舰船腐蚀相关静态电场水下电位特征研究.pdf
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1、舰船腐蚀相关静态电场水下电位特征研究杨鹏程1,杨靖浩2,姜润翔1(1.海军工程大学电气工程学院,湖北武汉,430033;2.中国船舶集团有限公司第 708 研究所,上海,200011)摘要:为深入分析舰船静电场信号特征,在船模试验和海上平面电位测量阵列实测数据的基础上,对舰船腐蚀相关静态电场水下电位特征进行研究。首先根据船模试验分析了阴极保护系统工作下的舰船静电场信号特征,发现阴极保护系统对静电场信号的量级影响较大;其次对海上实测数据获得的典型舰船水下电位信号进行时域和频域上的分析,结果表明,静电场能量主要集中在 00.1Hz 频段内;最后根据水下电位分布规律,发现以 12dB 作为检测门限时
2、,在 240m 以浅深度,相邻传感器之间的距离不大于 320m 时,传感器阵列才能准确探测水面等效源强度为 10Am 的舰船电场。关键词:舰船;腐蚀相关静态电场;阴极保护系统;水下电位中图分类号:TJ630;U674文献标识码:A文章编号:2096-3920(2023)04-0545-07DOI:10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0056UnderwaterPotentialCharacteristicsofStaticElectricFieldRelatedtoShipCorrosionYANGPengcheng1,YANGJinghao2,JIANGRunxia
3、ng1(1.Department of Electrical Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.The 708 ResearchInstitute,ChinaStateShipbuildingCorporationLimited,Shanghai200011,China)Abstract:Inordertodeeplyanalyzethecharacteristicsoftheshipsstaticelectricfieldsignals,theunderwaterpotentialcharacte
4、risticsofstaticelectricfieldrelatedtoshipcorrosionwerestudiedbasedontheshipmodeltestandthemeasureddataoftheplanarpotentialmeasurementarrayatsea.Firstly,basedontheshipmodeltest,thecharacteristicsoftheshipsstaticelectricfieldsignalsunderthecathodicprotectionsystemwereanalyzed,anditwasfoundthatthecatho
5、dicprotectionsystemhadagreatinfluenceonthemagnitudeofstaticelectricfieldsignals.Secondly,thetimedomainandfrequencydomainofunderwaterpotentialsignalsoftypicalshipsobtainedfromthemeasureddataatseawereanalyzed.Theresultsshowthatthestaticelectricfieldenergyismainlyconcentratedinthefrequencybandof0-0.1Hz
6、.Finally,accordingtothedistributionruleofunderwaterpotential,itisfoundthatwhen12dBistakenasthedetectionthreshold,andthedistancebetweenadjacentsensorsisnomorethan320matashallowdepthof240m,thesensorarraycanaccuratelydetecttheshipselectricfieldwithasurfaceequivalentsourceintensityof10Am.Keywords:ship;s
7、taticelectricfieldrelatedtocorrosion;cathodicprotectionsystem;underwaterpotential0引言舰船电场是除声场、磁场和水压场之外又一明显的船舶物理场特征,按其形成的原因可分为静电场、轴频电场、谐波电场和感应电场等1-3。其中,舰船静电场信号的量级较大,可被应用于重点海域、要地及要道的警戒封锁系统的研制,如俄罗斯研制的 KOMOR 电磁封海系统4。文献 5 基收稿日期:2023-05-13;修回日期:2023-06-25.作者简介:杨鹏程(1994-),男,硕士,主要研究方向为舰船静电场隐身技术.第31卷第4期水下无人系统
