為預防船體在惡劣的海洋環境中受腐蝕，我們通常采用陰極保護的方法。利用諸如犧牲陽極或外加電流等不同的方法，使海上作業的設備正常運轉。外加電流陰極保護 (ICCP) 方法就是通過向船體施加外部電流來減輕腐蝕的。此方法的效能取決于多種因素，例如螺旋槳上是否涂有涂層。在這里，我們通過仿真來探討螺旋槳上的涂層如何影響外加電流陰極保護方法的工效的。

海上腐蝕

坐在甲板上，您可能無法得知水下發生了什么。但如果潛入水下，就可能會發現船體表面最大的問題之一：腐蝕。

當處于電解質（即海水）中，并且不同區域具有不同的電位時，船體就會發生腐蝕。簡而言之，海水這一電解質促使電子從附近電解質電位較高的陽極流向附近電解質電位較低的陰極，由此引起陽極區出現氧化和腐蝕。

電解質溶液內陽極與陰極簡圖。

腐蝕導致船舶和石油平臺等結構損壞，影響其使用壽命。還可能導致泄漏，引發安全事故。如果等這些問題發生之后再尋求解決辦法，則需要付出高昂的代價，因此重點是提前采取保護措施防止腐蝕，例如采用外加電流陰極保護。

圖中所示船舶采用了防腐蝕系統延長了結構的使用壽命。（由 Jean-Michel Roche 提供。在 Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported 許可下使用，經 Wikimedia Commons發布。）

借助外加電流陰極保護減緩船體腐蝕

在使用外加電流陰極保護方法保護船體免受腐蝕時，我們施加了外部電流將船體上的高電位陽極區轉化為低電位陰極區。因為整個船體都為陰極，確保了船體表面免受腐蝕。

船體幾何圖形。

一個有效的外加電流陰極保護系統所需的電流量取決于多種因素，例如水的鹽度和溫度。然而，暴露于海水中的金屬區域是決定電流量的最重要因素。螺旋槳通常由外露金屬制成，但可以給它涂上保護層。螺旋槳是否具有涂層會影響外加電流陰極保護系統工作時所需的電流量。

下面我們通過仿真比較船舶上的螺旋槳有涂層以及沒有涂層時外加電流陰極保護系統的工作效率。

采用仿真評估螺旋槳有涂層時 ICCP 的性能

受 Huber 和 Wang 的論文啟發，我們創建了一個模型來評估螺旋槳有涂層時，外加電流陰極保護系統的使用狀況。

有涂層的螺旋槳

在螺旋槳有涂層的情況下，我們施加了 0.87A 電流進行測試。此時，船體表面的電解質電位相對平均且較低，而陽極表面的電解質電位相對較高。看上去似乎一切正常，但是讓我們仔細觀察一下陽極附近的不均勻區域。

上圖：有涂層螺旋槳的教學模型中的電解質電位。陽極為紅色的圈。下圖：有涂層螺旋槳軸的局部電流密度。

如圖所示，模型的軸表面局部電流密度為負值，說明電流流入軸表面，而不是從軸表面流出。從而證實了軸表面發生陰極反應。

在螺旋槳有涂層的情況下，因為軸表面的發生陰極反應，陽極表面的電解質電位相對較高，整體電解質電位相對較低，外加電流密度足以保護船體免受腐蝕。

沒有涂層的螺旋槳

在模擬沒有涂層的螺旋槳時，我們施加了 3.1A 電流。同樣的，在船體表面，陽極表面的電解質電位高于其它部位的電解質電位。然而，當與船體表面其它部位相比時，軸表面及沒有涂層的螺旋槳表面的電解質電位相對較低。

上圖：沒有涂層螺旋槳的教學模型中的電解質電位。陽極為紅色的圈。下圖：軸及沒有涂層螺旋槳的局部電流密度。

通過觀察軸表面及沒有涂層螺旋槳表面，我們發現其上的局部電流密度均為負值。由此，我們可以認為軸表面及沒有涂層螺旋槳表面發生了陰極反應。因此，在螺旋槳沒有涂層的情況下，電流密度也足以保護船體免受腐蝕。

無論螺旋槳是否具有涂層都能實現防腐蝕，但是有涂層螺旋槳所需的電流更低，從而使整個系統更高效。此外，如下圖所示，在螺旋槳有涂層的情況下，電解質電位也更均勻。

有涂層/沒有涂層的螺旋槳模型電解質電位對比圖。弧長表示船體長度。

結論與后續步驟

通過 COMSOL Multiphysics 仿真，我們發現與螺旋槳沒有涂層的船體相比，由于有涂層螺旋槳的船體表面電位較低，因此船體表面的耐腐蝕效果更佳。毫無疑問，外加電流陰極保護系統對有涂層螺旋槳能更好地發揮保護作用。