中国腐蚀与防护学报(中文版)  2017 , 37 (6): 495-503 https://doi.org/10.11902/1005.4537.2016.179

综合评述

船用螺旋桨防护技术及其材料研究进展

李科12, 翟晓凡1, 管方12, 钱洲亥3, 张美霞12, 段继周1, 侯保荣1

1 中国科学院海洋研究所 中国科学院海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室 青岛 266071
2 中国科学院大学 北京 100049
3 国网浙江省电力公司电力科学研究院 杭州 310006

Progress on Materials and Protection Technologies for Marine Propeller

LI Ke12, ZHAI Xiaofan1, GUAN Fang12, QIAN Zhouhai3, ZHANG Meixia12, DUAN Jizhou1, HOU Baorong1

1 Key Laboratory of Marine Environmental Corrosion and Biofouling, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 State Grid Zhejiang Electric Power Company Electric Power Research Institute, Hangzhou 310006, China

中图分类号:  U664.33

文章编号:  1005-4537(2017)06-0495-09

通讯作者:  通讯作者 段继周,E-mail:duanjz@qdio.ac.cn,研究方向为海洋微生物腐蚀与生物污损机制及防护

收稿日期: 2016-09-20

网络出版日期:  2017-12-20

版权声明:  2017 《中国腐蚀与防护学报》编辑部 《中国腐蚀与防护学报》编辑部

基金资助:  国家重点基础研究发展计划 (2014CB643304),海洋公益性行业科研专项经费 (201405013-4) 和国家电网公司科技项目 (5211DS150016)

作者简介:

作者简介 李科,男,1992年生,硕士生

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摘要

介绍了船用螺旋桨在海洋环境中的腐蚀与污损问题及其防护方法发展现状,着重介绍了螺旋桨外加防护技术与螺旋桨新型耐蚀材料。螺旋桨的外加防护技术主要有阴极保护、涂装防护涂层、电解防污等方法,适用于在役螺旋桨设备。新型螺旋桨材料不断发展,除了常规铜合金系列材料,还发展了耐蚀性能良好的不锈钢材料以及复合材料等。本文对螺旋桨几种重要的防护方法及新型螺旋桨材料进行了综述介绍,并指出了螺旋桨防护技术及其耐蚀材料研究和应用的发展趋势。

关键词: 船用螺旋桨 ; 防护技术 ; 耐蚀材料 ; 不锈钢 ; 复合材料

Abstract

This paper focuses on the nowadays research status of corrosion and biofouling phenomena occurred on marine propeller as well as the relevant protection methods, namely external protection technologies for the propellers in service and new corrosion-resistant materials for the propeller fabrication. The protection technologies of marine propeller include mainly cathodic protection technologies, anticorrosion coatings, and electrolytic antifouling technologies, which are suitable for the in-service propellers. Except for common copper alloys, new materials applied to making propeller developed rapidly, such as stainless steels and composite materials which have attached much attention. Several protection methods and new materials for marine propellers are introduced in the paper. Finally, the trend of research and development of materials and protection technologies for marine propeller in the future was also pointed out.

Keywords: marine propeller ; protective technology ; corrosion-resistant material ; stainless steel ; composite material

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李科, 翟晓凡, 管方, 钱洲亥, 张美霞, 段继周, 侯保荣. 船用螺旋桨防护技术及其材料研究进展[J]. 中国腐蚀与防护学报(中文版), 2017, 37(6): 495-503 https://doi.org/10.11902/1005.4537.2016.179

LI Ke, ZHAI Xiaofan, GUAN Fang, QIAN Zhouhai, ZHANG Meixia, DUAN Jizhou, HOU Baorong. Progress on Materials and Protection Technologies for Marine Propeller[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2017, 37(6): 495-503 https://doi.org/10.11902/1005.4537.2016.179

船用螺旋桨是由两个或多个叶片与毂相连,其叶面为螺旋面或近似螺旋面的船用推进器。螺旋桨自19世纪出现至今已有两百多年的历史,船用螺旋桨因其具有良好的水动力性能,较高的效率等优点,一直以来成为船舶推进器的首选,其性能直接影响整个船舶的性能和推进效率[1]