8、学报Vol.31 No.42023年8月JOURNALOFUNMANNEDUNDERSEASYSTEMSAug.2023引用格式 杨鹏程,杨靖浩,姜润翔.舰船腐蚀相关静态电场水下电位特征研究 J.水下无人系统学报,2023,31(4):545-551.水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-545于实测数据,分析了舰船电场的特性,但是其分析是建立在单节点测量系统基础上的,难以满足全面掌握舰船电场特征的要求。为了全面掌握舰船静电场信号的特征,除了建立数值仿真计算模型外,还可依托缩比模型和实船试验。文中在电场测量阵列的基础上,基于典型模型试验与实船试验,分析了舰船静电场的水下电位特征。1舰船腐蚀
9、相关静电场舰船是由多种材料组成的复杂结构物,主要有低合金钢、铸钢、铜合金、铝合金、不锈钢和钛合金等。由于不同金属材料在海水中的电极电位不同,当它们之间存在电连接时,将形成腐蚀原电池,从而在回路中产生电流6-7。随着电流的产生,阳极将逐渐被腐蚀,而阴极得到保护,最后达到动态平衡,在海水中产生稳恒电流。为了保护船体不受腐蚀,现代船舶上普遍采用了外加电流阴极保护(impressedcurrentcathodicprotection,ICCP)系统和牺牲阳极阴极保护系统产生防腐电流。腐蚀电流和保护电流均会导致船体周围出现电场信号,称为腐蚀相关静电场信号(简称为静电场信号)8,钢制船体与铜制通海阀电化学
10、腐蚀产生的水下电位信号如图 1 所示,图中:U 为水下电位;h 为测量深度。h+UU0艏艉图1“船体-通海阀”产生的水下电位信号Fig.1Underwater potential signal generated by hull-accessvalve2缩比模型试验船体表面异种金属分布的多样性、舰船阴极保护系统设计的差异性,均将导致舰船静电场信号的多样性。缩比模型试验重点对阴极保护系统对舰船静电场的影响进行了分析。试验船模长4.13m,宽 0.57m,吃水深度为 0.13m,船体艏部安装有侧推青铜桨,艉部安装有主推青铜桨,内部安装有被动轴接地装置,船体艏侧推槽道内、减摇鳍和舵板安装有可以实现外
11、部连接的 3 对牺牲阳极,船体表面安装有 8 对辅助阳极和 16 个监测参比电极,辅助阳极、参比电极和船体分别与电化学工作站的 CE、RE、WE 端连接,可实现对 ICCP 系统的模拟。牺牲阳极与 ICCP 保护系统的布置图见图 2。12345678911101213141516ICCP1ICCP2ICCP3ICCP4ICCP5ICCP7ICCP6 ICCP8:参比电极:辅助阳极:牺牲阳极图2牺牲阳极与辅助阳极布置图Fig.2Layoutofsacrificialanodesandauxiliaryanodes试验水池长 14m,宽 7m,水深 1.08m,水池上安装有导轨和拖曳装置,可实现对
12、缩比模型的拖动,水池内部安装 4 个不同深度平面的电场测量阵列。其中,4 个不同深度依次为0.5B(B 为船宽)、25m、1.0B、1.5B 按照 160 缩比对应的深度,分别为28.5、41.7、57、85.5cm,每个深度的9 个测量Ag/AgCl电极间距为 142.5mm。基准 Ag/AgCl电极(零电极)与测量电极的最小距离为 3m,缩比模型通过电场测量阵列的现场照片如图 3 所示。图3缩比模型通过电场测量阵列的现场照片Fig.3Fieldphotosofscalemodelpassingthroughelectricfieldmeasurementarray将 36 个测量电极与基准
13、电极的信号传输至高精度 24 位采集器,采样频率设定为 100Hz,实时记录水下电位信号。缩比模型以 13.77cm/s 的速度通过测量阵列,不同船体状态条件下深度 20m(缩比为 41.7cm)平面的水下电位信号如图 4 所示(船艏及船艉对应的位置分别为 1.377m 和 5.508m)。2023年8月水下无人系统学报第31卷546JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-图 4 中不同船体状态分别对应于 8 种不同状态,分别为:状态 1,船体自然腐蚀;状态 2,船体-艏侧推桨电化学腐蚀;状态 3,船体-艏侧推-艉部桨电化学腐蚀(舰船工作时的初
14、始状态);状态 4,状态 3 工作前提下艏侧推牺牲阳极阴极保护;状态 5,状态 3工作前提下减摇鳍牺牲阳极阴极保护;状态 6,状态 3 工作前提下艉舵牺牲阳极阴极保护;状态 7,状态 3 工作前提下艏侧推、减摇鳍、艉舵牺牲阳极阴极保护;状态 8,状态 7 工作条件下的外加电流阴极保护。0.30.20.100.10.2U/mVx/cm(a)船体自然腐蚀(峰-峰值 0.682 0 mV)y/cm0.30.40.510001002004006008001 0000.40.30.20.100.1U/mVx/cm(b)船体-艏侧推螺旋桨腐蚀(峰-峰值 0.723 2 mV)y/cm0.20.30.410
