CN103614729A - 室内船体阴极保护的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种室内船体阴极保护的试验装置及试验方法，采用以下试验步骤：一，将船体缩比成能够在室内进行试验的船体模型；二，确定牺牲阳极的材质、布置位置；三，将数个牺牲阳极与船体模型进行连接；四，将船体模型置于实验水槽中，通过调节阀门控制实验水槽中海水的流速；五，在不同海水流速及不同阳极位置情况下，利用监测装置对船体模型阴极保护电位进行数据采集；六，由计算机对监测到的电位数据进行分析，并根据分析结果对牺牲阳极的位置进行优化处理，最终，提出合理的布置方案。本发明能够模拟出船舶在实海环境下的阴极保护效果，并对布置于船舶上的牺牲阳极实时监测；解决了由于牺牲阳极的布置不合理，而导致的船体阴极保护效果不理想的问题。

Description

室内船体阴极保护的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及船体阴极保护装置，尤其涉及一种室内船体阴极保护的试验装置及试验方法。属于船舶防腐蚀领域。

背景技术

阴极保护是使金属构件作为阴极，通过阴极极化来消除该金属表面的电化学不均匀性，以达到保护金属表面目的。其既可减缓金属在海水、淡水、土壤和化工介质中的均匀腐蚀，又对金属材料的点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂，腐蚀疲劳，杂散电流腐蚀以及生物腐蚀等都有很好的防止作用。

而船舶的阴极保护则是船舶水下防腐的主要防腐技术之一。其主要包括：牺牲阳极保护和外加电流阴极保护。

目前，深水铺管起重船主要进行海上施工作业，其对航速要求不高，因此，主要是采用牺牲阳极保护法阴极保护设计。但是，由于其船体结构比较复杂，牺牲阳极的布置需要针对船型结构特征进行优化设计，如果牺牲阳极分布位置设计不合理，可能会导致船体局部出现欠保护或过保护现象。而且，由于船舶在实海作业过程中，常因没有充分考虑牺牲阳极的布置位置，而极大地削弱了阴极保护的效果，在这种情况下，既不能达到理想的保护效果，而且，还浪费了大量的牺牲阳极材料。此外，由于牺牲阳极材料位置布置的不合理，还会导致牺牲阳极材料的不均匀消耗，使得船体存在失衡的安全隐患。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种室内船体阴极保护的试验装置及试验方法，其能够较好的模拟出船舶在实海环境下的阴极保护效果，并对布置于船舶上的牺牲阳极进行实时监测；且在不同流速下采集船体阴极保护的电位、阳极发出电流等随时间的变化情况，以便于分析阴极保护的效果，再根据测量结果优化阴极保护防腐设计；从而，解决了由于牺牲阳极的布置不合理，而导致的船体阴极保护效果不理想的问题。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种室内船体阴极保护的试验装置，其特征在于：设有一实验水槽，该实验水槽的两侧板上各安装有一阀门，两阀门之间安装有一水泵；通过上述连接构成一能够向实验水槽注入海水的循环水路，并通过调节阀门控制实验水槽中水流的流速。

所述该实验水槽为一箱形体结构。

一种室内船体阴极保护的试验方法，其特征在于：采用以下试验步骤：

第一步，针对不同船舶的主要结构特征，将船体缩比成能够在室内进行试验的船体模型；

第二步，根据船体模型总浸水面积和保护时效，计算牺牲阳极的所需的数量、重量；然后，确定牺牲阳极的材质、布置位置；

第三步，将数个牺牲阳极与船体模型进行连接；

第四步，将船体模型置于实验水槽中，开启水泵将海水注入实验水槽中，并通过调节阀门控制实验水槽中海水的流速；

第五步，在不同海水流速及不同阳极位置情况下，利用监测装置对船体模型阴极保护电位进行数据采集；

第六步，由计算机对监测到的电位数据进行分析，并根据分析结果对牺牲阳极的位置进行优化处理，最终，提出合理的布置方案。

所述第三步中，牺牲阳极与船体模型的连接必须遵循如下几个原则：

①牺牲阳极与船体模型的连接处需用环氧树脂进行密封；

②牺牲阳极的长度方向应与船体模型的流线方向一致；

③船体模型外部防锈层的涂刷，需在牺牲阳极安装之前进行，连接时，牺牲阳极表面严禁涂刷防锈层。

所述第二步中，

1.牺牲阳极的材质选择：

⑴将铝-锌-铟合金作为牺牲阳极的材料，且每个牺牲阳极的电阻：根据以

下公式：

$R=\frac{0.316\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SW}}}{\sqrt{A_{\mathrm{of}}}}$