海洋是船舶最为常见的服役环境。然而,海水是一种成分复杂的强电解质,不仅具有很强的化学腐蚀性,还适宜多种海洋生物的生长,由此带来严重的污损问题[2,3]。作为船舶的动力来源,舰船在航行过程中,螺旋桨长期高速旋转,会同时受到海水的腐蚀以及海生物污损的侵害,从而引起航速下降,燃油消耗增加,造成巨大的经济损失[4]。螺旋桨的表面条件状况可能不如船体的重要,但单位面积上的能源损失对整个船舶是至关重要的[5]。据英国船舶研究协会报道,螺旋桨表面积虽然较小,但是由螺旋桨的腐蚀和污损造成的能量损失几乎占到了总损失的三分之一[6]。螺旋桨的腐蚀会造成桨叶表面粗糙,形状改变,受力不均匀,进而导致螺旋桨的寿命大大降低甚至损毁。通过实地考察和检测可以看出螺旋桨的污损和腐蚀情况是非常严重的,作为船舶动力系统的核心部件,螺旋桨的防护对船舶有着重要意义。因此,针对于螺旋桨这一关键部位的防护已引起研究者们的关注。

国内外对于船用螺旋桨防护的研究已经具备了一定基础,目前研究较多的主要是螺旋桨外加防护技术和新型螺旋桨铸造材料。其中,外加防护技术主要包括阴极保护、非金属涂层和金属镀层[7]等,研究[6]表明,涂装防污涂层船只的燃油消耗要比没有防污措施的船只少约40%。此外,针对于螺旋桨铸造材料主要分为金属、非金属及复合材料。其中,金属材料包括铜合金材料 (高强度黄铜、铝青铜)、铸钢、铸铁、铝合金及钛合金[8,9];非金属材料包括玻璃钢、尼龙、高分子聚合物等[10];复合材料主要包括碳纤维复合材料、混合玻璃、碳复合材料等[11-13]

随着船用螺旋桨研究的深入,其材料及防护技术的发展取得了显著进步。而船用螺旋桨按其用途不同,形状及材质有所不同,其性能要求也不同。本文就船用螺旋桨材料的国内外发展及其防腐技术研究进展等进行总结与介绍。

1 船用螺旋桨腐蚀与污损

由于船舶螺旋桨长时间处于高速旋转的环境,螺旋桨的使用寿命是研制过程中必须要考虑的重要因素[14]。影响螺旋桨使用寿命的因素主要有腐蚀和海生物污损两方面。

1.1 螺旋桨腐蚀

螺旋桨是整个船舶的动力系统,安装在船的尾部,工作环境非常恶劣[15]。螺旋桨在海水环境中服役时,由于物理、化学等因素会发生非常严重的腐蚀,通常可分为空泡腐蚀和电化学腐蚀等,其中空泡腐蚀是船舶螺旋桨最为严重、也是最为特殊的腐蚀形式之一。

螺旋桨在高速旋转时会使其周围的水体流速加快,高速流动的水体和高速旋转的螺旋桨桨叶做相对运动,导致水体各部分压力变的不均匀,引起气泡迅速产生并迅速破灭,且该过程持续发生,气泡破灭时会破坏金属表面,导致螺旋桨发生腐蚀,称为空泡腐蚀[16]。空泡是一种常见的流体力学现象,常发生于会导致水体压力和流速发生波动的机器中[17-19]。根据空泡的形态特征可分为云状空泡、泡状空泡和片状空泡3种[20]。桨叶表面的空蚀主要是由于云状空泡在破灭时产生的冲击压力或喷射作用导致,因此云状空泡是造成腐蚀的主要原因。

空泡腐蚀的发生过程如图1[21,22]所示,金属表面先形成空泡,然后空泡发生溃灭破坏金属表面,使金属暴露在腐蚀环境中,金属受到腐蚀后重新形成表面膜,但在该处易形成空泡,金属的保护膜再一次受到破坏,该过程重复发生导致金属被腐蚀破坏。

