在船舶全生命周期管理中，电化学腐蚀、海洋生物附着及轴系电蚀是影响结构安全与设备可靠性的核心问题。针对上述挑战，船舶工程领域形成了三大关键防护系统：外加电流阴极保护系统（ICCP：Impressed Current Cathodic Protection）、船舶防海生物系统（MGPS：Marine Growth Protection System）及轴接地系统（SED: Shaft Earthing System）。本文基于电化学理论、船舶工程规范及实船运维数据，系统解析三大系统的技术原理、设计要点及协同机制。

一、外加电流阴极保护系统（ICCP）：基于电化学控制的金属防护技术

1.1 理论基础与系统构成

   ICCP 的核心是通过外加直流电流使被保护金属（船体 / 轴系）表面电位负移至 “免蚀区”，抑制阳极溶解反应。根据电化学腐蚀理论，金属的腐蚀速率与表面电位（相对于参比电极）直接相关，船体钢的保护电位需控制在 - 0.85V（Ag/AgCl 参比电极，25℃，3.5% NaCl 溶液）以下，以确保氧化反应（Fe→Fe²⁺+2e⁻）被完全抑制。系统由四部分构成:

• 恒电位仪：采用 PID 控制算法，根据参比电极反馈动态调节输出电流（精度 ±1%），典型输出范围为 0-500A（取决于船体表面积）；
• 辅助阳极：选用钛基镀铂（Pt/Ti）或混合金属氧化物（MMO）阳极，铂层厚度≥5μm（ASTM B739-17），极化过电位≤0.3V（100A/m² 电流密度）；
• 参比电极：优先采用固态 Ag/AgCl 电极（寿命≥5 年），测量精度 ±10mV，安装位置需避开阳极干扰区（距离阳极≥2m）；
• 监测网络：沿船底纵向布置 5-8 个参比电极（间距≤15m），实时采集电位分布数据（分辨率 0.01V），用于评估保护均匀性。
  

1.2 设计与应用要点

• 船体保护：阳极布置需符合 “电流密度均匀性” 原则，船底区域电流密度设计值为 10-20A/m²（IMO MSC.307 (88)），水线附近因氧浓度高需提升至 25-30A/m²；
• 轴系防护：尾轴保护需延伸至螺旋桨轴毂，通过绝缘法兰（绝缘电阻≥1MΩ）隔离轴系与船体，避免 ICCP 电流干扰轴接地系统；
• 环境适应性：海水温度每升高 10℃，保护电位需负移 50mV（能斯特方程修正）；盐度每降低 10‰（如进入河口），电流密度需降低 15%（因电导率下降）。
  

1.3 运维技术规范

• 电位监测：每航次测量全船电位分布（使用高内阻电压表，输入阻抗≥100MΩ），允许偏差 ±0.1V；
• 阳极维护：阳极消耗速率≤1g/A・a（Pt/Ti 阳极），剩余铂层厚度＜2μm 时需更换；
• 故障诊断：若电位异常正移（＞-0.8V），优先检查参比电极污染（通过标准溶液校准）或阳极电缆绝缘（绝缘电阻＜10MΩ 时需修复）。
  

二、船舶防海生物系统（MGPS）：基于电解技术的生物抑制方案

2.1 电解反应机理与模式选择

  MGPS 通过电解海水生成杀生剂，抑制海洋生物附着。根据目标生物（微生物 / 大型生物）及海域环境，分为两种模式：

• 电解氯模式（适用于热带高生物活性海域）：
  主反应：2Cl⁻+2H₂O→Cl₂↑+H₂↑+2OH⁻（阳极）；Cl₂+H₂O→HClO+HCl（溶液中）。
  次氯酸钠（NaClO）有效浓度需控制在 0.5-1.0ppm（IMO G8 指南），接触时间≥30min 以确保杀生效率（对藤壶幼虫致死率＞99%）。

• 电解铜铝模式（适用于温带低生物活性海域）：
  铜阳极反应：Cu→Cu²⁺+2e⁻（释放速率 0.1-0.3g/A・h）；
  铝阳极反应：Al→Al³⁺+3e⁻（抑制氢氧化物结垢）。
  铜离子浓度需维持在 0.05-0.1ppm（DNV GL 规则 Pt6 Ch2 Sec3），避免对海洋生态造成影响（LC50＞0.2ppm 对多数海洋生物）。

2.2 系统设计与布置

• 电解单元：采用板式钛基电极（有效面积≥0.5m²），电流密度控制在 500-1000A/m²（避免析氧副反应）；
• 投加系统：杀生剂通过文丘里管注入海底门（距门体≤0.5m），喷口流速≥2m/s 以确保混合均匀；
• 控制逻辑：与海水泵联动（泵启动后延迟 30s 启动电解），并集成余氯传感器（测量精度 ±0.05ppm）实现闭环控制。
  