进行计算；

式中：R－牺牲阳极的电阻

□ρ—海水电阻率，ρ=0.25Ω·m

A—牺牲阳极的暴露面积，A=0.00338m²

⑵牺牲阳极发生电流量根据公式：I_f=△E/R进行计算；

式中：△E－牺牲阳极的电压，△E=0.25V

2.牺牲阳极的用量是：根据牺牲阳极所要保护的船体模型的实际面积，确定；

3.牺牲阳极的的重量是：按照牺牲阳极所规定的保护周期的使用寿命来计算；

$M=\frac{i_j*S_j*t*8760}{u*Q*1000}=\frac{40*0.5196*5*8760*}{0.8*2000*1000}0.5690\mathrm{Kg}$

式中：M—所需要的总的阳极的重量，Kg

t—所规定的保护周期，

u—牺牲阳极的利用系数，0.8

S_j—总浸水面积

S_j—船体模型1总浸水面积，

i_j—船体保护电流密度，A/m²

Q—阳极电化学容量，A-hr/Kg

4.牺牲阳极数量的选择：

$N_i=\frac{M}{m}=\frac{0.5690}{0.054}=10.54$

式中：M—所需要的总的阳极的重量，Kg

m—单个阳极重量，Kg

5.牺牲阳极的布置与安装：

出于对船舶均匀性保护的考虑，将数个规格相同的牺牲阳极均匀地布置在船体模型的两侧和底部，其中，每块牺牲阳极之间的间距相等。

所述第五步中，监测装置包括：数个监测探头、信号调理器、A/D转换模块、计算机、显示器、打印机，其中，监测探头依次与信号调理器、A/D转换模块、计算机串联，且计算机分别与显示器、打印机相联。

所述监测探头采用≥99.999%的高纯锌电极或银/氯化银参比电极。

本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其能够较好的模拟出船舶在实海环境下的阴极保护效果，并对布置于船舶上的牺牲阳极进行实时监测；且在不同流速下采集船体阴极保护的电位、阳极发出电流等随时间的变化情况，以便于分析阴极保护的效果，再根据测量结果优化阴极保护防腐设计；从而，解决了由于牺牲阳极的布置不合理，而导致的船体阴极保护效果不理想的问题。

附图说明：

图1为本发明大型起重铺管船缩比模型结构示意图。

图2为本发明牺牲阳极在船模上的布置侧视图。

图3为本发明牺牲阳极在船模上的布置侧视图。

图4为本发明探头与牺牲阳极及船体的连接示意图。

图5为本发明水槽示意图。

图6为本发明监测原理图。

图7为本发明1-10号探头，在水流速度为0.208Km/h时监测到的1-10号牺牲阳极周围船体相对于参比电极的电位随时间的变化趋势示意图。

图8为本发明1-10号探头在水流速度为22.5Km/h时监测到的1-10号牺牲阳极周围船体相对于参比电极的电位随时间的变化趋势示意图。

图中主要标号说明：

1-船体模型；2-牺牲阳极，2.1-牺牲阳极，2.2-牺牲阳极，2.3-牺牲阳极，2.4-牺牲阳极，2.5-牺牲阳极，2.6-牺牲阳极，2.7-牺牲阳极，2.8-牺牲阳极，2.9-牺牲阳极，2.10-牺牲阳极，2.11-牺牲阳极，2.12-牺牲阳极；3-监测探头；4-实验水槽；5-水泵；6-阀门；7-水管。

具体实施方式

如图5所示，本发明设有：一实验水槽4，该实验水槽4为一箱形体结构；实验水槽4的两侧板上各安装有一阀门6，两阀门6之间安装有一水泵5；通过上述连接构成一能够向实验水槽4注入海水的循环水路，并通过调节阀门6控制实验水槽4中水流的流速。

