螺旋槳表面粗糙度的控制及控制流程

衣正堯，林　焰，季永生

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

考慮螺旋槳長期在海水中靜態附著腐蝕機理，以某船螺旋槳為樣本，對螺旋槳裝機、涂防護膜、防護效果采樣及表面再處理等現象進行跟蹤調查和試驗分析，提出一種船廠控制螺旋槳粗糙度的管理流程以及相關建議。

螺旋槳；表面粗糙度；樣本測試；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，特別是首制船。螺旋槳長時間在海水下浸泡，有附著海生物的傾向，需要跟蹤螺旋槳表面在海水中關鍵階段的生物附著或腐蝕狀態，以更好地保護螺旋槳表面。恰當的保護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的養護。

1　螺旋槳靜態海水附著腐蝕機理

1.1船廠海水區域特點

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]。

旅順港區域附著生物的附著季節體現了暖溫帶附著生物附著季節的特點。于1979年9月至1980年8月在旅順港進行掛板試驗，主要海生物種類的附著季節是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

螺旋槳長期停放在海水中時, 會受到藤壺、牡蠣、貝殼等海生物侵蝕，嚴重會降低船速，影響油耗，甚至破壞螺旋槳本體。在海水中浸置時間越長，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分泌出一種酸性粘結性物質，與艦體鋼板接觸后開始附著[2]。海水水溫、水質、光線，螺旋槳本體材質、表面粗糙度情況都對海生物在螺旋槳表面的生長有重要影響。銅合金比鋼質、鈦合金抗海生物力強，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、脫錳等點蝕[3]。

1.3樣本船螺旋槳鎳鋁青銅概述

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

世界各國螺旋槳使用鎳鋁青銅的材料情況見表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試與分析

2.1樣本船螺旋槳基本參數

5葉槳；直徑9 700.0 mm；螺距6 734.8 mm；螺距比0.694 3；質量53 300 kg；材料為KALBC3，鎳鋁青銅。鉆取少量干凈的金屬粉末進行符合性檢驗，化學成分見表2。

表2　化學成分分析表

2.2樣本采樣跟蹤

以某大型30萬t級礦砂船為樣本,水下岸壁舾裝周期1月到7月，長達近6個月。螺旋槳塢內初裝及表面狀態見圖1a)。為防止螺旋槳表面滋長海生物，于螺旋槳下水前，在塢內對螺旋槳表面涂丁苯橡膠防海生物保護膜，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)。在水下系泊試驗期間，由于螺旋槳曾經低速旋轉，部分生物漆出現脫落，二次進塢后，采集如圖1c)。將螺旋槳表面全部保護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，遠處垂直槳葉面觀察，視覺判斷效果非常差，視覺感到有較大的凹凸不平，可能有粗糙度控制的風險。但是，近距離貼近槳葉表面平行近觀，發現表面并不十分粗糙如圖1e)。在槳葉面找顏色差別相對最為明顯的樣本區域，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，雖然槳葉變色嚴重，但是粗糙度手觸光滑如圖1f)。全螺旋槳未見有明顯的海生物附著。

圖1　樣本螺旋槳表面狀態跟蹤

2.3樣本表面粗糙度測試

根據ISO標準，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到ISO 484/1 CLASS I精度等級，即從距槳轂中心0.3R處至槳葉端部區域粗糙度達到Ra6 μm以下。

利用高壓水槍沖洗、擦拭等方式對螺旋槳表面進行預處理，分別采用樣塊比較法和針描法測量粗糙度。

1)樣塊比較法。高壓射流沖洗前，對螺旋槳形貌差異突出的區域進行粗糙度比較，如圖2。經過樣塊比較，與樣塊B級粗糙度水平相差不大，相當于粗糙度Ra1.92 μm左右，遠低于螺旋槳表面粗糙度ISO 484/1 CLASS I

圖2　樣塊比較法測試

2)測量儀針描法。高壓射流沖洗前，在A槳葉前后表面各選取7個銹蝕比較嚴重區域，進行粗糙度測量，各區域粗糙度測量結果分別見表3。可見槳葉前后面粗糙度狀態差距不大，均在粗糙度要求ISO 484/1 CLASS IRa6 μm以內。主要原因是螺旋槳長期在海水中處于靜態。

表3　在A槳前后面沖洗前針描測試

氧化較嚴重的部分典型測試區域見圖3b)，總體測試區域，在選擇A槳葉前向選取測量區域分布，7個點分布如圖4。

圖3　螺旋槳外形概括及典型測試區域

圖4　A槳葉前向選取測量區域分布

高壓射流沖洗后，測量區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個銹蝕區域測量。沖洗前后全采集數據如表4。

表4　B槳沖洗前后針描測試結果

可以看出，沖洗前后槳表面狀況差異不大，均在Ra6 μm以內，滿足設計要求。

高壓射流沖洗前，在B槳葉選取7個銹蝕比較嚴重區域，特別是3種典型區域(無銹蝕、輕度銹蝕、重度銹蝕)測量粗糙度，各區域測量結果分別為：Ra1.29 μm、Ra3.02 μm、Ra5.13 μm，均在Ra6 μm以內，滿足設計要求。

2.4樣本處理

盡管螺旋槳的表面粗糙度符合設計要求，但是，螺旋槳表面顏色差異很大，變色區域也很大，主要是黑紅色，屬于主要的銅元素被氧化。從船廠的角度講，不需要深入進行分析機理，但是需要對表面進行處理，主要是進行打磨，去除螺旋槳表面變色部分，使槳面復現光滑銅黃色。

打磨后，分別對各槳葉的0.3R處，前后表面進行測量，結果均在Ra1 μm以下，見表5。

表5　螺旋槳打磨處理后測試

由表5可見，打磨不僅去除了氧化表面，還將表面精度進一步提高。

3　試航前表面處理控制流程及建議

根據上述機理概述和樣本船螺旋槳表面形貌現象跟蹤和分析，船廠需要對長期浸沒海水中螺旋槳的狀態加強技術控制。在應用技術層面，需要以技術為主導，開展新船型舾裝周期長的螺旋槳表面處理技術跟蹤，以保證船舶在試航前航速和油耗等綜合性能。綜合跟蹤測試和分析結果，制定螺旋槳表面粗糙度控制流程見圖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，夏季是海生物旺盛時期，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期。

2)如建造周期實在不能避開，要做好水下檢查的準備，以觀測螺旋槳表面狀況，并采用相應措施。

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

4)對螺旋槳表面顏色差異較突出的部分，要進行打磨呈現全銅本色狀態，以更好地保證螺旋槳試航性能和交船質量。

[1] 李傳燕，黃宗國，張良興，等.旅順港附著生物生態的研究[J].生態學報,1982,2(1)：59-65.

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

[3] 湯文新.艦船螺旋槳用材料及特種試驗技術的研究[J].艦船科學技術,1998(3)：56-65.

[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,2013,12(4)：39-43.

[5] 羅芹，吳忠，秦真波，等.鎳鋁青銅的表面處理技術及研究進展[J].材料導報,2015,29(1)：15-21.

[6] 郭澤亮，湯文新,張化龍，等.合金元素對鎳鋁青銅性能的影響[J].材料開發與應用，2003,18(2)：39-42.

[7] 宋德軍，胡光遠，盧海，等.鎳鋁青銅合金的應用與研究現狀[J].材料導報，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:船舶設計與制造，船舶機器人

E-mail:yizhengyao@163.com