一种破冰船阴极保护用辅助阳极组件
技术领域
本发明涉及一种破冰船阴极保护用辅助阳极组件，适用于极地航行船舶外加电流阴极保护系统，用于防止船壳、舵板以及螺旋桨推进器的海水腐蚀，也可用于海上风电、浮式平台、泵船等金属结构物的腐蚀控制，属电化学技术领域。
背景技术
目前，国内外普遍采用涂层保护和阴极保护技术相结合的方法来解决船舶的海水腐蚀问题，按照提供保护电流方式的不同，阴极保护分为牺牲阳极保护和外加电流阴极保护两种方法。外加电流阴极保护技术已成为船舶必不可少的重要防护措施，并取得了良好的防护效果。外加电流阴极保护技术是由外部电源设备提供保护电流，使船体表面在海水中产生阴极极化，从而使船体腐蚀得到有效抑制。该技术具有提供的保护电流大；使用寿命长；可根据工况环境条件的变化自动调节输出电流的大小，使船体一直处于良好的保护状态以及在船体上安装的阳极数量少，不会增大舰船的航行阻力等特点，尤其适于大型船舶。外加电流阴极保护系统主要由恒电位仪、辅助阳极和参比电极等所组成，辅助阳极是其中的关键部件，其作用是将电源设备提供的保护电流经由海水传递到被保护的船体表面，辅助阳极的性能直接影响阴极保护系统的可靠性和防护效果。辅助阳极组件通常由起排流作用的阳极体和起固定和绝缘作用的托架构成。
随着北极冰层的逐年消融，未来北极的航道利用和资源开发必定日渐增多，对破冰船的需求量也会越来越大。极地航行气象条件和海况极为恶劣，涉及低温、高盐、海冰、暴风雪等，破冰船破除较厚冰层后，海面迅速凝结较薄的冰层，极地船舶航行的过程中，海面常年有大量浮冰，浮冰对于辅助阳极表面的摩擦磨损比较严重，极易导致机械破损。专利CN1844454A公开了一种船舶阴极保护用辅助阳极组件，适用于安装在曲率半径较小的船体部位，具有使用寿命长、稳定性好和便于安装等特点，但阳极体未进行隔离防护，直接与海水浮冰接触易发生局部机械磨损，导致阳极排流量减小，无法满足阴极保护的设计要求。
发明内容
本发明的技术任务是克服上述船舶辅助阳极组件在冰区航行时所存在的不足，提供一种破冰船阴极保护用辅助阳极组件。通过在钛基体上预先沉积掺硼金刚石中间层，显著改善阳极体的稳定性和耐机械磨损性能。阳极托架配套刚性绝缘穿孔保护罩，把阳极体与浮冰进行物理隔离，不易机械损坏，且保证阴极保护电流有效排出，在冰区航行过程中可长期可靠工作。适用于极地航行船舶外加电流阴极保护系统，用于防止船壳、舵板以及螺旋桨推进器的海水腐蚀。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种破冰船阴极保护用辅助阳极组件，包括以下部件：阳极体、导电杆、阳极托架及穿孔保护罩，
所述阳极托架为绝缘材料制成，阳极体置于阳极托架内，阳极托架起固定阳极体并使阳极体与船壳钢板绝缘的作用；
所述导电杆连接在阳极体的背部，用于电缆和阳极体的电连接；
所述穿孔保护罩为绝缘材质制成，固定于阳极托架顶部，并与阳极托架密封固定。
方案可选地，所述阳极体采用圆盘状钛基体，其表面先沉积具有良好耐磨性能的掺硼金刚石薄膜，然后涂敷具有良好导电性的混合贵金属氧化物活性涂层。
方案可选地，所述阳极体的制备步骤为：
首先对钛基体进行喷砂、草酸刻蚀处理；
然后采用微波等离子体或热辅助化学气相沉积方法覆盖一层掺硼金刚石薄膜；
利用B2H6为硼源，碳源为CH4和H2的混合气体，通过控制硼掺杂量制备出具有一定导电性和耐磨性的掺硼金刚石薄膜，薄膜厚度为2~10μm，硼掺杂浓度为2000~5000ppm；
最后在掺硼金刚石薄膜上涂敷混合贵金属氧化物涂层，由IrO2、RuO2、PtOx中的一种或多种作为活性组元，与TiO2、Ta2O5、SnO2中的一种或多种惰性组元所构成，并且贵金属氧化物的含量应不小于30%（摩尔比），涂层厚度为8~15μm。由于掺硼金刚石薄膜具有良好的耐磨性能，即使阳极体表面的贵金属氧化物涂层因浮冰磨损发生局部破坏，也可以有效保护钛基体避免其暴露于海水腐蚀介质，从而显著改善阳极体的稳定性。
方案可选地，所述导电杆为钛包覆铜复合材料，与阳极体背面焊接连接。
方案可选地，所述阳极托架和穿孔保护罩均采用绝缘的玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料，通过压制二次成型，将阳极体嵌入阳极托架。
方案可选地，所述阳极托架和穿孔保护罩以聚醚醚酮作为阳极托架的基体材料，添加含量为30%~50%的高强短切玻璃纤维进行增强，采用高温固化剂和热压成型工艺，经模压成型。
方案可选地，所述穿孔保护罩通过螺栓固定于托架顶部，并通过环氧树脂涂封料进行密封固定。
方案可选地，所述穿孔保护罩开孔尺寸为Φ5mm~Φ15mm，开孔数量根据保护罩大小进行调整，穿孔保护罩配有安装孔，通过螺栓将穿孔保护罩固定于阳极托架上，带有导电杆的阳极体嵌入模压成型的阳极托架中，用环氧树脂涂封料进行封装。
本发明的一种破冰船阴极保护用辅助阳极组件与现有技术相比所产生的有益效果是：
1、通过钛基体上添加掺硼金刚石薄膜，可以有效保护基体，显著提升阳极的耐机械磨损性能，避免海冰冲击导致钛基体直接暴露于海水的问题；
