低温海水环境船舶典型材料电化学特性研究.pdf
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1、低温海水环境船舶典型材料电化学特性研究周彤,余定峰,郑攀峰,杨帅(武汉第二船舶设计研究所海洋电磁探测与控制湖北省重点实验室,湖北武汉,430205)摘要:船舶金属材料在海洋环境中的电化学特性是船舶电场特性产生过程中的重要影响因素,长期以来,国内多聚焦于常温海水环境下的金属材料电化学性能研究,对低温海水环境下的金属材料电化学特性研究较少。文中针对 3 种典型的船舶主体材料,开展了不同温度及盐度影响试验,对比分析其在低温海水环境下的极化电位、极化曲线及极化电阻,总体结果表明金属材料的开路电位随海水温度的降低而增大,自腐蚀电位随着海水温度的降低而正移,随着海水温度的降低溶解活化程度变低。文中工作可为
2、进一步研究电场特征控制和分析评估提供基础理论参考。关键词:低温海水环境;船舶材料;盐度;极化曲线中图分类号:TJ630.34;U674文献标识码:A文章编号:2096-3920(2023)04-0552-07DOI:10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0058ElectrochemicalCharacteristicsofTypicalShipMaterialsinLow-TemperatureSeawaterZHOUTong,YUDingfeng,ZHENGPanfeng,YANGShuai(WuhanSecondShipDesignandResearchInsti
3、tute,HubeiKeyLaboratoryofMarineElectromagneticDetectionandControl,Wuhan430205,China)Abstract:Theelectrochemicalcharacteristicofshipmetalmaterialsinmarineenvironmentsisanimportantfactoraffectingthegenerationofshipelectricfieldcharacteristics.Foralongtime,researchershavemainlyfocusedontheelectrochemic
4、alcharacteristicsofmetalmaterialsinnormal-temperatureseawaterbutpaidlessattentiontotheelectrochemicalcharacteristicsofmetalmaterialsinlow-temperatureseawater.Forthreetypicalshipmaterials,experimentsweredesignedbasedontheinfluenceofdifferenttemperaturesandsalinitychanges,andthepolarizationpotential,p
5、olarizationcurve,andpolarizationresistancewerecomparedinthelow-temperatureseawater.Theresultsshowthatwiththedecreaseinseawatertemperature,theopencircuitpotentialofmetalmaterialsandself-corrosionpotentialincrease,butthedegreeofdissolutionactivationdecreases.Theproposedmethodmayprovideareferenceforthe
6、studyofelectricfieldcharacteristiccontrolandanalysisandevaluation.Keywords:lowtemperatureseawater;shipmaterials;salinity;polarizationcurve0引言21 世纪是海洋的世纪,海洋船舶目标电场特性研究已成为电场探测和电场隐身设计领域的热门议题。近年来,国内针对常规海域船舶电场特性开展了大量研究1-8。孙公毅等1基于正演模拟收稿日期:2023-05-15;修回日期:2023-07-18.基金项目:国防科技基础加强计划技术领域基金资助项目(2022-JCJQ-*-*).
7、作者简介:周彤(1991-),女,硕士,工程师,主要研究方向为舰船电磁场应用及防护.第31卷第4期水下无人系统学报Vol.31 No.42023年8月JOURNALOFUNMANNEDUNDERSEASYSTEMSAug.2023引用格式 周彤,余定峰,郑攀峰,等.低温海水环境船舶典型材料电化学特性研究 J.水下无人系统学报,2023,31(4):552-558.552JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-及小波系数分析确定阈值的小波阈值去噪方法压制噪声,利用合成的包含大地电磁信号、海流感应电磁噪声的极低频信号进行试验。孙强等2利用边界元仿真
8、软件研究了船舶在不同涂层破损率及破损位置情况下的水下电场变化趋势和控制参量最佳值的变化趋势。孙宝全等3研究了利用船舶静电场信号对船舶进行跟踪定位的可行性。李越等4针对轴频电场信号及环境电场噪声信号在时域及频域特点的不同,提出了采用 Welch 法替代的一种改进型检测算法。卞强等5基于 ANSYS有限元软件建立了舰船的三维有限元模型,分析了船舶在周围海水中形成的静电场分布状况。李俊等6对装有外加电流阴极保护(impressedcurrentcathodicprotection,ICCP)系统的船舶进行水下静电场的边界元建模,分别对 2 种情况下船舶 ICCP系统的电流输出进行优化。张华等7基于目
9、标静电场的基本特性,进行了水中兵器制导方法的研究。刘春阳等8采用有限元法建立水下腐蚀静电场模型,求解不同海洋环境因素下水下电场分布。余定峰等9通过有限元方法对水下航行器静电场进行了仿真建模及分析。船舶金属材料在海洋环境中的电化学特性是船舶电场特征产生过程的重要影响因素。长期以来,国内多聚焦于常温海水环境下的金属材料电化学性能研究,对低温海水环境下的金属材料电化学特性的研究较少。海水温度、盐度等环境参数的变化会在不同程度上影响船舶主要金属材料的电化学极化过程,从而导致船舶电场源分布与常规海域存在较大差异。基于此,文中针对几种典型的船舶主体材料,对其在低温海水环境下的极化电位、极化曲线和极化电阻进