一般来说,空泡腐蚀是由桨叶表面耐蚀性氧化膜形成不充分所致。这就是说,在氧化膜处于不甚坚固状态时,由于空泡作用,使其已有的氧化膜局部产生脱落,而残留的氧化膜和新的基体之间的电位差作用便促进了腐蚀[23]。另外,处于红潮发生的海区或溶解氧少的海水中的螺旋桨,氧化膜形成时反而会优先发生腐蚀。这样,当螺旋桨表面强度不充分时,一旦发生云状空泡,便产生腐蚀[24]。也有人认为,腐蚀的原因在于局部化学成分差,但是,叶尖部分是冷却速度较快的区域,一般不会引起偏析[25]。目前关于空泡腐蚀的机制没有统一的共识,其中主要观点是冲击波机制和微射流机制 (如图2[21])。冲击波机制认为空泡破裂时其势能会传递给周边的海水形成液体冲击波;微射流机制认为由于压力的作用产生的空泡是不对称的,溃灭时上下面溃灭的速度不一致形成垂直于表面的高速微射[25]。两种机制所产生的破坏力可达上千兆帕[26],对螺旋桨表面产生严重损害。

图1   金属材料表面发生空蚀的过程[21]

Fig.1   Cavitation process of metals[21]

图2   空泡腐蚀的机制[21]

Fig.2   Mechanisms of cavitation: (a) shock-wave mechanism; (b) micro-fluidic mechanism[21]

除了空泡腐蚀,螺旋桨常见的腐蚀形式还有电化学腐蚀和环境腐蚀。由于螺旋桨服役环境恶劣[15],铸造螺旋桨的金属往往与船体金属种类不同,而不同种类金属化学活泼性有差异,因此,当材料表面有金属失去电子变成离子进入海水溶液中时,界面上就会形成许多的微型原电池,从而导致电化学腐蚀过程明显加速。此外,化学腐蚀也是重要的腐蚀形式之一,这是因为螺旋桨材料表面都会形成一层氧化膜,起到保护作用,而由于工业污水等因素导致港口海水环境恶化,会造成螺旋桨表面氧化膜破裂,导致桨叶腐蚀。各种类型的螺旋桨腐蚀都会破坏桨叶表面形态,使船体发生震动和产生噪音,降低螺旋桨的推进效率和航速[28]

1.2 螺旋桨的生物污损

船体生物污损具有复杂多样性,船体不同部位、水流速度、浸水深度都对污损生物的附着有着不同的影响。由于大部分时间处于高速旋转的状态,螺旋桨的生物污损相比于其他部位较轻,通常为一些附着力比较强的藤壶、苔藓虫等生物,并且由于螺旋桨外侧水流速度高于内侧,故螺旋桨内外侧污损程度也不尽相同[29]。螺旋桨长时间浸泡在海水中,表面受到海洋附着生物的污损。其危害主要有:破坏了螺旋桨表面流体线型,增加了桨叶与水流的摩擦阻力,降低了螺旋桨的推进效率,增大船舶航行阻力[30]。其次,海生物的附着对于螺旋桨噪声的控制非常不利。海生物附着速度相对较快,导致除污期限大大缩短,严重影响到船的出航率[31]。此外,海洋生物在螺旋桨表面不断附着繁殖,其新陈代谢过程会产生具有腐蚀性的物质,加速螺旋桨的腐蚀速率。因此,螺旋桨生物污损问题就成为亟待解决的问题。

2 外加防护技术

针对于已经建成的船舶螺旋桨,外加防护技术是最为简便且性价比高的防护方法,主要包括阴极保护技术、涂层技术与电解防污技术等。有学者还提出了超声波防污法,在实验室中对海生物幼虫和卵细胞杀灭率在75%~80%,杀菌率随作用时间延长而升高,有望在未来应用于实际工程中。但由于海水的流动性使得其作用时间相对较短,这成为限制其发展的一个重要问题[32]