本发明采用以下试验步骤：

第一步，如图1-图4所示，针对不同船舶的主要结构特征，将船体按150:1的比例缩比成能够在室内进行试验的船体模型1；

第二步，根据船体模型1总浸水面积和保护时效，计算牺牲阳极2所需的数量、重量；然后，确定牺牲阳极2的材质、布置位置；

第三步，将数个牺牲阳极2与船体模型1进行连接，牺牲阳极2与船体模型1的连接必须遵循如下几个原则：

①牺牲阳极2与船体模型1的连接采用螺栓固定（船体模型1已预留相应的螺栓接口），也可以用铜导线焊接，并将连接处用环氧树脂进行密封；

②牺牲阳极2的长度方向应与船体模型1的流线方向一致；

③船体模型1防锈层的涂刷，需在牺牲阳极2安装之前进行，连接时，牺牲阳极2表面严禁涂刷防锈层。本实施例：防锈层为油漆。

本实施例：

（1）牺牲阳极2的材质选择：

选择铝-锌-铟合金作为牺牲阳极2的材料，每个牺牲阳极2的具体参数如下：

1)尺寸：半径0.75cm，长度10cm，暴露面积为33.755cm²

2)质量：m=0.054Kg

3)实际电容量:Q=2000A·h/kg

4)电阻：根据公式

$R=\frac{0.316\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SW}}}{\sqrt{A_{\mathrm{of}}}}$

式中：R－牺牲阳极的电阻

ρ—海水电阻率，ρ=0.25Ω·m

A—牺牲阳极的暴露面积，A=0.00338m²

根据上述公式最终得出牺牲阳极的电阻R=1.359Ω

5)发生电流量：

I_f=△E/R

式中：△E－牺牲阳极的电压，△E=0.25V

根据上述公式最终得出牺牲阳极2的发生电流为：I_f=0.184A=184mA

(2)根据牺牲阳极2所要保护的船体模型1的实际面积，确定牺牲阳极2的用量：

1)牺牲阳极保护面积设定为：

船底面积：0.2684m²

船侧浸水面积：0.2512m²

船体模型1总浸水面积：S_j=0.5196m²

2)牺牲阳极的的重量是：按照牺牲阳极所规定的保护周期的使用寿命来计算；本实施例为：5年。根据计算公式：

$M=\frac{i_j*S_j*t*8760}{u*Q*1000}=\frac{40*0.5196*5*8760*}{0.8*2000*1000}0.5690\mathrm{Kg}$

式中：M—所需要的总的阳极的重量，Kg

t—所规定的的保护周期，5年

u—牺牲阳极的利用系数，0.8

S_j—船体模型1总浸水面积，

i_j—船体保护电流密度，A/m²

Q—阳极电化学容量，A-hr/Kg

3）牺牲阳极数量的选择：

$N_i=\frac{M}{m}=\frac{0.5690}{0.054}=10.54$ （块）

式中：M—所需要的总的阳极的重量，Kg

m—单个阳极重量，Kg

根据上述计算并依据设计需要，最终选取12块牺牲阳极2。

(3)牺牲阳极2的布置与安装：

出于对船舶均匀性保护的考虑，将上述规格相同的12块牺牲阳极2：即牺牲阳极（2.1-2.12）均匀地布置在船体模型1的两侧和底部，其中，船体模型1两侧各布置4块，即：牺牲阳极（2.1—2.4）；牺牲阳极（2.9—2.12）；船底也布置4块，即：牺牲阳极（2.5—2.8）；每块牺牲阳极2之间的间距相等。牺牲阳极2与船体模型1的连接采用螺栓连接方式，连接完成后，将连接处用环氧树脂进行密封。

第四步，将船体模型1置于实验水槽4中，开启水泵5将海水注入实验水槽4中，并通过调节阀门6控制实验水槽4中海水的流速；

第五步，在不同海水流速及不同阳极位置情况下，利用监测装置对船体模型1阴极保护电位进行数据采集；监测装置包括：数个监测探头3、信号调理器、A/D转换模块、计算机、显示器、打印机，监测探头3采用银/氯化银参比电极，监测探头3依次与信号调理器、A/D转换模块、计算机串联，且计算机分别与显示器、打印机相联。

其中，测量内容包括：

a.船体相对于参比电极的电位；

b.测量范围：-2V～2V；

c.测量精度：0.1mV；

d.输入阻抗：≥500MΩ；

e.供电要求：工频220伏；

f.数据采集记录时间间隔在60min至720min范围内可调整。

g.在数据采集过程中,所使用的监测探头3可以使用两种参比电极：

一为：特制的高纯锌电极（≥99.999%）二为：银/氯化银参比电极。

如图7所示，在水流速度为0.208Km/h时，将10个探头3分别置于10

个牺牲阳极2.1-2.10处，其所监测到的10个牺牲阳极2.1-2.10周围船体

相对于参比电极的电位随时间的变化趋势。

如图8所示，在水流速度为22.5Km/h时，将10个监测探头3分别置于10个牺牲阳极2.1-2.10处，其所监测到的10个牺牲阳极2.1-2.10周围船体相对于参比电极的电位随时间的变化趋势。

