測試海洋污損生物附著強(qiáng)度的動態(tài)模擬試驗(yàn)裝置

蔡衛(wèi)國，汪靜，遲建衛(wèi)，唐茂勇

(1.大連海洋大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，遼寧大連116023;2.大連海洋大學(xué)理學(xué)院，遼寧大連116023)

在海洋資源的開發(fā)和利用過程中，海水的腐蝕問題和海洋生物的附著污損問題一直是人類面臨的兩大難題。海洋污損生物也稱海洋附著生物，是生長在船舶等海洋水下設(shè)施表面的動物、植物和微生物的總稱，如藤壺、藻類、菌類、貝類等。海洋生物的附著會增加船舶航行的阻力，堵塞冷卻管道，加速船體腐蝕等。當(dāng)船舶生物污損率為5%時，摩擦系數(shù)增加50%，燃料消耗增加40%～50%，全世界每年僅生物污損給各種海洋工程設(shè)施和船舶設(shè)備造成的損失可達(dá)數(shù)十億美元［1－5］。目前，為了減少污損生物的附著量，通常是在船體上涂抹防污材料，而防污材料性能的好壞直接影響防污效果。本研究中，作者設(shè)計(jì)了一套測試防污材料性能的動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，真實(shí)地模擬了船舶航行中的實(shí)際工況，可以對多種防污材料進(jìn)行動態(tài)的沖刷和剪切試驗(yàn)，從而更加準(zhǔn)確地評價防污材料的防污性能。

1 防污材料性能的評價方法

對防污材料性能的評價通常有兩種方法:一是傳統(tǒng)的物理化學(xué)評價方法，二是用模擬實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測試的方法。

傳統(tǒng)的物理化學(xué)評價方法有兩種:一種是通過測定防污材料的有效成分滲出率，間接反映防污性能，如圖1所示。朱素蘭等［6］利用直流電源的兩個惰性電極使防污涂層產(chǎn)生高濃度氯，以驅(qū)趕或殺死附著生物，該方法只適用以“毒料”滲出為防污手段的防污涂層的評價，不適用于以涂層表面特殊性能為防污手段的防污涂層評價。另一種是在港口、碼頭等建立試驗(yàn)基地，在海水里懸掛試板，通過測試污損生物的附著情況直接評價其防污性能。該方法試驗(yàn)周期長，風(fēng)險(xiǎn)高。以上方法均是在靜態(tài)下對防污涂層的附著情況進(jìn)行評價，與船舶的動態(tài)航行工況不符。

圖1 涂層滲出裝置Fig.1 The device of coat exuding

Trentin等［7］設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)室條件下測試防污涂層性能的動態(tài)模擬試驗(yàn)裝置 (圖2)，將試樣固定在方形支架外壁上并放入水池中，水池與支架間有足夠的間隙供水流流動，通過旋轉(zhuǎn)的葉輪攪動水流，沖刷帶有防污涂層的試樣，定期檢測污損生物的附著情況，進(jìn)而評價防污涂層的性能。此裝置的不足之處是因水流速度的大小和方向不穩(wěn)定，無法定量地測試水流速度與附著量之間的關(guān)系。

Schultz等［8］設(shè)計(jì)了一種測定污濁有機(jī)體黏合強(qiáng)度的逕流裝置 (圖3)。該裝置由放射狀的流動室、薄片狀的水流通道和循環(huán)水路組成，測試段通道截面為矩形，有嚴(yán)格的橫縱比要求。將試樣固定在通道上下兩面，通道內(nèi)高速流動的水流沖刷試樣表面的污濁有機(jī)體，水流的壓力由數(shù)字壓力表測得，水流的速度由流速表測定。該裝置的缺點(diǎn)是水流速度不穩(wěn)定，易生成紊流，影響測試效果。

圖2 測試防污涂層附著的試驗(yàn)裝置Fig.2 An accelerated aging tank

圖3 測定污濁有機(jī)體黏合強(qiáng)度的逕流裝置Fig.3 Schematic diagram of the turbulent device of adhesion strength in microfouling organisms

2 試驗(yàn)裝置樣機(jī)

本研究中，作者設(shè)計(jì)了一種在實(shí)驗(yàn)室條件下測試海洋污損生物附著強(qiáng)度的動態(tài)模擬試驗(yàn)裝置，實(shí)物樣機(jī)見圖4，其工作原理見圖5。該裝置由底座、支架、試樣及固定架、壓力傳感器、攪動機(jī)構(gòu)、變頻器和海水循環(huán)系統(tǒng)組成。定量的海水置于圓桶型容器中，涂有防污材料的試樣插入容器內(nèi)壁的凸起上，可方便裝卸;容器內(nèi)海水的循環(huán)由海水泵完成，采用下進(jìn)上出的循環(huán)方式，有利于清除容器底部沉淀;由電機(jī)帶動轉(zhuǎn)子攪動海水運(yùn)動，電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器實(shí)時顯示和調(diào)節(jié)。該裝置的主要特點(diǎn)如下:

1)采用海水運(yùn)動而試樣固定不動的方式，海水與試樣之間的相對運(yùn)動速度真實(shí)模擬了航行中船舶的實(shí)際工況，運(yùn)動的海水能夠?qū)υ嚇赢a(chǎn)生剪切和沖刷作用，定期檢測試樣防污涂層的附著狀況，從而評價防污材料的性能;

2)將壓力傳感器固定于容器邊緣，與容器內(nèi)壁相切，實(shí)物如圖6所示，測得的壓力值更加接近海水沖刷試樣的剪應(yīng)力;

3)變頻調(diào)速器可以調(diào)節(jié)攪動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，得出不同航速下船體所受海水的剪應(yīng)力及附著物的附著情況，進(jìn)而評價防污材料的防污性能。

3 試驗(yàn)裝置性能測試

3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速與模擬航速之間的關(guān)系

不同類型的船舶航速如表1所示。

表1 不同類型船舶的航速Tab.1 Velocity of different shipping

船舶實(shí)際航行中，海水對船體的表面具有沖刷和剪切作用，隨著船速的增加，作用效果越明顯。本次試驗(yàn)中，旋轉(zhuǎn)輪轂帶動海水對試樣表面進(jìn)行沖刷和剪切，當(dāng)輪轂穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時，其線速度近似于海水與試樣間的相對運(yùn)動速度，從而模擬了船舶航行中的真實(shí)工況。試驗(yàn)容器直徑為600 mm，旋轉(zhuǎn)輪轂直徑為300 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速與航速之間的換算公示為

計(jì)算得到見表2。

表2 電機(jī)轉(zhuǎn)速與模擬航速數(shù)據(jù)對照表Tab.2 Comparison of motor rate with shipping velocity

圖4 試驗(yàn)裝置樣機(jī)Fig.4 The model of testing apparatus

圖5 工作原理示意圖Fig.5 The sketch map of principle

圖6 試樣及固定架、壓力傳感器Fig.6 The sample，fastness，and stress sensor

3.2 模擬航速與剪應(yīng)力關(guān)系的試驗(yàn)

本試驗(yàn)中，壓力傳感器切向置于容器內(nèi)壁，并且靠近試樣，海水沖刷試樣的剪應(yīng)力由壓力顯示儀測得。測試目的是為了得出船舶航速與海水沖刷試樣剪應(yīng)力之間的關(guān)系，為進(jìn)一步評價防污材料的表面性能提供了可靠依據(jù)。從圖7可見，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，海水對試樣表面沖刷的剪應(yīng)力逐漸增大。

圖7 模擬航速與剪應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.7 Curve of mock velocity and shearing strength

3.3 沖刷性能試驗(yàn)

首先將鋼片 (10 mm×100 mm×0.5 mm)置于海水中浸泡約3個月，浸泡前后試樣對比如圖8－A、B所示。將附著有污損生物的鋼片取出后置于試樣固定架內(nèi)，啟動試驗(yàn)裝置，使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1000 r/min左右，每隔30 min取出鋼片，觀察沖刷效果。從圖8－C～F可見，隨著沖刷時間的增加，污損生物的附著量逐漸減少，試樣外層的污損生物去除明顯，測試結(jié)果符合真實(shí)狀況，該試驗(yàn)裝置能滿足測試要求。

圖8 試樣沖刷效果的對比Fig.8 Comparison of brushing result

4 結(jié)束語

本研究中設(shè)計(jì)的測試海洋污損生物附著強(qiáng)度的動態(tài)模擬試驗(yàn)裝置，真實(shí)地模擬了船舶航行時的實(shí)際工況。對于涂有不同防污材料的試樣來說，防污涂層材料耐受的剪應(yīng)力越大，沖刷效果越好，防腐性能越好。通過測試其表面污損生物的附著和沖刷情況，以及承受剪應(yīng)力的情況，可以進(jìn)一步評價防污材料的性能，為全面、準(zhǔn)確地評價防污材料的表面性能提供了科學(xué)依據(jù)，因此，該試驗(yàn)裝置具有重要的應(yīng)用價值。試驗(yàn)結(jié)果證明，整個裝置運(yùn)行穩(wěn)定，滿足測試要求，可得出結(jié)論如下:

1)電機(jī)調(diào)速為0～1500 r/min時，可模擬的航速為0～45 kn;

2)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，剪應(yīng)力逐漸增大，海水對試樣的沖刷效果增強(qiáng)。

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