2.1 阴极保护

目前,阴极保护预防螺旋桨腐蚀的技术主要有牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两种[33]

2.1.1 牺牲阳极 牺牲阳极方法是根据电化学腐蚀的特点,选取一种更为活泼的金属作为阳极,螺旋桨作为阴极,利用两种金属之间的电位差,达到防护作用。一般使用较多的阳极金属材料主要有Al、Mg和Zn等金属及其合金[34-37]。其中,应用最广泛的是铝合金阳极。

牺牲阳极法的历史悠久,其优点是施工方便、成本低。同时,牺牲阳极阴极保护对防止锰铜合金螺旋桨应力腐蚀开裂具有明显效果。在保护电位-0.90 V (vs SCE) 下应力腐蚀开裂基本停止[38]

2.1.2 外加电流阴极保护 外加电流阴极保护法是通过向被保护金属表面通入足够的直流电流,使其阴极极化以减小或防止金属腐蚀的一种电化学防腐技术[39,40]。整个装置由辅助电极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。该技术是一项比较成熟的技术,但与牺牲阳极法相比,其具有经济性较差,且可能会引发杂散电流,导致过保护以及干扰船舶相邻仪器的正常工作等缺点。

2.2 生物污损防护对策

防止海生物污损的方法包括物理法、化学法和生物法[41]。物理法主要包括人工清除、加热法、超声波法及过滤法等[42]。化学法主要包括直接加入法、电解防污法和化学防污涂层法[43]。生物法主要是利用生物活性物作为防污剂防止海生物污损[44]。但目前应用范围广、工艺成熟稳定的方法主要有化学防污涂层法[45]和电解防污法,其他方法由于具有不同的工艺缺陷,没有相关工程应用经验[31]。螺旋桨涂装防污涂层能有效地抑制电化学腐蚀的产生,减少海生物的附着,减少能量损失;能有效降低螺旋桨表面与海水的摩擦力,有效保护螺旋桨使其免受因空泡引起的剥蚀;防污涂层对螺旋桨的噪声以及宽频随机振动的控制具有特殊的效果,其利用高分子材料的粘弹性将噪声机械能及振动机械能转化为热能发散掉,达到减振降噪的目的。随着涂层技术的不断发展,新型防污涂层已基本不含杀生剂,对海洋生物的影响不大,节能环保。

2.2.1 防污涂层 不同的防污涂层其工作原理也不尽相同。目前应用的防污涂层多为非金属涂层,但由于非金属涂层附着力不强,在螺旋桨高速转动时,螺旋桨桨叶上会产生空泡,空泡破裂产生的冲击力会导致涂层的脱落。金属涂层由于尚处于研发阶段,故不具备大规模应用的条件。

低表面能防污涂层是无杀生剂释放防污涂层的一个重要研究方向,研究较多的是氟化物低表面能防污涂料和有机硅体系低表面能防污涂层[46-48]。氟化物防污涂层利用含氟聚合物的低表面张力,使得污损生物难以附着,涂层具有低弹性模量和低摩擦系数,在船舶航行或停泊时利用自重或水的剪切力可以轻易的去除附着的生物。含氟聚合物防污涂层代表了不沾污涂层的最新发展方向,不含生物杀虫剂,对海生物无影响。含氟聚合物防污涂层漆膜光泽度和保光性优良,表面光滑平整,对船舶节能也有一定的提高。研究[49]表明,大型船舶外板涂装含氟聚合物不沾污防污涂层比自抛光防污涂层可降低6%的油耗。

表1为上海某船厂使用的一种配套涂层[48]。耐磨Al粉纯环氧纯漆作为底漆,其具有优良的表面润湿性和渗透性,Al粉的加入大大增强了其耐蚀和防水性能,是一种具有良好防污、防腐性能的涂料。

在实际工程应用中对于螺旋桨防污涂层的选择要综合考虑,其一是,根据不同海域选择防污涂料,不同海域其污损生物也不尽相同,选择适当的防污涂层至关重要。其二是根据船舶的出航率进行选择,海生物的附着主要是螺旋桨静止时发生的,因此船舶停靠时间越长,就需要选用防污效果更好的涂层。