第六步，由计算机对上述监测到的电位数据进行分析，并根据分析结果对牺牲阳极2的位置进行优化处理，，最终，提出合理的布置方案。

上述监测探头、水泵、阀门、水管、信号调理器、A/D转换模块、计算机、显示器、打印机为现有技术，未作说明的技术为现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种室内船体阴极保护的试验装置，其特征在于：设有一实验水槽，该实验水槽的两侧板上各安装有一阀门，两阀门之间安装有一水泵；通过上述连接构成一能够向实验水槽注入海水的循环水路，并通过调节阀门控制实验水槽中水流的流速。

2.根据权利要求1所述的室内船体阴极保护的试验装置，其特征在于：所述该实验水槽为一箱形体结构。

3.一种室内船体阴极保护的试验方法，其特征在于：采用以下试验步骤：

第一步，针对不同船舶的主要结构特征，将船体缩比成能够在室内进行试验的船体模型；

第二步，根据船体模型总浸水面积和保护时效，计算牺牲阳极的所需的数量、重量；然后，确定牺牲阳极的材质、布置位置；

第三步，将数个牺牲阳极与船体模型进行连接；

第四步，将船体模型置于实验水槽中，开启水泵将海水注入实验水槽中，并通过调节阀门控制实验水槽中海水的流速；

第五步，在不同海水流速及不同阳极位置情况下，利用监测装置对船体模型阴极保护电位进行数据采集；

第六步，由计算机对监测到的电位数据进行分析，并根据分析结果对牺牲阳极的位置进行优化处理，最终，提出合理的布置方案。

4.根据权利要求3所述的室内船体阴极保护的试验方法，其特征在于：所述第三步中，牺牲阳极与船体模型的连接必须遵循如下几个原则：

①牺牲阳极与船体模型的连接处需用环氧树脂进行密封；

②牺牲阳极的长度方向应与船体模型的流线方向一致；

③船体模型外部防锈层的涂刷，需在牺牲阳极安装之前进行，连接时，牺牲阳极表面严禁涂刷防锈层。

5.根据权利要求3所述的室内船体阴极保护的试验方法，其特征在于：所述第二步中，

1.牺牲阳极的材质选择：

⑴将铝-锌-铟合金作为牺牲阳极的材料，且每个牺牲阳极的电阻：根据以下公式：

$R=\frac{0.316\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SW}}}{\sqrt{A_{\mathrm{of}}}}$

进行计算；

式中：R－牺牲阳极的电阻

□ρ—海水电阻率，ρ=0.25Ω·m

A—牺牲阳极的暴露面积，A=0.00338m²

⑵牺牲阳极发生电流量根据公式：I_f=△E/R进行计算；

式中：△E－牺牲阳极的电压，△E=0.25V

2.牺牲阳极的用量是：根据牺牲阳极所要保护的船体模型的实际面积，确定；

3.牺牲阳极的的重量是：按照牺牲阳极所规定的保护周期的使用寿命来计算；

$M=\frac{i_j*S_j*t*8760}{u*Q*1000}=\frac{40*0.5196*5*8760*}{0.8*2000*1000}0.5690\mathrm{Kg}$

式中：M—所需要的总的阳极的重量，Kg

t—所规定的保护周期，

u—牺牲阳极的利用系数，0.8

S_j—总浸水面积

S_j—船体模型1总浸水面积，

i_j—船体保护电流密度，A/m²

Q—阳极电化学容量，A-hr/Kg

4.牺牲阳极数量的选择：

$N_i=\frac{M}{m}=\frac{0.5690}{0.054}=10.54$

式中：M—所需要的总的阳极的重量，Kg

m—单个阳极重量，Kg

5.牺牲阳极的布置与安装：

出于对船舶均匀性保护的考虑，将数个规格相同的牺牲阳极均匀地布置在船体模型的两侧和底部，其中，每块牺牲阳极之间的间距相等。

6.根据权利要求3所述的室内船体阴极保护的试验方法，其特征在于：所述第五步中，监测装置包括：数个监测探头、信号调理器、A/D转换模块、计算机、显示器、打印机，其中，监测探头依次与信号调理器、A/D转换模块、计算机串联，且计算机分别与显示器、打印机相联。

7.根据权利要求6所述的室内船体阴极保护的试验方法，其特征在于：所述监测探头采用≥99.999%的高纯锌电极或银/氯化银参比电极。

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