詳細介紹船體電化學腐蝕原理，陰極保護方法，并結合實際應用詳細闡述外加電流的陰極保護的工作原理與衡量標準。
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電化學腐蝕原理
鐵制成的船體接觸海水時會產生電位，發(fā)生電腐蝕現象。所以，為了盡量減少船體與海水接觸，采用防銹蝕的油漆隔離船體和海水。但是船尾軸系，推進器或者因為船體損傷導致的與海水接觸是無法完全避免的。所以接觸到海水的一部分船體會發(fā)生電化學腐蝕，根據電解情況的不同，腐蝕程度不同。
原電池電解反應：
當兩種金屬或含雜質的金屬被置于電解液中，金屬活動性強容易失去電子，被氧化，發(fā)生氧化反應，為陽極，從而帶正電荷（生成金屬氧化物，所謂被腐蝕），使電勢升高，可以作為正極（正極是針對外部電解質中游離電荷而言，正極吸引負電荷，而正電荷則流向負極，可以被認為是電流的方向）。
金屬活動性弱者得電子，被還原，發(fā)生還原反應，為陰極（該電極積累金屬），電勢降低，成為負極，吸引正電荷聚集。
圖1 電化學腐蝕原理圖
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陰極保護
陰極保護則使上述過程逆轉，根據提供陰極電流的方式不同，陰極保護又分為犧牲陽極法和外加電流法兩種，前者是將一種電位更負的金屬（如鎂、鋁、鋅等。注：金屬活動性更強，更活躍，更易失電子）與被保護的金屬結構物電性連接，通過電負性金屬或合金的不斷溶解消耗，向被保護物提供保護電流，使金屬結構物獲得保護。后者是將外部交流電轉變成低壓直流電，對被保護的金屬表面施加一定的直流電流，使其產生陰極極化，當金屬的電位負于某一電位值時，腐蝕的陽極溶解過程就會得到有效抑制。
犧牲陽極陰極保護法一般用鋅塊合金，布置沒有具體要求，只要沿著舭龍骨流線平均分布，具體數量則要根據船只鋼材數量（面積）進行計算后得出。也可用鋁合金的，效果更好，但在機艙及貨油艙等區(qū)域禁止使用（因電位差過高存在引發(fā)火星的可能性）。一般設計使用壽命2-3年，采用焊接或鉚接方式固定于船體外殼之上，鉚接的話到了使用后期可以方便更換，并且有各種型號可選。其中雙層底和雙壁艙室內部區(qū)域（bottom; double hull inner area） 也應當設有犧牲陽極保護裝置。
下面將詳細介紹外加電流的陰極保護過程原理及方法。
三、外加電流的陰極保護ICCP (IMPRESSED CURRENT CATHODIC PROTECTION):
將上述電化學腐蝕過程逆轉：發(fā)生還原反應為陰極，故直接連接直流電源的負極，由電源輸送電子到該區(qū)域，從而形成較低的電勢。船舶陰極保護系統中，以船體作為陰極，利用恒電位儀維持船體處于較低的電位。
圖2 外加電流的陰極保護原理圖
船舶外加電流陰極保護系統由以下幾部分組成：①直流電源，②輔助陽極，③參比電極。此外，為使陽極輸出的保護電流更均勻，避免陽極附近結構物產生過保護，有時在陽極周圍還須涂刷陽極屏蔽層。
1）直流電源
在外加電流陰極保護系統中，根據保護面積可以計算出需要提供電流的大小，于是需要有一個穩(wěn)定的直流電源，以提供保護電流。目前，廣泛使用的有整流器和恒電位儀兩種。一般，當被保護的結構物所處的工況條件（如浸水面積、水質等）基本不變或變化很小時，可以采用手動控制的整流器；但當結構物所處的工況條件經常變化時，則應采用自動控制的恒電位儀，以使結構物電位總處在最佳保護范圍內。
在工程中廣泛使用的恒電位儀主要有三類：可控硅恒電位儀、磁飽和恒電位儀和晶體管恒電位儀?？煽毓韬汶娢粌x功率較大、體積較小，但過載能力不強。磁飽和恒電位儀緊固耐用，過載能力強，但體積比較大，加工工藝也比較復雜。晶體管恒電位儀輸出平穩(wěn)、無噪聲、控制精度較高，但線路較復雜。
