衣正堯，林　焰，季永生

(1.大連中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，遼寧 大連 116052；2.大連理工大學(xué) 船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究所，遼寧 大連 116024；3.南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

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螺旋槳表面粗糙度的控制及控制流程

衣正堯1,2，林焰2，季永生3

(1.大連中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，遼寧 大連 116052；2.大連理工大學(xué) 船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究所，遼寧 大連 116024；3.南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

考慮螺旋槳長(zhǎng)期在海水中靜態(tài)附著腐蝕機(jī)理，以某船螺旋槳為樣本，對(duì)螺旋槳裝機(jī)、涂防護(hù)膜、防護(hù)效果采樣及表面再處理等現(xiàn)象進(jìn)行跟蹤調(diào)查和試驗(yàn)分析，提出一種船廠控制螺旋槳粗糙度的管理流程以及相關(guān)建議。

螺旋槳；表面粗糙度；樣本測(cè)試；控制流程

受船市影響，目前很多新造船在水下舾裝周期較長(zhǎng)，特別是首制船。螺旋槳長(zhǎng)時(shí)間在海水下浸泡，有附著海生物的傾向，需要跟蹤螺旋槳表面在海水中關(guān)鍵階段的生物附著或腐蝕狀態(tài)，以更好地保護(hù)螺旋槳表面。恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施不僅有利于螺旋槳本身，也有利于試航油耗航速效果，更有利于交船及船舶全生命周期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)。

1　螺旋槳靜態(tài)海水附著腐蝕機(jī)理

1.1船廠海水區(qū)域特點(diǎn)

船廠位于旅順港附近，旅順港位于遼東半島南端(38°48′N ,121°15′E)，附近水質(zhì)清澈、暢通，鹽度較高，透明度較大。月平均最高水溫8月20.9 ℃，最低2月1.8 ℃，月平均海水鹽度都在30.1‰～31.7‰之間[1]。

旅順港區(qū)域附著生物的附著季節(jié)體現(xiàn)了暖溫帶附著生物附著季節(jié)的特點(diǎn)。于1979年9月至1980年8月在旅順港進(jìn)行掛板試驗(yàn)，主要海生物種類的附著季節(jié)是6月至10月(月平均水溫1.25～20.9 ℃)，8月和9月是附著盛期，冬季低溫月份幾乎沒(méi)有生物附著[1]。

1.2螺旋槳材料耐海生物和腐蝕特性

螺旋槳長(zhǎng)期停放在海水中時(shí), 會(huì)受到藤壺、牡蠣、貝殼等海生物侵蝕，嚴(yán)重會(huì)降低船速，影響油耗，甚至破壞螺旋槳本體。在海水中浸置時(shí)間越長(zhǎng)，海生物附著量就越大。

海生物從浮游生物的孢子和貝殼類幼蟲(chóng)分泌出一種酸性粘結(jié)性物質(zhì)，與艦體鋼板接觸后開(kāi)始附著[2]。海水水溫、水質(zhì)、光線，螺旋槳本體材質(zhì)、表面粗糙度情況都對(duì)海生物在螺旋槳表面的生長(zhǎng)有重要影響。銅合金比鋼質(zhì)、鈦合金抗海生物力強(qiáng)，銅離子不斷析出，可大量殺死海生物。但由于合金銅中其他元素離子不斷析出，可造成脫鋅、脫鋁、脫錳等點(diǎn)蝕[3]。

1.3樣本船螺旋槳鎳鋁青銅概述

鎳鋁青銅是當(dāng)前遠(yuǎn)洋船舶等螺旋槳材料上使用最為普遍的合金[4]。20世紀(jì)50年代初，英國(guó)首次用于船用螺旋槳，后美、中、荷、日等國(guó)也相繼在螺旋槳中采用[5]。具有優(yōu)異的耐腐蝕、耐沖蝕和抗海生物污損等性能。在耐海水腐蝕疲勞方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)不銹鋼和黃銅,比錳青銅還好。有優(yōu)異的耐磨、焊接性能,價(jià)格低廉[6]。

世界各國(guó)螺旋槳使用鎳鋁青銅的材料情況見(jiàn)表1[7]。

表1　鎳鋁青銅螺旋槳材料的成分及含量

2　樣本船螺旋槳粗糙度測(cè)試與分析

2.1樣本船螺旋槳基本參數(shù)

5葉槳；直徑9 700.0 mm；螺距6 734.8 mm；螺距比0.694 3；質(zhì)量53 300 kg；材料為KALBC3，鎳鋁青銅。鉆取少量干凈的金屬粉末進(jìn)行符合性檢驗(yàn)，化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2　化學(xué)成分分析表