表1   某种螺旋桨配套涂层

Table 1   Main ingredients of matching coatings on a certain kind of propeller

CoatingTypeColorDry film thickness μmWet film thickness μmConstruction method
1Pure epoxy paint with aluminium powdersAluminum80134Fog spray
2Pure epoxy paint with aluminium powdersAurichalceous70117Series spray
3Elastic-contamination-free transition paintPink100176Series spray
4Fluoropolymer- contamination-free antifouling paintRed150203Series spray

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2.2.2 电解防污 电解海水防污主要是通过电解海水产生能杀死海生物的NaClO,并将其电解产生的NaClO溶液喷至螺旋桨表面达到防污的目的。

电解海水过程中重要反应过程包括[50]

阴极: 2Na++2H2O+2e2NaOH+H2(1)

阳极: 2Cl-Cl2+2e(2)

极间反应: Cl2+2NaOHNaClO+NaCl+H2O(3)

总反应: NaCl+H2ONaClO+H2(4)

整个电解海水系统中,电解槽是这个电解防污装置最重要的部分。而电解槽存在的主要问题是不溶物在电极上的沉积、极化作用以及能耗、电极寿命和电解槽运行参数控制及其维修等。限制电解槽发展的主要因素是阳极材料。阳极材料必须具有较高析氧电位和较低的析氯电位,而且要有较高的强度和耐海水腐蚀性能。目前使用的阳极材料主要是贵金属氧化物涂层,一般用Ti作基板涂上Pt、Ir、Ru等氧化物复合材料,贵金属材料基体寿命长,涂上保护膜可以多次使用[31]

电解防污的优点是NaClO溶液对附着生物杀灭效果好,装置安装及操作简单,只需定期清洗阳极表面,无需频繁更换阳极,能够保证长时间出航的要求。但是影响电解防污的因素还有很多。所以,为了达到预期的效果,在做电解防污设计的时候应合理的设计方案,因地制宜。

3 新型螺旋桨材料研究现状

随着人们逐渐认识到螺旋桨腐蚀的严重性与各类外加防护技术的应用局限性,新型螺旋桨基体材料的研究逐步成为研究热点。由于螺旋桨需满足生产、使用和焊补等要求,所以材料需满足力学性能高、耐空泡剥蚀性能好、海水疲劳腐蚀强度高等特点。自上个世纪以来,铜合金材料由于其力学性能和耐蚀性能较好,在螺旋桨材料中占据着重要地位,是螺旋桨主要的基体材料[51,52]。在铜合金基体材料中,锰黄铜、铝黄铜、铍铝青铜和锰铜合金应用最广泛[53-56]。然而,近年来,由于海水和江河水污染日益严重,铜合金材料螺旋桨的耐蚀性能已满足不了防护要求。同时,由于海水中有机质的大量排放加速了厌氧性硫酸盐还原菌的繁殖,海水介质中的硫酸盐被还原,产生了对铜合金具有强烈腐蚀作用的硫离子,造成螺旋桨颜色变黑、表面变粗糙,服役寿命急剧缩短。因此,发展取代铜合金的新材料便成为螺旋桨材料新的研究方向。新型螺旋桨材料如不锈钢、复合材料等,越来越受到学者的青睐,其在螺旋桨上的应用比例也在逐年上升。

3.1 不锈钢材料

近年来,国内外学者已经研制了一系列螺旋桨用不锈钢材料,适用于具有不同特点的海洋服役环境,具备优良的性能。

芬兰lokoMo钢公司开发了Arclok1000高强超韧马氏体不锈钢[57]。在成分稍加改进与热处理相配合的条件下,获得了足够多的马氏体。其重量较轻,耐海水腐蚀疲劳强度高,具有良好的耐蚀性,比通常的马氏体不锈钢抗海水腐蚀性能高3倍,尤其在0 ℃时不会出现点蚀及缝隙腐蚀,故可用于在冰区航行的船只螺旋桨。但其缺点是在含中性盐类的海水中有产生点蚀和缝隙腐蚀的可能,且铸造生产较困难。

