船用螺旋槳防腐防污納米陶瓷涂層技術(shù)快速解決方案

趙 健

（海裝駐上海地區(qū)第五軍代室，上海 200120）

0 引 言

螺旋槳是船舶的主要推進(jìn)器，在使用周期內(nèi)需長期沉浸于海水中，不僅會(huì)受到海水的腐蝕和沖刷，而且會(huì)因海洋生物附著而污損，導(dǎo)致船舶的航速下降和燃油消耗增加。需定期進(jìn)塢對(duì)螺旋槳進(jìn)行維修，這不僅會(huì)增加維護(hù)、維修的費(fèi)用，而且會(huì)威脅到船舶的安全航行。發(fā)達(dá)國家早已將新型材料技術(shù)應(yīng)用于海工裝備的各個(gè)領(lǐng)域，將其作為快速提升裝備性能的主要手段，在很多關(guān)鍵領(lǐng)域都形成了技術(shù)壟斷。如何采用新材料新技術(shù)快速提升船舶的維修效率和性能，是我國海工領(lǐng)域當(dāng)前迫切需要解決的問題。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 螺旋槳的通用修理方式

目前大部分船舶采用的螺旋槳都是銅合金材料鑄成的，在使用過程中會(huì)受各種因素的影響產(chǎn)生很多缺陷。螺旋槳的缺陷主要出現(xiàn)在槳葉上，常見的有腐蝕、裂紋、斷裂和變形等，有些缺陷會(huì)引起船舶在航行過程中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。目前通用的螺旋槳修理方式是在船舶定期進(jìn)塢檢修期間對(duì)螺旋槳的外表進(jìn)行檢查，檢查槳葉有無裂縫、鋸齒等缺陷，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷，應(yīng)及時(shí)修復(fù)。螺旋槳修理項(xiàng)目大致可分為打磨去除附著的海洋生物、表面磨光、裂紋焊補(bǔ)、缺口及斷塊接補(bǔ)、嚴(yán)重蝕損區(qū)域堆焊、彎曲及變形校正、槳葉邊緣割補(bǔ)和堆焊修復(fù)后的螺旋槳應(yīng)力處理等，其中對(duì)螺旋槳進(jìn)行焊補(bǔ)修理是最關(guān)鍵的項(xiàng)目。對(duì)于螺旋槳使用時(shí)間較長，或經(jīng)過多次焊補(bǔ)修理之后材料的性能已發(fā)生變化（易脆化并形成裂紋），再進(jìn)行修補(bǔ)很難保證質(zhì)量的情況，需更換螺旋槳。常見的螺旋槳失效原因見圖1。

圖1 螺旋槳失效原因

1.2 現(xiàn)階段常用的螺旋槳防腐防污技術(shù)手段

涂刷涂料是控制船舶和海洋結(jié)構(gòu)腐蝕的首要手段。海洋涂料分為海洋防腐涂料和海洋防污涂料2類。涂料施工主要包括底漆、中間漆和面漆等3個(gè)工序。

1.2.1 防腐涂料（涂層）

海洋防腐領(lǐng)域應(yīng)用的重防腐涂料主要有環(huán)氧樹脂、聚氨酯、富鋅底漆、丙烯酸、氯化橡膠、硫氧化合物和聚硅氧烷等，其中環(huán)氧類防腐涂料所占市場份額最大，具體見表1。

表1 我國重防腐涂料的種類及不同防腐涂料所占市場份額

1.2.2 防污涂料

在海水全浸環(huán)境中，船舶、鋼樁、平臺(tái)和管線等移動(dòng)或固定工程設(shè)施都不可避免地會(huì)遭受海洋生物附著的影響，造成表面污損。船體附著的藤壺等海洋生物能使船舶的航行阻力增加15%，燃油費(fèi)上升40%～50%。防污涂料的主要作用是阻止海洋生物對(duì)海洋構(gòu)筑物的附著、污損，保持船底或海洋結(jié)構(gòu)外表面的光滑、清潔。傳統(tǒng)的防污涂料有很多種，其中：無機(jī)類包括氧化亞銅（也有其他的銅化合物，如硫氰酸亞銅等）、氧化汞（雖有效，但污染環(huán)境，早已禁用）和氯化鋅（輔助防污劑）等；有機(jī)類包括有機(jī)錫化合物（三丁基錫化合物TBT或三苯基錫化合物TPT，已被禁用）和有機(jī)氧化合物（DDT，雖然對(duì)防止藤壺附著有特效，但太穩(wěn)定，不易降解，污染環(huán)境，已被禁用）。防污涂料發(fā)展流程見圖2。