15、001002004006008001 00021012U/mVx/cm(c)船体-艏侧推-艉部螺旋桨腐蚀(峰-峰值 5.208 0 mV)y/cm3410001002004006008001 000210123U/mVx/cm(d)艏侧推牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 4.978 0 mV)y/cm410001002004006008001 0004321012U/mVx/cm(e)减摇鳍牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 7.827 0 mV)y/cm34510001002004006008001 0001.51.00.50U/mVx/cm(f)艉舵牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 2.415 6 mV)y/
16、cm0.51.01.510001002004006008001 00021012U/mVx/cm(g)牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 6.518 4 mV)y/cm35410001002004006008001 00010684202U/mVx/cm(h)牺牲阳极与外加电流阴极保护(峰-峰值 12.150 8 mV)y/cm410001002004006008001 0000.30.20.100.10.2U/mVx/cm(a)船体自然腐蚀(峰-峰值 0.682 0 mV)y/cm0.30.40.510001002004006008001 0000.40.30.20.100.1U/mVx/cm(b)
17、船体-艏侧推螺旋桨腐蚀(峰-峰值 0.723 2 mV)y/cm0.20.30.410001002004006008001 00021012U/mVx/cm(c)船体-艏侧推-艉部螺旋桨腐蚀(峰-峰值 5.208 0 mV)y/cm3410001002004006008001 000210123U/mVx/cm(d)艏侧推牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 4.978 0 mV)y/cm410001002004006008001 0004321012U/mVx/cm(e)减摇鳍牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 7.827 0 mV)y/cm34510001002004006008001 0001.51.00
18、.50U/mVx/cm(f)艉舵牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 2.415 6 mV)y/cm0.51.01.510001002004006008001 00021012U/mVx/cm(g)牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 6.518 4 mV)y/cm35410001002004006008001 00010684202U/mVx/cm(h)牺牲阳极与外加电流阴极保护(峰-峰值 12.150 8 mV)y/cm410001002004006008001 0002023年8月杨鹏程,等:舰船腐蚀相关静态电场水下电位特征研究第4期水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-5470.30.20.100.1
19、0.2U/mVx/cm(a)船体自然腐蚀(峰-峰值 0.682 0 mV)y/cm0.30.40.510001002004006008001 0000.40.30.20.100.1U/mVx/cm(b)船体-艏侧推螺旋桨腐蚀(峰-峰值 0.723 2 mV)y/cm0.20.30.410001002004006008001 00021012U/mVx/cm(c)船体-艏侧推-艉部螺旋桨腐蚀(峰-峰值 5.208 0 mV)y/cm3410001002004006008001 000210123U/mVx/cm(d)艏侧推牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 4.978 0 mV)y/cm41000100
20、2004006008001 0004321012U/mVx/cm(e)减摇鳍牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 7.827 0 mV)y/cm34510001002004006008001 0001.51.00.50U/mVx/cm(f)艉舵牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 2.415 6 mV)y/cm0.51.01.510001002004006008001 00021012U/mVx/cm(g)牺牲阳极阴极保护(峰-峰值 6.518 4 mV)y/cm35410001002004006008001 00010684202U/mVx/cm(h)牺牲阳极与外加电流阴极保护(峰-峰值 12.150 8 mV
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