船殼-青銅制螺旋槳在海水中的腐蝕行為

船殼-青銅制螺旋槳在海水中的腐蝕行為

在海上環(huán)境中產(chǎn)生的電池被稱為船舶電池，包括電池靜態(tài)場所（uep）和極端低頻場所（elef）。隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展,這些電場特征信號很容易被監(jiān)控電磁場的監(jiān)測設(shè)備探測到。目前許多水中兵器的引信源是根據(jù)船體產(chǎn)生的直流磁場特征信號。但是隨著反水中兵器技術(shù)的不斷改進(jìn),以及艦船設(shè)計(jì)者把船體平臺的靜噪聲和無直流磁場作為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)的情況下,這種以直流或交流電場為引信源的新型水中兵器將會得到更為廣泛的應(yīng)用。因此,艦船水下極低頻電場的測量及其抵消方法的研究,對新型水中兵器的研制,具有極其重要意義。從50年代起,美國、英國、加拿大、澳大利亞和前蘇聯(lián)等國家就非常重視艦船水下電場的研究,設(shè)計(jì)出了不少高性能的艦船電場測量裝置,到現(xiàn)在很多技術(shù)都已達(dá)到了實(shí)用階段。對于艦船極低頻電場的抵消,目前歐美一些國家采用的措施是被動接地系統(tǒng),其方法是通過一個(gè)電刷和集電環(huán)將船殼與轉(zhuǎn)軸相連接,由于接地電刷的低阻抗避免了軸承阻抗的起伏,從而削弱艦船的極低頻電場;前蘇聯(lián)多采用主動式接地系統(tǒng),并且切斷了螺旋槳同艉軸以及艉軸同船體的電連接,其研制的艦船電場補(bǔ)償系統(tǒng),目前在俄大部分艦艇上都有裝備。本文通過實(shí)驗(yàn)室仿真實(shí)驗(yàn),測量了船模的船殼和螺旋槳之間的腐蝕電流經(jīng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的調(diào)制后產(chǎn)生的極低頻電場,為艦船極低頻電場的產(chǎn)生機(jī)理及其消除方法研究打下了一定的基礎(chǔ)。1顆粒結(jié)構(gòu)的影響當(dāng)金屬浸入到海水中時(shí),會因水化作用形成水化離子,并在金屬表面留下當(dāng)量的電子。同時(shí),海水中的水化金屬離子也會與金屬表面上過剩的電子結(jié)合而回到金屬上去,當(dāng)這兩個(gè)過程達(dá)到動態(tài)平衡時(shí),就會在金屬和海水接觸的界面上形成具有相反電荷的“雙電層”,從而使金屬與海水之間形成了電位差,稱為該金屬在海水中的電極電位。由于不同金屬在海水中的化學(xué)活動性不同,其在海水中的電極電位也不同。因此當(dāng)不同的金屬在海水中形成閉合回路時(shí),會發(fā)生極化現(xiàn)象,使兩極之間的電位差逐漸減小。但海水中富含的氧和氫離子能在陰極上發(fā)生去極化反應(yīng),阻礙陰極電位進(jìn)一步變負(fù)和陽極電位進(jìn)一步變正。當(dāng)它們達(dá)到動態(tài)平衡時(shí),兩金屬電極之間就保持一固定的電位差。由于組成艦船的不同金屬材料(如青銅制螺旋槳和船體的鋼板)之間能在海水中維持一定的電位差。因此當(dāng)它們在海水中構(gòu)成閉合回路時(shí),船體的不同結(jié)構(gòu)之間就會發(fā)生腐蝕,在海水中產(chǎn)生腐蝕電流。同時(shí),為了防止船體的腐蝕,人為外加的被動或主動陰極保護(hù)系統(tǒng)也會在海水中產(chǎn)生電流。這些電流都會經(jīng)海水從船殼流向螺旋槳,然后通過各種軸承、密封和機(jī)械線路從螺旋槳返回到船殼,如圖1.1所示。此回路的電阻抗RB會隨著螺旋槳軸承的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生周期性的變化,從而使流經(jīng)海水的電流受到調(diào)制。這些時(shí)變電流產(chǎn)生的電磁波會由船體向外傳播。這些特征信號包括轉(zhuǎn)軸的基頻和頻率高達(dá)幾百赫茲的諧波。由于螺旋槳的轉(zhuǎn)速較低,因而產(chǎn)生的電磁波信號頻率也很低,這些低頻信號能夠傳送到較遠(yuǎn)的距離,從而成為水下監(jiān)測的特征信號源。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1帶線電極的電極實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)施包括無磁性實(shí)驗(yàn)水池、實(shí)驗(yàn)船模和電場測試系統(tǒng)組成。