圖2 防污涂料的發(fā)展歷程

我國對(duì)海洋生物污損的防護(hù)研發(fā)起步相對(duì)較晚，過去一直普遍使用含TBT和DDT的防污涂料，嚴(yán)重污染了海洋環(huán)境，基礎(chǔ)材料和關(guān)鍵技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。隨著世界海洋工業(yè)的迅速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)法對(duì)船舶工業(yè)的影響越來越深遠(yuǎn)，高污染的涂料將會(huì)逐步被禁止使用，我國按照國際公約的要求，于2008年開始全面禁止生產(chǎn)和使用含三丁基錫TBT的防污涂料，2009年開始全部停止運(yùn)行溶劑法氯化橡膠生產(chǎn)線，2010年開始全面禁止使用含DDT的船底防污涂料，并逐步被限制含鉻防銹涂料的使用，同時(shí)把含氧化亞銅的防污涂料列入“高污染、高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”名單，規(guī)定采用氧化亞銅作防污劑是過渡性措施。到2025年，北美的小型船舶將禁止使用防污涂料。因此，發(fā)展環(huán)境友好型新材料替代當(dāng)前的防污技術(shù)顯得十分緊迫。

在這種情況下，防腐防污納米陶瓷涂層技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。制備防腐防污納米陶瓷涂層選用的納米材料的表面具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和物理-化學(xué)性疏水性能，可有效阻隔基體與外界物質(zhì)的相互作用，降低初期無機(jī)物的沉積率和結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，納米材料中的添加物對(duì)生物釋放的有機(jī)體有殺傷和抑制生長的作用，對(duì)附著的海洋生物有主動(dòng)防御的作用。用納米材料制備而成的陶瓷涂層具有表面能低和表面張力小等特征，可有效降低基體表面的黏附概率和結(jié)合力。相較于采用有機(jī)油漆等涂料，采用納米陶瓷涂層技術(shù)可有效延長船體各部件的使用壽命和連續(xù)使用周期，降低維護(hù)和維修的費(fèi)用、時(shí)間及人力成本消耗；同時(shí)，有助于實(shí)現(xiàn)艦船輕量化目標(biāo)，真正做到無毒無污染，有效解決現(xiàn)有問題，符合未來船舶的發(fā)展方向。

2 解決方案

2.1 設(shè)計(jì)方案

1) 針對(duì)螺旋槳的工作環(huán)境、基體材質(zhì)、腐蝕介質(zhì)和腐蝕形式等因素，采用固態(tài)金屬陶瓷粉末材料制備納米陶瓷涂層，產(chǎn)品系列編號(hào)為INF-8307，制備的納米陶瓷涂層的突出特點(diǎn)有：生產(chǎn)工藝先進(jìn)，不易老化，使用安全，耐腐蝕性能優(yōu)越，內(nèi)減阻及耐磨性、流動(dòng)性好，耐候性強(qiáng)，無毒、無害、無污染，施工規(guī)范，用途廣泛等。

2) 施工過程中不會(huì)產(chǎn)生任何有機(jī)材料和揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)。材料具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，不分解，不變質(zhì)，不含毒性重金屬，對(duì)海洋環(huán)境無污染。

3) 采用金屬陶瓷復(fù)合材料在螺旋槳表面制備一種防腐防污納米陶瓷涂層，納米涂層表面具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和物理-化學(xué)性疏水性能，可有效阻隔基體與外界物質(zhì)的相互作用，特別是具有優(yōu)異的抗空泡腐蝕性能。