2.3 运维关键参数

• 电极清洗：每航次检测电极表面结垢（Mg (OH)₂为主），采用 10% 柠檬酸溶液循环清洗（pH≤3，时间 30min），清洗后需用淡水冲洗（电导率＜50μS/cm）；
• 淡水区保护：进入淡水海域（盐度＜5‰）时需停机，避免电极过电位（＞2.5V）导致涂层脱落；
• 排放合规：电解氯模式排放前需投加亚硫酸钠（Na₂SO3）中和余氯（残留≤0.1ppm），符合 MEPC.279 (70) 压载水管理要求。
  

三、轴接地系统：基于低阻路径的轴系电蚀抑制技术

3.1 轴系电流产生机制与危害

  轴系电流由三类源激发，其耦合作用可导致轴承电蚀（麻点直径 0.05-0.5mm）及密封失效:

• 电磁感应电流：船舶航行切割地磁场（磁感应强度 B≈50μT），轴系感应电动势 E=BLv（L 为轴长，v 为航速），10 万吨级船舶（L=15m，v=15kn）的 E≈0.3V；
• 电偶腐蚀电流：螺旋桨（Cu-Al 合金，电位 + 0.3V vs SCE）与尾轴（钢，电位 - 0.5V vs SCE）在海水中形成原电池，电流密度约 1-5μA/cm²；
• 杂散电流：主机变频器（载波频率 2-16kHz）产生的谐波电流（总谐波畸变率 THD＞5%），可导致轴电压骤升至 1V 以上（IEC 60092-304）。

3.2 系统设计与性能指标

  轴接地系统通过碳刷 - 滑环装置提供低阻泄放路径（R≤0.01Ω），确保轴对地电压≤30mV（ISO 19036:2016）。关键设计参数：

• 碳刷材料：选用电化石墨（电阻率 15-30μΩ・m），接触压力 15-25N/cm²（避免跳火）；
• 滑环表面：采用不锈钢（316L）或镀硬铬（厚度≥50μm），表面粗糙度 Ra≤0.8μm（减少碳刷磨损率，≤0.1mm/1000h）；
• 接地路径：从滑环到船体的接地电缆截面积≥50mm²（铜芯），连接电阻≤0.005Ω（避免温升＞50K）。

3.3 运维技术要求

• 碳刷维护：每 500h 检查碳刷长度（剩余＜1/3 时更换），并测量接触压降（≤0.2V）；
• 绝缘测试：每月测量滑环对轴的绝缘电阻（＞100MΩ，500V 兆欧表），防止电流 “旁路” 至其他设备；
• 电蚀监测：每季度拆解轴承检查麻点密度（≤5 个 /cm²），并通过轴电压记录仪（采样频率 1kHz）分析异常波形（如尖峰电压＞0.5V）。
  

四、系统协同与可靠性优化

   三大系统的协同需重点解决电化学干扰与能量耦合问题：

1. ICCP 与轴接地的电磁兼容：ICCP 的低频电流（0-10Hz）可能在轴系感应出噪声电压（≤50mV），需通过绝缘法兰（电容≤1nF）隔离船体与轴系，同时在恒电位仪输出端增加低通滤波器（截止频率 1Hz）；

2. MGPS 与 ICCP 的阳极兼容性：MGPS 的铜阳极（电位 + 0.3V vs SCE）与 ICCP 的铂阳极（电位 + 0.8V vs SCE）若距离过近（＜5m），会形成电偶对（铜为阳极），加速铜电极腐蚀。设计时需确保两者间距≥10m，并在 MGPS 阳极周围布置牺牲锌块（电位 - 1.1V vs SCE）作为缓冲；

3. 数字化监控集成：现代船舶通过综合状态监测系统（CMS）实现多参数融合：

• ICCP 电位分布（50 点 / 船）与 MGPS 余氯浓度（10 点 / 系统）的实时关联；
• 轴电压（1kHz 采样）与 ICCP 输出电流（0.1A 分辨率）的频谱分析，识别干扰源（如变频器谐波）；
• 基于机器学习的故障预测（如阳极消耗速率异常时提前 30 天预警）。
  

结论

ICCP、MGPS 及轴接地系统是船舶电化学防护与电蚀抑制的核心技术，其设计与运维需深度结合电化学理论、船舶工程规范及实船数据。通过精准控制电位 / 离子浓度、优化电流路径及解决系统间电磁干扰，可显著降低腐蚀速率（船体腐蚀率＜0.1mm/a）、生物附着率（管路堵塞率＜5%）及轴系电蚀故障率（轴承寿命延长 3 倍以上）。未来，随着数字化监控与智能算法的应用，三大系统的协同效率将进一步提升，为船舶全生命周期安全与经济性提供更可靠的技术保障。

参考文献：

• IMO MSC.307(88): Guidelines for the Application of Cathodic Protection to Ship Hulls
• DNV GL Rules Pt6 Ch2 Sec3: Marine Growth Prevention Systems
• IEC 60092-304: Electrical Installations in Ships – Part 304: Shaft Earthing Systems
• ISO 19036:2016: Ships and Marine Technology – Shaft Voltage Measurement and Evaluation