2.2樣本采樣跟蹤

以某大型30萬(wàn)t級(jí)礦砂船為樣本,水下岸壁舾裝周期1月到7月，長(zhǎng)達(dá)近6個(gè)月。螺旋槳塢內(nèi)初裝及表面狀態(tài)見(jiàn)圖1a)。為防止螺旋槳表面滋長(zhǎng)海生物，于螺旋槳下水前，在塢內(nèi)對(duì)螺旋槳表面涂丁苯橡膠防海生物保護(hù)膜，涂裝厚度管理要求：干膜1 000 μm，濕膜300 μm。防海生物漆涂裝完畢如圖1b)。在水下系泊試驗(yàn)期間，由于螺旋槳曾經(jīng)低速旋轉(zhuǎn)，部分生物漆出現(xiàn)脫落，二次進(jìn)塢后，采集如圖1c)。將螺旋槳表面全部保護(hù)膜撕掉暴露在大氣中約1 d后，表面概貌如圖1d)，大部分被氧化，呈深黑紅色狀，遠(yuǎn)處垂直槳葉面觀察，視覺(jué)判斷效果非常差，視覺(jué)感到有較大的凹凸不平，可能有粗糙度控制的風(fēng)險(xiǎn)。但是，近距離貼近槳葉表面平行近觀，發(fā)現(xiàn)表面并不十分粗糙如圖1e)。在槳葉面找顏色差別相對(duì)最為明顯的樣本區(qū)域，用手觸摸比較光滑，除表面有部分可以輕易用手擦除的鹽分附著外，雖然槳葉變色嚴(yán)重，但是粗糙度手觸光滑如圖1f)。全螺旋槳未見(jiàn)有明顯的海生物附著。

圖1　樣本螺旋槳表面狀態(tài)跟蹤

2.3樣本表面粗糙度測(cè)試

根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，為保證船舶航速和油耗等使用性能，螺旋槳的面粗糙度要達(dá)到ISO 484/1 CLASS I精度等級(jí)，即從距槳轂中心0.3R處至槳葉端部區(qū)域粗糙度達(dá)到Ra6 μm以下。

利用高壓水槍沖洗、擦拭等方式對(duì)螺旋槳表面進(jìn)行預(yù)處理，分別采用樣塊比較法和針描法測(cè)量粗糙度。

1)樣塊比較法。高壓射流沖洗前，對(duì)螺旋槳形貌差異突出的區(qū)域進(jìn)行粗糙度比較，如圖2。經(jīng)過(guò)樣塊比較，與樣塊B級(jí)粗糙度水平相差不大，相當(dāng)于粗糙度Ra1.92 μm左右，遠(yuǎn)低于螺旋槳表面粗糙度ISO 484/1 CLASS I

圖2　樣塊比較法測(cè)試

2)測(cè)量?jī)x針描法。高壓射流沖洗前，在A槳葉前后表面各選取7個(gè)銹蝕比較嚴(yán)重區(qū)域，進(jìn)行粗糙度測(cè)量，各區(qū)域粗糙度測(cè)量結(jié)果分別見(jiàn)表3?？梢?jiàn)槳葉前后面粗糙度狀態(tài)差距不大，均在粗糙度要求ISO 484/1 CLASS IRa6 μm以內(nèi)。主要原因是螺旋槳長(zhǎng)期在海水中處于靜態(tài)。

表3　在A槳前后面沖洗前針描測(cè)試

氧化較嚴(yán)重的部分典型測(cè)試區(qū)域見(jiàn)圖3b)，總體測(cè)試區(qū)域，在選擇A槳葉前向選取測(cè)量區(qū)域分布，7個(gè)點(diǎn)分布如圖4。

圖3　螺旋槳外形概括及典型測(cè)試區(qū)域

圖4　A槳葉前向選取測(cè)量區(qū)域分布

高壓射流沖洗后，測(cè)量區(qū)域的選取原則與沖洗前相同；在螺旋槳B槳葉選取近似的7個(gè)銹蝕區(qū)域測(cè)量。沖洗前后全采集數(shù)據(jù)如表4。

表4　B槳沖洗前后針描測(cè)試結(jié)果

可以看出，沖洗前后槳表面狀況差異不大，均在Ra6 μm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

高壓射流沖洗前，在B槳葉選取7個(gè)銹蝕比較嚴(yán)重區(qū)域，特別是3種典型區(qū)域(無(wú)銹蝕、輕度銹蝕、重度銹蝕)測(cè)量粗糙度，各區(qū)域測(cè)量結(jié)果分別為：Ra1.29 μm、Ra3.02 μm、Ra5.13 μm，均在Ra6 μm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4樣本處理

