陳恒強(qiáng)

(中國(guó)船級(jí)社 鎮(zhèn)江辦事處，江蘇 鎮(zhèn)江 212008)

適用于沿海航區(qū)，采用雙機(jī)雙槳推進(jìn)方式。

0 引言

在海洋環(huán)境中，螺旋槳面臨著空泡腐蝕、電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕等腐蝕污損現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)螺旋槳槳葉表面粗糙、線型改變、受力不均勻的問(wèn)題，最終導(dǎo)致螺旋槳的壽命大大降低甚至損毀。銅合金螺旋槳因其具有良好的水動(dòng)力性能、較高的效率、極好的耐腐蝕性和良好的綜合力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，一直是船舶推進(jìn)器的首選，其性能差異直接影響了船舶動(dòng)力性能的高低[1]。雖然螺旋槳相對(duì)于整體船舶占比很小，但是作為船舶動(dòng)力的核心部件，其腐蝕和海生物侵蝕造成的動(dòng)力損失占總損失的三分之一，這樣會(huì)導(dǎo)致油耗增加、航速下降等問(wèn)題，造成附加的經(jīng)濟(jì)損失[2]。為了盡可能地減少螺旋槳損壞來(lái)增加船舶整體的服役時(shí)間，更需要研究螺旋槳常見(jiàn)的腐蝕類(lèi)型與解決辦法。

本文分析某高速船銅合金螺旋槳出現(xiàn)的嚴(yán)重腐蝕及海生物污損現(xiàn)象，并對(duì)后續(xù)的螺旋槳產(chǎn)品檢驗(yàn)提出關(guān)注點(diǎn)，同時(shí)在后續(xù)高速船螺旋槳設(shè)計(jì)的參考和應(yīng)用上提出合理的改進(jìn)建議。

1 主要技術(shù)數(shù)據(jù)

本文涉及缺陷的螺旋槳用于國(guó)內(nèi)雙體商務(wù)高速艇，其主要參數(shù)為：船舶垂線間長(zhǎng)19.00 m，型寬5.60 m，設(shè)計(jì)吃水1.50 m；主機(jī)功率298 kW×2，主機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min，配備齒輪箱減速比2.28；螺旋槳參數(shù)為：材料鎳鋁青銅(Cu3),葉型 MAU，葉數(shù) 4，直徑630 mm，螺距比1.455，螺旋槳轉(zhuǎn)速789.5 r/min，盤(pán)面比為0.56。

2 螺旋槳缺陷的原因分析

根據(jù)螺旋槳的缺陷照片，發(fā)現(xiàn)該銅合金螺旋槳同時(shí)存在空泡腐蝕、電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕、海生物污損等現(xiàn)象[3-4]，其中空泡腐蝕最為嚴(yán)重。

2.1 空泡腐蝕

該螺旋槳為高速槳，當(dāng)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槳會(huì)帶動(dòng)周?chē)乃w使其流速加快。根據(jù)流速與壓力之間的關(guān)系：流速大處壓力小,流速小處壓力大，因此螺旋槳周?chē)乃w各部分壓力會(huì)不均勻。水中溶有空氣，壓力降低時(shí)，空氣從水中析出，形成氣泡，且逐漸長(zhǎng)大。當(dāng)進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)，氣泡被壓縮，直至爆破。氣泡持續(xù)迅速產(chǎn)生并迅速破滅，循環(huán)往復(fù)。伴隨空泡破滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊力, 不斷沖擊葉片表面，持續(xù)破壞金屬表面層，導(dǎo)致螺旋槳發(fā)生腐蝕，稱(chēng)為空泡腐蝕[5]。

空泡破滅時(shí)，螺旋槳葉片表面所產(chǎn)生的脈沖壓力隨流速變化，實(shí)測(cè)值為0.98～98 MPa[6]。該壓力會(huì)直接破壞銅合金螺旋槳表面良好耐腐蝕性的惰性氧化膜。在實(shí)際情況中，從空泡產(chǎn)生至破滅的時(shí)間間隔為10-3～10-5s。因此，螺旋槳葉片表面受空泡腐蝕影響的部位會(huì)被空泡持續(xù)沖擊1 000次左右，使得葉片局部短時(shí)間內(nèi)因疲勞而損壞，這也加重了空泡腐蝕。在螺旋槳表面，往往在線形變化較大的葉背導(dǎo)邊及中間處形成嚴(yán)重的空泡腐蝕?？张莞g現(xiàn)象見(jiàn)圖1。

