船用螺旋桨防护技术及其材料研究

船用螺旋桨防护技术及其材料研究

发表时间：2018-12-05T14:11:18.160Z 来源：《科技新时代》2018年10期作者：梅斌贤、郁玉峰、徐高峰、宋佩学、王湘来

[导读] 文章对船用螺旋桨出现腐蚀和污损的原理进行介绍，并在此基础上对相应的防护技术进行研究，最后对目前比较先进的几种不锈钢以及复合材料等新型船用螺旋桨材料进行介绍，以供参考。

镇江同舟螺旋桨有限公司江苏省镇江市 212000

摘要：文章对船用螺旋桨出现腐蚀和污损的原理进行介绍，并在此基础上对相应的防护技术进行研究，最后对目前比较先进的几种不锈钢以及复合材料等新型船用螺旋桨材料进行介绍，以供参考。

关键词：船用螺旋桨；防护技术；材料

1引言

船用螺旋桨由于具有较高的效率和较好的水动力性能，在19世纪一经发明和推广应用则被广泛应用于大型船舶的船用推进器中。但是由于船舶通常在海洋中进行服役，海水中还有成分较为复杂的强电解质，不仅会对螺旋桨造成化学腐蚀而导致螺旋桨污损，而且螺旋桨高速旋转中受到上述侵害之后会降低其航速以及增加燃油消耗。这主要是由于螺旋桨受到腐蚀之后会造成浆叶表面粗糙和形状改变，导致其受力不均匀以及寿命的大大降低。因此，船用螺旋桨的防护技术研究也一直是螺旋桨制造和应用相关专家学者重点研究的话题之一。 2船用螺旋桨防护技术

2.1螺旋桨的腐蚀和污损

在对船用螺旋桨的防护技术进行研究之前，需要对螺旋桨的腐蚀和污损原理进行分析和掌握。螺旋桨在水中进行高速旋转时会加快周围水体的流速，这就会增加水体各部分压力变的不均匀性，而且在此过程中会产生气泡并快速破灭，在此过程中会对螺旋桨的金属表面产生破坏，导致出现空泡腐蚀。空泡腐蚀主要分为云状空泡、泡状空泡以及片状空泡三种，其中螺旋桨桨叶表面受到的空泡腐蚀为云状空泡腐蚀，就是在云状空泡在磨灭时会对桨叶产生冲击压力或喷射作用而导致出现的腐蚀问题。而引起空泡腐蚀的主要原因则是由于桨叶表面耐腐蚀性氧化膜形成不充分而引起的。在空泡的作用下会导致氧化膜局部脱落，剩余的氧化膜就会与新的基体之间产生电位差并促进腐蚀问题。此外，电化学腐蚀和环境腐蚀也是螺旋桨运行中的常见腐蚀形式，一是由于螺旋桨的金属材料与船体金属材料种类不同而导致化学活泼性不同，会加速电化学腐蚀的发生。二是水中存在的工业污染物等化学腐蚀性物质会对浆液表面的氧化膜产生破坏而导致浆叶腐蚀。此外，除了螺旋桨的腐蚀问题，另一个问题就是生物污损的问题。高速旋转的螺旋桨中主要的生物污损为具有较高附着力的藤壶、苔藓虫等生物，生物污损不仅会对螺旋桨表面流体线型进行破坏，增加桨叶旋转时的摩擦力，并降低螺旋桨的推进效率，此外还会加速桨叶的腐蚀速率，增加除污次数，降低船舶的出航率。

2.2阴极保护

比较常用的阴极保护技术有牺牲阳极阴极保护以及外加电流阴极保护两种。前者就是选用AI、Mg或Zn等金属或合金来作为阳极金属材料，利用与螺旋桨金属材料之间的电位差来起到防护作用。此方法对于防止锰铜合金螺旋桨的应力腐蚀开裂有着显著的作用，而且施工方便且成本较低。而后者则是通过辅助电极、参比电极、直流电源以及相关的连接电缆等组成的装置来向螺旋桨金属表面通入足够的直流电流，这样就可以使得螺旋桨的阴极极化而减小或防止金属腐蚀问题的发生。此方法的成本较高并可能会引发杂散电流而影响船舶相邻仪器等，但是技术相对较为成熟。