MCF (Mitsubishi Cupro-Ferrous alloy) 不锈钢是日本三菱重工研发的不锈钢螺旋桨材料,可在被污染的海水环境中使用[58]。MCF不锈钢材料的冲击韧性、耐海水腐蚀疲劳强度和耐侵蚀性等性能均高于铜基合金材料,且其熔点相对较低,便于熔炼和铸造。MCF不锈钢材料螺旋桨一般用于小型船只,运行三年内材料本身基本不会出现问题。

MSS (Mitsubishi Special Steel) 不锈钢是日本三菱重工开发的主要用于大型船舶螺旋桨的高强度特殊钢[59]。MSS铸造马氏体时效不锈钢具有高强度,使得同条件下MSS不锈钢材料螺旋桨的重量比镍铝青铜材料的螺旋桨降低了约70%,而且效率提高了约1%~3%,减轻了桨叶整体的振动,对噪声的产生也有一定的控制。此外,MSS不锈钢材料抗腐蚀疲劳强度明显地超过铜基合金。

Mitsubishi Corrosion Resistance Stee1是三菱重工开发的耐蚀不锈钢[60],最低强度不低于882 MPa。由于其耐海水腐蚀疲劳强度好,螺旋桨桨叶厚度可以减小,效率提高,冲击韧性较高使得其可以作为破冰舰船、破冰液化天然气 (LNG) 船等螺旋桨的铸造材料。相比铜基合金材料螺旋桨,MCRS螺旋桨安全性较高。

瑞典研制开发了超级双相不锈钢SAF2507螺旋桨用材料。该钢以良好的耐蚀性、锻造性和可焊性而著称,在氯化物中耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂性能优良[61]。SAF2507不锈钢板的耐局部腐蚀性能是双相不锈钢中最优良的。

表2[57-61]是上述几种螺旋桨材料的力学性能和耐海水腐蚀疲劳性能以及其铸造工艺,在实际应用中可根据不同的工作环境选择不同材料的螺旋桨。

国外开发的不锈钢材料有很多。美国、日本、俄罗斯、德国、法国在不锈钢材料螺旋桨的开发上处于领先地位,开发了许多种性能优良的不锈钢材料,并投入实际应用中[60]

我国不锈钢螺旋桨材料的开发与应用还处于起步阶段。究其原因主要是铜基合金螺旋桨生产技术纯熟,业绩辉煌。不锈钢螺旋桨的生产,既没有必需的生产条件,又缺乏相关的生产经验[57]。无论是在数量上还是质量上,中国与其他海洋大国都有很大的差距。但是,应当注意的是国内的一些科研院所和高校与企业联合,进行了不锈钢材料螺旋桨的调查和研发,虽起步较晚,但有国外先进的经验加上自身的基础,代表了我国不锈钢材料发展的方向。

表2   不锈钢螺旋桨材料的力学性能和耐海水腐蚀疲劳性能[57-61]

Table 2   Mechanical properties and seawater corrosion resistance of stainless steel propellers[57-61]

GradeHeat treatmentσb / MPaδ / %HBAMarine corrosion fatigue resistance
Arcolck1000Quench +Tempering>950330~380>M Stainless steel
MFCSolid solution5315514017~19
MSSSolid solution +Prescription882~98010~20260~35049~9840
MCRS950 ℃/3 h AC+600 ℃/3 h AC882~98010~30200~30049~9830
SAF2507Quench55025290

Note: AC—air cooling

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3.2 复合材料

随着纤维增强复合材料在船舶工业中的大量使用,其具有的各种优良性能也日渐凸显。这就给螺旋桨的设计者提供了全新的契机,从而提出了纤维增强复合材料螺旋桨的设计思想[62]。复合材料的特点主要有低振动、低噪音、轻质高效、耐海水腐蚀等,这使得复合材料在军事领域和民用领域的使用有巨大潜力。