4) 制備的納米陶瓷涂層具有表面能低和表面張力小等特征，可有效降低基體表面的黏附概率和結(jié)合力；具有附著物增厚后的自清潔脫落功能，達(dá)到抵抗大量生物附著的作用。

5) 采用全自動(dòng)熱噴涂數(shù)控設(shè)備制備螺旋槳涂層，效率較高，涂層厚度均勻，一次成型，無需加熱烘烤干燥。

6) 在制備納米陶瓷涂層過程中，對(duì)基體的熱輸入不超過100℃，不會(huì)導(dǎo)致工件變形，不影響螺旋槳的靜平衡和安裝使用。

7) 涂層指標(biāo)：涂層表面均勻致密，無起皮、鼓包和裂紋等影響涂層使用的缺陷。涂層厚度為150～200μm；涂層結(jié)合強(qiáng)度為70～80MPa；涂層孔隙率小于等于1%；抗空泡剝蝕指標(biāo)為0.463J≈4.0176n0.9R條件下無空泡，無空泡剝蝕。

2.2 施工方案

1) 在安裝新螺旋槳之前，可直接在槳葉上采用金屬陶瓷復(fù)合材料制備涂層。

2) 進(jìn)塢檢修或排修的船舶螺旋槳施工工序：

(1) 對(duì)槳葉進(jìn)行打磨去除海洋生物、表面拋光和著色探傷等處理；

(2) 檢查槳葉是否有裂紋、缺口、斷塊、蝕損、彎曲和變形等缺陷，若有，按相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行修復(fù)；

(3) 為修補(bǔ)后的螺旋槳制備表面涂層。

3) 工藝流程：部件工裝→表面清潔和噴砂粗化處理→程序和工藝參數(shù)設(shè)定→納米涂層底層制備→納米陶瓷面層制備→涂層表面后處理→涂層質(zhì)量檢測及檢驗(yàn)。

4) 施工工期：10～15個(gè)工作日。

3 實(shí)際應(yīng)用和效果

某船的螺旋槳連續(xù)使用3a防腐防污納米陶瓷涂層之后，在船塢對(duì)其進(jìn)行勘驗(yàn)，勘驗(yàn)結(jié)果如下：

1) 在螺旋槳槽道內(nèi)周邊紅色防污漆上附著較多海蠣子的情況下，施加防腐防污納米陶瓷涂層的螺旋槳葉片表面涂層完好無損，未發(fā)現(xiàn)涂層起皮、開裂和剝落的現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)被海水腐蝕的斑點(diǎn)，沒有海洋生物附著，沒有空泡腐蝕現(xiàn)象；

2) 經(jīng)測量，涂層厚度為200μm（原始涂層厚度為200μm），涂層質(zhì)量穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

1) 采用新材料技術(shù)在螺旋槳表面制備納米陶瓷防腐防污涂層可快速解決螺旋槳遇到的空泡腐蝕、海水腐蝕和海洋生物附著等難題。

2) 采用納米金屬陶瓷粉末材料制備納米陶瓷涂層，具有生產(chǎn)工藝先進(jìn)，不易老化，使用安全，耐腐蝕性能優(yōu)越，內(nèi)減阻及耐磨性、流動(dòng)性好，耐候性強(qiáng)，無毒、無害、無污染，施工規(guī)范，用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

3) 采用該新材料技術(shù)施工高效便捷，可在短時(shí)間內(nèi)快速完成施工任務(wù)。施工過程中不含任何有機(jī)材料和揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)。材料具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，不分解，不變質(zhì)，不含毒性重金屬，對(duì)海洋環(huán)境無污染。

4) 船舶螺旋槳防腐防污納米陶瓷涂層經(jīng)過3a的實(shí)際應(yīng)用，其防腐防污效果得到了充分驗(yàn)證。目前，防腐防污納米陶瓷涂層技術(shù)已成功應(yīng)用于其他船體關(guān)鍵部件上，除了螺旋槳以外，還包括舵葉、減搖鰭及其他安裝件等，不僅性能指標(biāo)優(yōu)于有機(jī)油漆涂料，其防腐防污效果也得到了充分認(rèn)證。