2）輔助陽極
輔助陽極的作用是將直流電源輸出的直流電流由介質傳遞到被保護的金屬結構上?？勺鬏o助陽極的材料有很多，如廢鋼鐵、石墨、鉛銀合金、高硅鑄鐵、鍍鉑鈦、包鉑鈮以及混合金屬氧化物電極等。這些材料各有其特點，適用于不同的場合。
3）參比電極
參比電極的作用有兩個：一方面用于測量被保護結構物的電位，監(jiān)測保護效果；另一方面，為自動控制的恒電位儀提供控制信號，以調節(jié)輸出電流，使結構物總處于良好的保護狀態(tài)。在工程中，常用的參比電極有銅/飽和硫酸銅、銀/鹵化銀及鋅參比電極等，這些參比電極各具特點，適用于不同的場合。
下圖可以看出不同材料做參比電極范圍不同：
圖3 不同材料參比電極保護范圍對比
由上圖可知，不同的材料作為參比電極，電勢值是不同的。在實際項目中，通常選用鋅來做參比電極。
圖4 系統布置圖
那么外加電流的陰極保護正常工作時電路是怎樣的呢？以往的文章常常對這一部分未做描述。其實電路非常簡單：
電流從電源正極流出，至輔助陽極，然后經過海水中的正離子抵達有破損的船體，從船體經過電纜流回電源負極。
以某船陰極保護系統接線圖為例，可以看到，連接輔助陽極和參比電極分別各用一根電纜SPYCY 95和SPYCY 2.5，并最終與系統陰極（接地）構成大回路。
于是，參比電極的原理就較為容易理解了，該項目以純鋅作為參比電極，也就意味著假設船體為鋅，且暴露在電解質海水之中，活動性較強，故為陽極，可以測得它與船體（陰極）之間的電勢差。該電勢差作為所加電流的控制量。
做一個理想化的假設，即假設船體涂層完整，沒有一處破損。這就意味著，一塊純鋅置于電解液中，它無法發(fā)生電解腐蝕。此時的電勢差為0mV。于是，也就不需要外加電流接到船體上。
然而，船體總有與海水直接接觸的部分，可以作為參比電極的陰極。因此可以測量出有電勢差，該電勢差會隨著船體裸露出來的面積而提高。目前設定報警值為400mV，意味著“under protection”，保護電流過低。而隨著加在船體上的電流增大，也就是電源輸出負載增加，參比電極的電勢差會降低，一般過保護報警值設定為-50mV。
參比電極與船體之間的電勢差受諸多因素影響，如海水鹽度、船速、溫度、洋流等。
圖5 某船陰極保護系統接線圖
在通電之前，需先測量輔助電極開路電勢及參比電極開路電勢，輔助陽極開路電勢應該在800mV以上，參比電極的開路電勢應該與手動模式下負載為0%即輸出電流為0A時相同。并可以通過手動模式下，修改負載檢查輸出電流、電壓，尤其檢查參比電極電勢是否隨著輸出電流的增加而下降。所以，手動模式下的報警不必在意。
陰極保護和涂覆層的聯合應用，可以使船舶獲得最經濟和有效的保護。良好的涂覆層可以保護船體99%以上的外表面不受腐蝕。按照上述原理，如果船體能夠做到完全電絕緣隔離，金屬在電介質中的腐蝕電池的形成將受到抑制，腐蝕電流將無法產生，從而防止金屬的腐蝕。然而，完全理想的涂覆層是不存在的，由于施工過程中的運輸、安裝及補口，熱應力及船體扭曲應力、涂層的老化及涂層微小針孔的存在，船體的外涂層總會存在一些缺陷，而這些缺陷最終將導致金屬的局部腐蝕產生。陰極保護技術和涂層聯合應用則可以有效解決這一問題。一方面陰極保護可有效地防止涂層破損處產生的腐蝕，延長涂層使用壽命。
陰極保護的費用通常只占被船體造價的1%～5%，而船舶船體的使用壽命則可因此而成倍甚至幾十倍地延長，因此，這項技術得到人們的普遍認可，并已在船舶、港工設施、海洋工程、石化、電力、市政等領域得到越來越廣泛的應用，前景十分廣闊。
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