無磁性實(shí)驗(yàn)水池,尺寸為8m×5m×1.5m,在水池中放入0.4m深的水,并將工業(yè)用鹽倒入池中,讓其充分溶解并混合均勻,測得所配制的海水的電導(dǎo)率為3.96S/m.實(shí)驗(yàn)船模,按實(shí)船縮小比例制得,船長1m,船殼由鋼板構(gòu)成,并在其外包了一層鋅皮,目的是為了增大腐蝕電流,從而更易于實(shí)驗(yàn)測量;其螺旋槳有四片槳葉,由銅制得。帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動的菲利浦交流電機(jī)減速后的轉(zhuǎn)速為160r/min.電極支架,由非金屬的有機(jī)玻璃和膠木棒構(gòu)成,電極間距和位置在支架上可調(diào)。金屬架,用于固定船模和電極支架。電場測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。測量電極,為高靈敏度的Ag/AgCl電極,用于測量水下兩點(diǎn)間的電位差,電極的電位偏差為±4mV,電極的內(nèi)阻≤10kΨ,液絡(luò)部流速≤0.05ml/min,穩(wěn)定性為±3mV/7h.信號放大與濾波電路,前置放大使用了儀表放大器AD620,外接電阻選用增益約為1000;帶通濾波由二階低通和一個(gè)二階高通有源濾波器串聯(lián)而成,其帶寬為1.5~3.5Hz;后置放大使用普通運(yùn)放OP07,其放大倍數(shù)為8;整個(gè)電路的放大倍數(shù)約為8000倍。A/D轉(zhuǎn)換器,選用AC1077高精度50kHz16位A/D板,其輸入的電壓范圍為0~±10V;通道輸入采用可編程16路單端輸入或8路差分輸入;啟動方式有軟件啟動、定時(shí)器啟動、外觸發(fā)啟動和BURST(突發(fā))模式;轉(zhuǎn)換結(jié)束判斷方式包括查詢和中斷兩種方式;本系統(tǒng)采用0通道單端輸入,定時(shí)器啟動方式。同軸電纜,長6m,用于傳送數(shù)據(jù),同時(shí)減小外界環(huán)境電磁噪聲的干擾。計(jì)算機(jī),用于控制A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集與處理。2.2指定路徑的確定采用VC++和Matlab聯(lián)合編寫,程序界面如圖2.2所示。通過對話框能很方便地設(shè)定采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù),控制A/D轉(zhuǎn)換的起止,并能將采集到的數(shù)據(jù)存貯到指定路徑的指定文件中。該程序還能實(shí)時(shí)顯示所采集數(shù)據(jù)的波形圖及其最大值,并能通過Matlab引擎調(diào)用MATLAB工具箱對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析。2.3背景干擾測試實(shí)驗(yàn)將船模固定在金屬架上放入池中,并讓船殼的下半部分和螺旋槳浸泡在鹽水中。同時(shí)將已連接好同軸電纜的Ag/AgCl電極裝在電極支架上,其間距為85cm,然后將電極支架固定在金屬架上,使得電極位于螺旋槳的下方,如圖2.3所示。將同軸電纜連接到信號放大與濾波電路板上,并將電路板的輸出端與插在計(jì)算機(jī)里的A/D轉(zhuǎn)換板相連,然后接通電源準(zhǔn)備測量。設(shè)定A/D板的采樣頻率為100,采集1100個(gè)數(shù)據(jù)。先不給船模上的電動機(jī)供電,測量螺旋槳不轉(zhuǎn)動時(shí)兩電極間的電位差,即測量背景干擾,其結(jié)果如圖2.4實(shí)線所示。然后,啟動船模上電機(jī),轉(zhuǎn)動螺旋槳,測量兩電極間的電位差,即測量螺旋槳調(diào)制ELEF信號,其結(jié)果如圖2.4虛線所示。2.4載荷信號功率譜分析由采集數(shù)據(jù)的波形圖可以看到,當(dāng)船模的螺旋槳轉(zhuǎn)動后,水中兩個(gè)Ag/AgCl電極之間的電位差明顯變大,并且其波形呈周期性變化。螺旋槳轉(zhuǎn)動后兩電極間的電位差的最大值達(dá)到了90mV,折合成實(shí)際信號值為11μV左右,即電場強(qiáng)度值達(dá)到13μV/m左右。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析,其信號功率譜圖如圖2.5所示。從圖可見,螺旋槳調(diào)制ELEF信號的頻率為2.7Hz,正是螺旋槳轉(zhuǎn)動的速率。同螺旋槳調(diào)制ELEF信號的功率譜密度相比,背景噪聲的功率譜密度幾乎為零。由此可見,正是螺旋槳轉(zhuǎn)軸和船體之間電阻抗的周期性變化調(diào)制了海水中的