2、采用玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料和模压成型制备阳极托架，机械强度高，力学性能优异，耐磨性能良好，易于加工，在极地低温环境下可长期稳定工作；
3、阳极组件集成配套穿孔保护罩，把阳极体与浮冰进行物理隔离，避免阳极体与海冰直接接触，使用可靠性大大提升，尤其适用于在冰区航行的破冰船。
附图说明
为了更清楚地描述本发明一种破冰船阴极保护用辅助阳极组件的工作原理，下面将附上简图作进一步说明。
附图1为破冰船阴极保护用辅助阳极组件的示意图。
图中各标号表示：
1—阳极体；2—导电杆；3—阳极托架；4—穿孔保护罩。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明的一种破冰船阴极保护用辅助阳极组件，包括以下部件：阳极体1、导电杆2、阳极托架3及穿孔保护罩4，
阳极体1采用圆盘状钛基体（TA1或TA2材质），重量轻，便于安装并具有足够的机械强度，尺寸可根据排流量大小进行加工，直径宜在Φ150mm~400mm之内，厚度为1.5mm~6mm。首先对钛基体进行喷砂、草酸刻蚀处理，然后采用微波等离子体或热辅助化学气相沉积方法覆盖一层掺硼金刚石薄膜，利用B2H6为硼源，碳源为CH4和H2的混合气体，通过控制硼掺杂量制备出具有一定导电性和耐磨性的掺硼金刚石薄膜，薄膜厚度为2~10μm，硼掺杂浓度为2000~5000ppm。最后在掺硼金刚石薄膜上涂敷混合贵金属氧化物涂层，由IrO2、RuO2、PtOx中的一种或多种作为活性组元，与TiO2、Ta2O5、SnO2中的一种或多种惰性组元所构成，并且贵金属氧化物的含量应不小于30%（摩尔比），涂层厚度为8~15μm。由于掺硼金刚石薄膜具有良好的耐磨性能，即使阳极体表面的贵金属氧化物涂层因浮冰磨损发生局部破坏，也可以有效保护钛基体避免其暴露于海水腐蚀介质，从而显著改善阳极体的稳定性。
导电杆2采用爆炸-轧制工艺制备的钛铜复合材料以降低电阻，使其既有铜的优良导电性又有外部钛层优异的耐腐蚀性，将导电杆2在焊接在阳极体1背部，用于电缆和阳极体1的电连接。
阳极托架3起固定阳极体1并使阳极体与船壳钢板绝缘的作用。阳极托架3采用耐磨性能优异的玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料，选用聚醚醚酮作为阳极托架的基体材料，添加含量为30%~50%的高强短切玻璃纤维进行增强，采用高温固化剂和热压成型工艺，经模压成型。
穿孔保护罩4也采用玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料，开孔尺寸为Φ5mm~Φ15mm，开孔数量根据保护罩大小进行调整。保护罩配有安装孔，可通过螺栓将保护罩固定于阳极托架上。带有导电杆2的阳极体1嵌入模压成型的阳极托架3中，用环氧树脂涂封料进行封装。
实施例
本发明的一种破冰船阴极保护用辅助阳极组件：
首先采用TA2钛板作为阳极基体，其尺寸为Φ150mm×6mm，背面焊接120mm的铜钛复合棒。首先对钛基体进行喷砂处理，然后在10%草酸溶液中刻蚀2h，用蒸馏水冲洗干净，得到预处理钛基体。采用等离子体化学气相沉积方法在预处理钛基体上制备掺硼金刚石薄膜，薄膜厚度为5μm，硼掺杂浓度为2500ppm。然后涂敷含有氧化铱、氧化钽的混合贵金属氧化物涂层，氧化铱含量为70%，涂层厚度为12μm。
然后采用玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料和模压成型制备阳极托架，将阳极体嵌入阳极托架中，通过环氧树脂进行密封。
再在穿孔保护罩开孔Φ10mm，数量为20个，均匀分布，通过10只螺栓将保护罩固定于阳极托架上，制成破冰船阴极保护用辅助阳极组件。
在室内冰水池开展模拟极地环境考核实验，将阳极组件绝缘水密地安装在Q235钢板上，钢板尺寸为4.0m×3m，钢板的正面采用喷射除锈方法彻底清除表面的氧化皮、铁锈等，使表面清洁度达到GB8923-88中的Sa 2 1/2级。在安装好阳极组件后，在阳极周围钢板表面涂刷阳极屏涂料。以钢板作为阴极，模拟船体表面。以恒流源作为试验用阴极保护电源设备，其额定输出为120A/30V。该设备放置在水池旁边的配电室内。将阳极组件和钢板通过吊车浸入海水中，海水中漂浮海冰，从阳极引出的电缆连接到恒流源的正极，从钢板上引出的阴极电缆连接到恒流源的负极，采用便携式银/氯化银参比电极测量阳极组件周围钢板表面的电位分布。模拟破冰船在冰区航行的工况，控制阳极组件以1m/s速度在水池中运动，测量阳极组件的输出特性和工作稳定性。结果表明，辅助阳极的输出电流为10A时，钢板的保护电位达到-0.90V左右，处于良好保护状态。检查阳极组件试验前后的外观结构、阳极体表面涂层完好情况，未发现涂层局部破损现象，力学性能稳定，表明在含冰海水环境中，该辅助阳极组件具有良好的综合应用性能。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。