10、行研究,分析其电化学特性,为低温海水环境下船舶电场特征控制和分析评估提供基础理论支撑。1试验设计1.1样件制作及测试过程1cm2首先制作船用典型材料的试验件,规格为直径 20mm、高度 19mm 的圆柱体,留有一工作面,工作面积为,非工作面用环氧树脂灌封,背面引出导线,利用万用表检测试验件的导电性。在试验开始之前,用砂纸将试验件的工作面表面垂直打磨抛光,然后用无水乙醇擦拭干净待用,试验件实物见图 1。图1试验件实物图Fig.1Photographoftestpiece电化学测试使用三电极体系,参比电极采用Ag/AgCl 电极,辅助电极采用铂电极,工作电极即为待测试验件。测试设备选用电化学工作站
11、。将参比电极、辅助电极和工作电极插入电解池内浸泡,3 个电极工作面保持在同一水平线上且互不接触,在试验过程中保持位置不动状态,将电化学工作站的电极电缆线套夹与对应的电极相连,连接示意图见图 2。电解液电化学工作站辅助电极工作电极参比电极温度计图2测试系统连接示意图Fig.2Connectiondiagramoftestsystem随时间连续跟踪试验件的电位变化直至趋于稳定,此时得到金属试验件的开路电位,然后进行动电位扫描极化曲线测试,设置电位范围0.5+0.5V(相对于开路电位),扫描速率 0.5mV/s,扫描结束后得到极化曲线。需要注意的是,测试后的金属样品被加速极化,每次测试前需重新打磨擦
12、拭,测试用电解液需重新配制。1.2环境因素影响设计依照海洋坏境设置典型温度分别为 0、8和25,设置电解液盐度(即 NaCl 质量百分比)分别0.35%、2.00%和 3.50%,分别改变以上控制变量10,针对 2 种船体常用高强钢以及铜合金总共 3 种金属材料试验件进行 27 次测试,试验设计见表 1。2023年8月周彤,等:低温海水环境船舶典型材料电化学特性研究第4期水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-553表1环境因素影响试验设计Table1Environmentalfactoraffectingtestdesign序号试验件材料温度/盐度/%1高强钢1#00.3522.0033.
13、50480.3552.0063.507250.3582.0093.5010高强钢2#00.35112.00123.501380.35142.00153.5016250.35172.00183.5019铜合金00.35202.00213.502280.35232.00243.5025250.35262.00273.502试验结果与分析通过对比试验结果,考察低温海水环境对 3 种试验件的开路电位、极化曲线及极化电阻等的影响,得到金属材料的电化学特性变化规律。2.1海水温度对开路电位和极化曲线的影响由 Nernst 方程可知,金属的电极电位与水溶液中离子的浓度(活度)和温度有关,电极电位是离子浓度(
14、c离子)、温度 T 及溶液 pH 值的函数11,即E=f(c离子,T,pH)(1)一般而言,温度降低使得溶液中的 O2溶解度变高,含氧量变大,金属的自腐蚀电位正移。表 2 为高强钢 1#在不同环境下的开路电位数值。通过对比可以看出,高强钢 1#稳定开路电位随海水温度的降低而增大。表2不同环境下高强钢 1#开路电位Table2Open circuit potential of high-strength steel 1#underdifferentenvironments序号盐度/%温度/开路电位/V10.3500.5576216280.57732223250.632556342.0000.54
15、03343580.56250016250.587693373.5000.5504575880.56319419250.6282377图 3图 5 分别表示在盐度 0.35%、2%及 3.5%的海水条件下,高强钢 1#在不同温度(0、8、25)下的极化曲线。从各图可以看出,高强钢 1#的自腐蚀电位(即实测阴极、阳极极化曲线的起点电位11)随着海水温度的降低而正移,与表 2 中的开路电位变化规律基本一致。E/V 1.21.00.80.60.40.200825108107106105104103102I/(A/cm2)图3不同海水温度下高强钢 1#极化曲线(海水盐度 0.35%)Fig.3Polar
16、ization curves of high-strength steel 1#atdifferentseawatertemperatures(0.35%salinity)表 3 为高强钢 2#在不同环境下的开路电位数值。通过对比可以看出,高强钢 2#稳定开路电位随海水温度的降低而增大。2023年8月水下无人系统学报第31卷554JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-表3不同环境下高强钢 2#开路电位Table3Open circuit potential of high-strength steel 2#underdifferentenvi
17、ronments序号盐度/%温度/开路电位/V10.3500.5552027280.56401823250.597781442.0000.5252250580.53339056250.559813573.5000.5437080880.55027939250.5972053图 6图 8 分别表示在盐度 0.35%、2%及 3.5%的海水条件下,高强钢 2#在不同温度(0、8、25)下的极化曲线。从各图可知,高强钢 2#的自腐蚀电位随着海水温度的降低而正移,与表 3 中的开路0825109108107106105104103102I/(A/cm2)E/V 1.21.00.80.60.40.20图
18、6不同海水温度下高强钢 2#极化曲线(海水盐度 0.35%)Fig.6Polarization curves of high-strength steel 2#atdifferentseawatertemperatures(0.35%salinity)E/V 1.21.00.80.60.40.201091010108107106105104103102101I/(A/cm2)0825图7不同海水温度下高强钢 2#极化曲线(海水盐度 2%)Fig.7Polarization curves of high-strength steel 2#atdifferentseawatertemperatur
19、es(2%salinity)E/V 1.21.00.80.60.40.200825109108107106105104103102101I/(A/cm2)图8不同海水温度下高强钢 2#极化曲线(海水盐度 3.5%)Fig.8Polarization curves of high-strength steel 2#atdifferentseawatertemperatures(3.5%salinity)电位变化规律基本一致。表 4 为铜合金在不同环境下的开路电位数值。观察实验数据可以得到,在海水盐度不同的情况下,铜合金稳定开路电位随海水温度的变化略有不同。0825E/V 1.21.00.80.6
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