螺旋桨表面粗糙度的控制及控制流程

衣正尧，林　焰，季永生

(1.大连中远川崎船舶工程有限公司，辽宁 大连 116052；2.大连理工大学 船舶与海洋工程设计研究所，辽宁 大连 116024；3.南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)



螺旋桨表面粗糙度的控制及控制流程

衣正尧1,2，林焰2，季永生3

(1.大连中远川崎船舶工程有限公司，辽宁 大连 116052；2.大连理工大学 船舶与海洋工程设计研究所，辽宁 大连 116024；3.南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

考虑螺旋桨长期在海水中静态附着腐蚀机理，以某船螺旋桨为样本，对螺旋桨装机、涂防护膜、防护效果采样及表面再处理等现象进行跟踪调查和试验分析，提出一种船厂控制螺旋桨粗糙度的管理流程以及相关建议。

螺旋桨；表面粗糙度；样本测试；控制流程

受船市影响，目前很多新造船在水下舾装周期较长，特别是首制船。螺旋桨长时间在海水下浸泡，有附着海生物的倾向，需要跟踪螺旋桨表面在海水中关键阶段的生物附着或腐蚀状态，以更好地保护螺旋桨表面。恰当的保护措施不仅有利于螺旋桨本身，也有利于试航油耗航速效果，更有利于交船及船舶全生命周期内的养护。

1　螺旋桨静态海水附着腐蚀机理

1.1船厂海水区域特点

船厂位于旅顺港附近，旅顺港位于辽东半岛南端(38°48′N ,121°15′E)，附近水质清澈、畅通，盐度较高，透明度较大。月平均最高水温8月20.9 ℃，最低2月1.8 ℃，月平均海水盐度都在30.1‰～31.7‰之间[1]。

旅顺港区域附着生物的附着季节体现了暖温带附着生物附着季节的特点。于1979年9月至1980年8月在旅顺港进行挂板试验，主要海生物种类的附着季节是6月至10月(月平均水温1.25～20.9 ℃)，8月和9月是附着盛期，冬季低温月份几乎没有生物附着[1]。

1.2螺旋桨材料耐海生物和腐蚀特性

螺旋桨长期停放在海水中时, 会受到藤壶、牡蛎、贝壳等海生物侵蚀，严重会降低船速，影响油耗，甚至破坏螺旋桨本体。在海水中浸置时间越长，海生物附着量就越大。

海生物从浮游生物的孢子和贝壳类幼虫分泌出一种酸性粘结性物质，与舰体钢板接触后开始附着[2]。海水水温、水质、光线，螺旋桨本体材质、表面粗糙度情况都对海生物在螺旋桨表面的生长有重要影响。铜合金比钢质、钛合金抗海生物力强，铜离子不断析出，可大量杀死海生物。但由于合金铜中其他元素离子不断析出，可造成脱锌、脱铝、脱锰等点蚀[3]。

1.3样本船螺旋桨镍铝青铜概述

镍铝青铜是当前远洋船舶等螺旋桨材料上使用最为普遍的合金[4]。20世纪50年代初，英国首次用于船用螺旋桨，后美、中、荷、日等国也相继在螺旋桨中采用[5]。具有优异的耐腐蚀、耐冲蚀和抗海生物污损等性能。在耐海水腐蚀疲劳方面远远超过不锈钢和黄铜,比锰青铜还好。有优异的耐磨、焊接性能,价格低廉[6]。

世界各国螺旋桨使用镍铝青铜的材料情况见表1[7]。

表1　镍铝青铜螺旋桨材料的成分及含量

2　样本船螺旋桨粗糙度测试与分析

2.1样本船螺旋桨基本参数

5叶桨；直径9 700.0 mm；螺距6 734.8 mm；螺距比0.694 3；质量53 300 kg；材料为KALBC3，镍铝青铜。钻取少量干净的金属粉末进行符合性检验，化学成分见表2。

表2　化学成分分析表

2.2样本采样跟踪

以某大型30万t级矿砂船为样本,水下岸壁舾装周期1月到7月，长达近6个月。螺旋桨坞内初装及表面状态见图1a)。为防止螺旋桨表面滋长海生物，于螺旋桨下水前，在坞内对螺旋桨表面涂丁苯橡胶防海生物保护膜，涂装厚度管理要求：干膜1 000 μm，湿膜300 μm。防海生物漆涂装完毕如图1b)。在水下系泊试验期间，由于螺旋桨曾经低速旋转，部分生物漆出现脱落，二次进坞后，采集如图1c)。将螺旋桨表面全部保护膜撕掉暴露在大气中约1 d后，表面概貌如图1d)，大部分被氧化，呈深黑红色状，远处垂直桨叶面观察，视觉判断效果非常差，视觉感到有较大的凹凸不平，可能有粗糙度控制的风险。但是，近距离贴近桨叶表面平行近观，发现表面并不十分粗糙如图1e)。在桨叶面找颜色差别相对最为明显的样本区域，用手触摸比较光滑，除表面有部分可以轻易用手擦除的盐分附着外，虽然桨叶变色严重，但是粗糙度手触光滑如图1f)。全螺旋桨未见有明显的海生物附着。