2.3生物污损的防护技术

针对生物污损问题，主要采用的防护方法有物理法、化学法和生物法等。其中物理法比较简单就是通过人工清除、加热以及超声波或者过滤等方法来对生物污损进行清除。而化学法则主要分为直接加入法、电解防污法以及化学防污涂层法等。而生物法则就是对生物活性物进行充分利用来起到对生物污损进行防止的作用。其中在螺旋桨防护技术中比较常用的就是化学防污涂层法和电解防污法。目前比较常用的防污涂层主要是非金属涂层，其主要作用就是对电化学腐蚀问题进行预防，降低螺旋桨表面与海水的摩擦力，避免产生空泡腐蚀。而且会对具有较高粘弹性的高分子材料进行利用来起到减振降噪的作用。但是由于非金属涂层的附着力不强，容易产生空泡而导致涂层的脱落，因此目前防污涂层研究的重点就是低表面能防污涂层以及使用中不会有杀生剂的释放。目前比较常用的低表面能防污涂层主要有氟化物低表面能防污涂料以及有机硅体系低表面能防污涂层。前者对含氟聚合物的低表面张力进行利用来避免污损生物附着，而且在船舶航行或停泊时利用自重或水的剪切力就可以将附着的生物轻松去除。此外，此涂层具有良好的光泽度和保光性，在一定程度上也提高船舶的节能效果。此外，电解防污就是通过对海水进行电解来产生能够杀死海生物的NaClO物质，然后将电解产生的NaClO溶液在螺旋桨表面进行喷覆。在对海水进行电解的装置中最主要的就是电解槽，而且电解槽的阳极材料需要具有较高的析氧电位以及析氯电位，并且需要具有较高的强度和耐海水腐蚀性能。通常选择在Ti基板上进行Pt、Ir、Ru等氧化物复核材料的涂覆，不仅具有较长的使用寿命，而且可以重复多次使用。此方法不仅具有较好的对附着生物进行杀灭的效果，而且装置安装和操作简单那，不需要对阳极材料进行频繁更换。

3船用螺旋桨材料研究

3.1不锈钢材料

传统的比较常用的船用螺旋桨的材料为铜合金基体材料，但是在目前海水中有机质的大量排放同时，会对铜合金具有强烈的腐蚀作用，因此各国都加大了对新型船用螺旋桨材料的研究，且目前应用效果良好的主要有不锈钢材料以及复合材料等。其中对于不锈钢材料来说，主要有某研究学者开发的高强超韧马氏体不锈钢，其重量轻且具有较高的耐海水腐蚀疲劳强度，比较适合冰区航行船只螺旋桨中应用，但是在含有中性盐类的海水中会存在出现点蚀以及缝隙腐蚀的可能。此外还有可以在被污染的海水环境中使用的日本三菱中共研发的MCF不锈钢材料，其具有较强的冲击韧性、耐海水腐蚀疲劳强度和耐侵蚀性能等，且熔点较低，便于进行容量和铸造，目前比较适合在小型船只中使用。而MSS不锈钢则是在大型传播螺旋桨中比较适用的高强度不锈钢，不仅重量轻而且效率较高，对噪声有一定的控制作用。MCRS不锈钢具有较高的强度和耐海水腐蚀疲劳强度，可以减小桨叶的厚度提高其效率以及冲击韧性，比较适合在破冰舰船、破冰液化天然气船舶中使用。SAF2507不锈钢则具有良好的耐蚀性、段造型和可焊性，在氯化物中具有优良的耐点蚀、缝隙腐蚀以及应力腐蚀开裂的性能。

3.2复合材料

目前新型的螺旋桨复合材料思路就是通过纤维来对复合材料进行增强，这主要是由于复合材料具有较高的比强度和比刚度，可以减轻