2.2 電化學(xué)腐蝕

該船螺旋槳所采用的金屬往往與船體金屬種類(lèi)不同，而異種金屬化學(xué)活潑性有差異。由于螺旋槳所處海洋環(huán)境惡劣[7]，當(dāng)材料表面有金屬失去電子變成離子進(jìn)入海水溶液中時(shí)，金屬界面上就會(huì)形成許多的微型原電池，進(jìn)而加速螺旋槳的電化學(xué)腐蝕過(guò)程。

圖1 螺旋槳葉背導(dǎo)邊及中間表面處形成嚴(yán)重的空泡腐蝕

從化學(xué)成分來(lái)看：Cu3中含銅(Cu)、鋁(Al)、鐵(Fe)量大。Al元素電位較Cu元素低。Cu3銅合金主要是發(fā)生脫鋁腐蝕，其方程式如下：

Al-3e=Al3+

(1)

且Al作為鋁青銅的陽(yáng)極，在電化學(xué)環(huán)境中失去電子變成離子態(tài)，很快被腐蝕溶解后，在螺旋槳表面會(huì)產(chǎn)生一層惰性氧化膜[7]。該膜較穩(wěn)定，使得鋁青銅螺旋槳耐腐蝕性能良好。但是，由于工業(yè)污水等因素，導(dǎo)致沿海海水環(huán)境惡化，其中海水中硫化物含量大大增加。在含有硫化物的海水中，鎳鋁青銅(Cu3)中的Cu離子與S離子會(huì)化學(xué)反應(yīng)生成新的化合物，從而破壞銅合金的氧化性保護(hù)膜，因而使銅合金的腐蝕速率大大增加，耐腐蝕性能下降[8]。

2.3 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是具有腐蝕性的流體高速經(jīng)過(guò)金屬表面，造成了金屬的損傷[9]。沖刷是一個(gè)材料損失或變形的力學(xué)過(guò)程，是由于固相顆粒沖擊材料表面導(dǎo)致的；腐蝕是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，主要通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使材料表面破損和材料損失。

螺旋槳具有較高的轉(zhuǎn)速。當(dāng)螺旋槳正常工作時(shí)，與內(nèi)河或沿海的海水中所含大量的泥沙產(chǎn)生高速撞擊、磨擦，會(huì)磨損螺旋槳表面的惰性氧化膜；螺旋槳表面的氧化膜的減薄或去除，又會(huì)加劇螺旋槳表面的沖刷腐蝕和其他腐蝕速率。

2.4 海生物污損

螺旋槳長(zhǎng)時(shí)間浸泡在海水中，槳葉表面受到海洋生物的附著和污損，如藤壺、貝類(lèi)、 牡礪等海生物粘附在葉片表面，見(jiàn)圖2。影響海生物在螺旋槳上粘附、繁殖的因素有很多，如：材質(zhì)、表面狀態(tài)、海水溫度、水質(zhì)、光線、季節(jié)和流速等。

海生物會(huì)使螺旋槳表面流體線型受到影響，嚴(yán)重阻礙螺旋槳正常運(yùn)行。壺、貝類(lèi)、 牡礪等會(huì)使槳葉與水流之間的摩擦阻力加大，導(dǎo)致螺旋槳的效率降低。海洋生物新陳代謝過(guò)程會(huì)產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，這些腐蝕性物質(zhì)會(huì)對(duì)螺旋槳表面產(chǎn)生影響。隨著時(shí)間的增加，也會(huì)腐蝕到螺旋槳內(nèi)部。

圖2 螺旋槳表面受海生物污損

3 螺旋槳產(chǎn)品檢驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)

3.1 化學(xué)成分分析

銅合金螺旋槳化學(xué)成分應(yīng)符合中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》的要求，見(jiàn)表1。

表1 材料與焊接規(guī)范中銅合金化學(xué)成分的要求

關(guān)于Cu3銅合金成分，因?yàn)楹写罅緼l，約占總量的7%～11%，容易氧化而產(chǎn)生氧化夾渣等鑄造缺陷，且這種合金中化學(xué)成分的范圍比較窄，鑄造時(shí)困難較大。另外，F(xiàn)e、Ni元素化學(xué)成分的范圍相對(duì)比較大。參考幾家優(yōu)秀螺旋槳廠的經(jīng)驗(yàn)報(bào)告，化學(xué)成分中Fe/Ni的比值為0.95～1.00時(shí)，銅合金的耐腐蝕性能最優(yōu)。

3.2 幾何尺寸和形狀公差等檢驗(yàn)

螺旋槳產(chǎn)品檢驗(yàn)時(shí)，其幾何尺寸、形狀公差、表面平整度、光順度和粗糙度的精度，直接影響螺旋槳的直徑、螺距、盤(pán)面比、厚度及表面線型，而這些數(shù)據(jù)又是螺旋槳整體性能的保障,如：螺旋槳推力大小、是否出現(xiàn)空泡等。所以，在制造螺旋槳的時(shí)候，核查上述數(shù)據(jù)是否滿足批準(zhǔn)圖紙和標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于螺旋槳的耐空泡腐蝕性能至關(guān)重要。

