4 級海況)Fig.7 Spectrum and cumulative energy proportion of marine environmental potential(level 4 sea state)

圖8 為典型艦船通過時的水下電位信號,圖中幅度進行了歸一化處理。由圖8 可發(fā)現,不同艦船通過時的水下電位信號通過特性明顯。圖8 中3 個目標的平面電位峰-峰值變化曲線如圖9 所示。對圖8 中得到的平面電位信號,選取峰-峰值最大的測線,計算其頻譜,結果如圖10 所示。由圖10 可知,艦船靜電場能量主要集中在0～0.1 Hz范圍內。依據圖10 中的結果,計算其不同頻段內的累計能量與總能量的比值,結果如圖11 所示。由圖11 中的結果可知,艦船靜電場能量主要集中在0～0.1 Hz 的頻段范圍內,這為以低頻頻段內的能量總和作為特征檢測艦船靜電場提供了可能和依據。

圖8 典型目標水下電位分布Fig.8 Underwater potential distribution of typical targets

圖9 典型目標水下電位峰-峰值變化曲線Fig.9 Underwater peak-to-peak potential curves of typical targets

圖10 典型目標水下電位頻譜Fig.10 Underwater potential spectrum of typical targets

圖11 不同頻段內累計能量與總能量比值Fig.11 Ratio of cumulative energy to total energy in different frequency bands

4 水下電位分布特征

在利用水下電位探測水下目標時,一是需重點關注水下電位隨深度距離的變化趨勢,以明確目標信號的幅度是否具有可測性;二是需要關注某一深度平面的水下電位橫向分布特征,以明確測量電極之間的距離。

由上文分析可知,隨著測量深度的增加,艦船電場可近似為偶極子場,取水平偶極子的源強度為10 A·m,依據文獻[9]中的方法,對其在“空氣-海水-海底”3 層介質模型中的電場分布建模計算,則海底0.5 m 以上深度平面電位幅度值隨海水深度的變化曲線如圖12 所示(1 dB 對應1 μV),其中,海水電導率為4 S/m,海底電導率為0.1 S/m,由圖12可發(fā)現,在深度240 m 平面產生的電位幅度值為15 dB,具備可測可探的能力。

圖12 10 A·m 的水平電偶極子電位幅度值隨深度變化曲線Fig.12 Variation of the potential amplitude of 10 A·m horizontal electric dipole with depth

圖13 為不同深度、不同正橫距條件下電位幅度值隨正橫距的變化曲線,由圖13 可知,隨著測量深度的增加,同一正橫距測線電位幅度值呈減小趨勢,在同一深度平面,隨著正橫距的增加,不同測線的電位幅度值逐漸減小,為了準確探測幅度為6 dB 的水下電位信號,在保證6 dB 信噪比條件下,將檢測門限設定為12 dB,則在240 m 以淺深度,相鄰傳感器之間的距離不大于320 m 時,傳感器陣列才能準確探測水面等效源強度為10 A·m 的艦船電場,并實現對局部航行區(qū)域的警戒封鎖。

圖13 不同正橫距條件下電位幅度值隨正橫距變化曲線Fig.13 Variation of potential amplitude with different positive transverse distances

5 結束語

為全面掌握艦船靜電場信號特征,在電場測量陣列的測量基礎上,對船模試驗和實船試驗結果中的艦船靜電場水下電位信號進行特征分析。研究結果表明,陰極保護系統(tǒng)對艦船水下靜電場信號的量級影響較大,艦船在通過電位測量陣列時,靜電場信號有明顯的時域和頻域特征,從頻域上看能量主要集中在0～0.1 Hz 頻段,且在240 m 以淺深度,相鄰傳感器間距不大于320 m 時,傳感器陣列才能準確探測水面等效源強度為10 A·m 的艦船電場。下一步可在水下電位分布特征的分析結果基礎上,對測量陣列在海洋環(huán)境中的靜電場探測距離進行驗證。