盡管螺旋槳的表面粗糙度符合設(shè)計(jì)要求，但是，螺旋槳表面顏色差異很大，變色區(qū)域也很大，主要是黑紅色，屬于主要的銅元素被氧化。從船廠的角度講，不需要深入進(jìn)行分析機(jī)理，但是需要對(duì)表面進(jìn)行處理，主要是進(jìn)行打磨，去除螺旋槳表面變色部分，使槳面復(fù)現(xiàn)光滑銅黃色。

打磨后，分別對(duì)各槳葉的0.3R處，前后表面進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果均在Ra1 μm以下，見(jiàn)表5。

表5　螺旋槳打磨處理后測(cè)試

由表5可見(jiàn)，打磨不僅去除了氧化表面，還將表面精度進(jìn)一步提高。

3　試航前表面處理控制流程及建議

根據(jù)上述機(jī)理概述和樣本船螺旋槳表面形貌現(xiàn)象跟蹤和分析，船廠需要對(duì)長(zhǎng)期浸沒(méi)海水中螺旋槳的狀態(tài)加強(qiáng)技術(shù)控制。在應(yīng)用技術(shù)層面，需要以技術(shù)為主導(dǎo)，開(kāi)展新船型舾裝周期長(zhǎng)的螺旋槳表面處理技術(shù)跟蹤，以保證船舶在試航前航速和油耗等綜合性能。綜合跟蹤測(cè)試和分析結(jié)果，制定螺旋槳表面粗糙度控制流程見(jiàn)圖5。

圖5　螺旋槳表面粗糙度控制流程

4　建議

1)新船型水下舾裝周期較長(zhǎng)，夏季是海生物旺盛時(shí)期，特別8、9月份是附著盛季。盡量將水下舾裝安排在非夏季或與夏季交集較少的時(shí)期。

2)如建造周期實(shí)在不能避開(kāi)，要做好水下檢查的準(zhǔn)備，以觀測(cè)螺旋槳表面狀況，并采用相應(yīng)措施。

3)采用針描法測(cè)量值非常準(zhǔn)確，但是工作量相對(duì)較大。比較樣塊法也十分直觀可信，船廠僅用比較樣塊法比對(duì)判斷表面粗糙度即可。

4)對(duì)螺旋槳表面顏色差異較突出的部分，要進(jìn)行打磨呈現(xiàn)全銅本色狀態(tài)，以更好地保證螺旋槳試航性能和交船質(zhì)量。

[1] 李傳燕，黃宗國(guó)，張良興，等.旅順港附著生物生態(tài)的研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1982,2(1)：59-65.

[2] 尚同來(lái)，王玲，尚永春.船底附著海生物及防除[J].海洋技術(shù),2002,21(2)：49-50.

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[4] 金承澤，張松，陳松培.船舶螺旋槳防腐防污涂裝工藝的探討[J].造船技術(shù),2013,12(4)：39-43.

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[6] 郭澤亮，湯文新,張化龍，等.合金元素對(duì)鎳鋁青銅性能的影響[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2003,18(2)：39-42.

[7] 宋德軍，胡光遠(yuǎn)，盧海，等.鎳鋁青銅合金的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)，2007,21(11)：450-459.

On the Control of Propeller Surface Roughness and Its Control Process

YI Zheng-yao1,2, LIN Yan2, JI Yong-sheng3

(1. Dalian COSCO KHI Ship Engineering Co. Ltd., Dalian Liaoning 116052, China;2. Ship and Ocean Design Engineering Center, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning, 116024,China;3. Nantong COSCO KHI Ship Engineering Co. Ltd., Nantong Jiangsu 226005, China)

The mechanism of marine growth and corrosion of propeller in sea water is analyzed. Taking a marine propeller as a sample, the process of propeller installation, surface protection coating and surface roughness re-processing is follow-up investigated and tested. A propeller surface roughness control management process and relative suggestions are proposed.

propeller; surface roughness; test samples; control management process

2016-01-15

2016-02-22

衣正堯(1983—),男,博士，高級(jí)工程師

U664.33

A

1671-7953(2016)04-0036-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.009

研究方向:船舶設(shè)計(jì)與制造，船舶機(jī)器人

E-mail:yizhengyao@163.com