复合材料的比强度和比刚度都比较高,因此可以大大降低螺旋桨的重量。更轻的复合材料可以使桨叶做的更厚,降低螺旋桨的空蚀起始速率[63,64]。与金属材料相比,复合材料最重要的优点是具有可设计性,即根据螺旋桨桨叶的形状构造以及受力条件,利用复合材料所具有的独特弯扭耦合效应,合理安排桨叶的铺层顺序和纤维方向,建立复合材料铺层和螺旋桨水动力性能之间的相互关系,并以此机理使复合材料螺旋桨自动调节桨叶变形,以达到改善螺旋桨水动力性能的目的[65]。2006年,瑞典公司首先制作出由金属轴和可替换的复合材料叶片组成的螺旋桨[66]。德国AIR公司研制出一种碳纤维环氧螺旋桨[67],其推进效率比传统螺旋桨提升了3%~10%,重量降低约25%~35%。Lin等[68]通过可变螺距复合材料螺旋桨的实验,论证了使用复合材料能够提高螺旋桨的弯扭耦合性能。英国Qineti Q公司经过三年的攻关,已成功完成世界最大复合材料螺旋桨的海试工作。该桨直径2.9 m,在镍铝铜合金桨轴上装有5个复合材料桨叶。实海实验证明该桨振动大幅降低,运转平稳。采用复合材料螺旋桨的桨叶比较厚,可减少空泡的产生,降低噪声,相比传统螺旋桨重量大大降低,可以应用在对重量要求比较严格的具有吊舱式电力推进系统的舰船上[69]

关于复合材料螺旋桨的研究多基于数值计算方法[70-72],相关实际应用研究相对较少。因此能否根据数值计算实现桨叶预定的铺层顺序和纤维方向设计,对于复合材料螺旋桨未来的研究至关重要。复合材料螺旋桨在正常工作时会产生较大的变形,因此模型实验比金属材料螺旋桨要复杂得多[73]

国内对复合材料螺旋桨的研究仍处于初级阶段,缺乏有效的经验、计算工具和系统的设计方法。主要材料也是早期的玻璃纤维复合材料。因此复合材料螺旋桨的发展比较薄弱,性能相对于金属螺旋桨没有多少改善。

3.3 其它合金材料

钛合金强度高、质量轻、抗空泡剥蚀和耐疲劳性能优异,其使用寿命是其它材料的2~3倍,是制造螺旋桨的理想材料[74]。英国很早就开始了钛合金材料的研究。美国在其50 t研究型潜艇上试用了钛合金螺旋桨,使用后并未检测到空泡腐蚀及缝隙腐蚀[75]。我国在上世纪60年代开始钛合金的研究,逐步将其应用于水翼艇螺旋桨。此外,我国已成功研制出焊接性能更好、韧性更高、抗空泡剥蚀性能更优的高强铸钛合金,目前已用于某水翼快艇螺旋桨的制造[76]。钛合金材料今后的研究方向主要是实现轻量化和降低成本。

美国Mercury Marine公司开发出一种具有高冲击强度的船螺旋桨用新型铸造铝合金,命名为Mercalloy,这种新型铝合金用Sr取代传统铝合金中的Fe[77]。这种Mercalloy合金要比AA514、AA365铝合金具有更优的可铸造性能,还具有最佳吸收性能和在负载下的更高抗挠曲性能。

4 结语

船用螺旋桨的发展方向取决于船舶的发展方向,随着船舶的更新换代和造船技术的提高,海洋环境的变化以及船舶服役寿命要求的提高,螺旋桨防护的技术手段与材料更新依然是研究的重点。目前,我国先进螺旋桨防护技术与材料研制较西方发达国家还有一定差距,因此,针对于新型螺旋桨材料和防护技术的研究,尤其是耐蚀性能良好、环境友好的螺旋桨不锈钢材料与复合材料,以提高耐海水疲劳腐蚀、空泡腐蚀和静态防污损性能,是未来螺旋桨防护的发展方向。

The authors have declared that no competing interests exist.


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