图1　样本螺旋桨表面状态跟踪

2.3样本表面粗糙度测试

根据ISO标准，为保证船舶航速和油耗等使用性能，螺旋桨的面粗糙度要达到ISO 484/1 CLASS I精度等级，即从距桨毂中心0.3R处至桨叶端部区域粗糙度达到Ra6 μm以下。

利用高压水枪冲洗、擦拭等方式对螺旋桨表面进行预处理，分别采用样块比较法和针描法测量粗糙度。

1)样块比较法。高压射流冲洗前，对螺旋桨形貌差异突出的区域进行粗糙度比较，如图2。经过样块比较，与样块B级粗糙度水平相差不大，相当于粗糙度Ra1.92 μm左右，远低于螺旋桨表面粗糙度ISO 484/1 CLASS I

图2　样块比较法测试

2)测量仪针描法。高压射流冲洗前，在A桨叶前后表面各选取7个锈蚀比较严重区域，进行粗糙度测量，各区域粗糙度测量结果分别见表3。可见桨叶前后面粗糙度状态差距不大，均在粗糙度要求ISO 484/1 CLASS IRa6 μm以内。主要原因是螺旋桨长期在海水中处于静态。

表3　在A桨前后面冲洗前针描测试

氧化较严重的部分典型测试区域见图3b)，总体测试区域，在选择A桨叶前向选取测量区域分布，7个点分布如图4。

图3　螺旋桨外形概括及典型测试区域

图4　A桨叶前向选取测量区域分布

高压射流冲洗后，测量区域的选取原则与冲洗前相同；在螺旋桨B桨叶选取近似的7个锈蚀区域测量。冲洗前后全采集数据如表4。

表4　B桨冲洗前后针描测试结果

可以看出，冲洗前后桨表面状况差异不大，均在Ra6 μm以内，满足设计要求。

高压射流冲洗前，在B桨叶选取7个锈蚀比较严重区域，特别是3种典型区域(无锈蚀、轻度锈蚀、重度锈蚀)测量粗糙度，各区域测量结果分别为：Ra1.29 μm、Ra3.02 μm、Ra5.13 μm，均在Ra6 μm以内，满足设计要求。

2.4样本处理

尽管螺旋桨的表面粗糙度符合设计要求，但是，螺旋桨表面颜色差异很大，变色区域也很大，主要是黑红色，属于主要的铜元素被氧化。从船厂的角度讲，不需要深入进行分析机理，但是需要对表面进行处理，主要是进行打磨，去除螺旋桨表面变色部分，使桨面复现光滑铜黄色。

打磨后，分别对各桨叶的0.3R处，前后表面进行测量，结果均在Ra1 μm以下，见表5。

表5　螺旋桨打磨处理后测试

由表5可见，打磨不仅去除了氧化表面，还将表面精度进一步提高。

3　试航前表面处理控制流程及建议

根据上述机理概述和样本船螺旋桨表面形貌现象跟踪和分析，船厂需要对长期浸没海水中螺旋桨的状态加强技术控制。在应用技术层面，需要以技术为主导，开展新船型舾装周期长的螺旋桨表面处理技术跟踪，以保证船舶在试航前航速和油耗等综合性能。综合跟踪测试和分析结果，制定螺旋桨表面粗糙度控制流程见图5。

图5　螺旋桨表面粗糙度控制流程

4　建议

1)新船型水下舾装周期较长，夏季是海生物旺盛时期，特别8、9月份是附着盛季。尽量将水下舾装安排在非夏季或与夏季交集较少的时期。

2)如建造周期实在不能避开，要做好水下检查的准备，以观测螺旋桨表面状况，并采用相应措施。

3)采用针描法测量值非常准确，但是工作量相对较大。比较样块法也十分直观可信，船厂仅用比较样块法比对判断表面粗糙度即可。

4)对螺旋桨表面颜色差异较突出的部分，要进行打磨呈现全铜本色状态，以更好地保证螺旋桨试航性能和交船质量。

[1] 李传燕，黄宗国，张良兴，等.旅顺港附着生物生态的研究[J].生态学报,1982,2(1)：59-65.

[2] 尚同来，王玲，尚永春.船底附着海生物及防除[J].海洋技术,2002,21(2)：49-50.

[3] 汤文新.舰船螺旋桨用材料及特种试验技术的研究[J].舰船科学技术,1998(3)：56-65.

[4] 金承泽，张松，陈松培.船舶螺旋桨防腐防污涂装工艺的探讨[J].造船技术,2013,12(4)：39-43.

[5] 罗芹，吴忠，秦真波，等.镍铝青铜的表面处理技术及研究进展[J].材料导报,2015,29(1)：15-21.

[6] 郭泽亮，汤文新,张化龙，等.合金元素对镍铝青铜性能的影响[J].材料开发与应用，2003,18(2)：39-42.

[7] 宋德军，胡光远，卢海，等.镍铝青铜合金的应用与研究现状[J].材料导报，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

衣正尧(1983—),男,博士，高级工程师

U664.33

A

1671-7953(2016)04-0036-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.009

研究方向:船舶设计与制造，船舶机器人

E-mail:yizhengyao@163.com