3.3 無(wú)損檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)的目的是為了檢驗(yàn)螺旋槳的表面質(zhì)量，其表面的裂紋、縮孔、夾砂、夾渣、氣孔等缺陷是否符合《材料與焊接規(guī)范》的要求。

在螺旋槳產(chǎn)品檢驗(yàn)表面探傷時(shí)，應(yīng)不定期抽查《材料與焊接規(guī)范》中要求的B、C區(qū)表面鑄造質(zhì)量。螺旋槳A區(qū)，螺旋槳廠一般自檢比較嚴(yán)格，但容易疏忽B、C區(qū)。如螺旋槳葉背有密集型夾渣和氣孔缺陷，必須進(jìn)行打磨、焊補(bǔ)等處理。如果一開(kāi)始螺旋槳產(chǎn)品檢驗(yàn)不到位，忽視螺旋槳葉背的表面探傷質(zhì)量檢驗(yàn)，營(yíng)運(yùn)初期的螺旋槳就可能出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕。

3.4 動(dòng)平衡試驗(yàn)

本文研究的螺旋槳用于雙體商務(wù)艇，螺旋槳檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意是否有動(dòng)平衡試驗(yàn)要求。檢驗(yàn)人員不能僅查閱批準(zhǔn)的螺旋槳圖紙，還要審核螺旋槳強(qiáng)度計(jì)算書(shū)等相關(guān)信息。該缺陷螺旋槳的批準(zhǔn)圖紙上無(wú)螺旋槳轉(zhuǎn)速參數(shù)及動(dòng)平衡的要求，但是核查螺旋槳強(qiáng)度計(jì)算書(shū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)螺旋槳轉(zhuǎn)速為789.5 r/min，高于500 r/min(來(lái)自設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算書(shū)的轉(zhuǎn)速值)的要求，應(yīng)該進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。然而在產(chǎn)品檢驗(yàn)時(shí)，螺旋槳并未進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，更沒(méi)有考核各槳葉之間的平衡性。因此，當(dāng)螺旋槳不符合性能要求時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的空泡腐蝕現(xiàn)象。

4 設(shè)計(jì)上的改進(jìn)建議

從螺旋槳參數(shù)可知，此螺旋槳葉型為MAU，葉數(shù)4，直徑630 mm，螺距比為1.455，盤(pán)面比0.56。根據(jù)“直徑+螺距=常數(shù)”進(jìn)行螺距修正的基本理念[10]可知：對(duì)于同一艘船來(lái)說(shuō)，選用不同設(shè)計(jì)的螺旋槳，其直徑和螺距的和為常數(shù)。該缺陷螺旋槳的盤(pán)面比太小，對(duì)高速船螺旋槳來(lái)說(shuō)，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的[11]。而且，從螺距比來(lái)判斷，其螺旋槳直徑大小限制的過(guò)于緊湊。另外，參照其他高速船螺旋槳的基本參數(shù)(見(jiàn)表2)，在轉(zhuǎn)速值為607.7～1 121.0 r/min的螺旋槳設(shè)計(jì)中，其盤(pán)面比均為0.75，皆大于所研究的螺旋槳盤(pán)面比0.56。

由上述理論及經(jīng)驗(yàn)證明：高速船螺旋槳的盤(pán)面比至少要達(dá)到0.75及以上。同時(shí)，適當(dāng)增大螺旋槳的直徑，減小其螺距比，以達(dá)到改善螺旋槳空泡腐蝕的效果。

表2 3組參照高速螺旋槳的槳參數(shù)

5 結(jié)論

本文研究了銅合金螺旋槳在海洋環(huán)境中服役的狀況，得出了如下的結(jié)論與實(shí)際應(yīng)用中的建議：

(1)提高耐海水疲勞腐蝕、空泡腐蝕、電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕和防污損性能，一直是螺旋槳的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

(2)海水中S離子含量增多，容易和雜散電流共同作用，加速螺旋槳的電化學(xué)腐蝕速率。

(3)對(duì)于防止高速船螺旋槳出現(xiàn)空泡腐蝕的改進(jìn)建議，如：增大螺旋槳直徑和盤(pán)面比，減小螺距比，避免使用MAU剖面槳而使用抗空化的葉剖面形式等后期改進(jìn)的建議，須通過(guò)螺旋槳廠家采用數(shù)值方法模擬螺旋槳在艇后運(yùn)轉(zhuǎn)的空泡情況再作進(jìn)一步的驗(yàn)證。