半潛式鉆井平臺螺旋槳修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展

王坤坤，王守仁，楊學(xué)峰，楊麗穎

(濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

推進(jìn)器是半潛式鉆井平臺動力定位系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，由于惡劣的工作環(huán)境，不僅面臨著高速運行所導(dǎo)致的空泡腐蝕，還會受到海水腐蝕和海洋生物污損[1]。無論是腐蝕還是污損，都會破壞材料原有的力學(xué)性能，并增大螺旋槳的表面粗糙度，導(dǎo)致阻力增大，性能降低，油耗及排放增大，因此，對螺旋槳的修復(fù)再制造技術(shù)一直是人們研究的重點[2]。早在19世紀(jì)出現(xiàn)并沿用至今的焊接修復(fù)技術(shù)以及20世紀(jì)50年代傳入我國的熱噴涂等技術(shù)，都在螺旋槳修復(fù)再制造領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，并得到廣泛的應(yīng)用。但這些修復(fù)技術(shù)也存在著諸多的缺陷，如工作高溫造成的材料氧化變性、修復(fù)層應(yīng)力集中等，嚴(yán)重影響修復(fù)層的力學(xué)性能以及防護(hù)效果。另外，粘接修復(fù)技術(shù)也不容忽視。英國于1943年首先將金屬膠粘技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域，該技術(shù)自1958年傳入我國以來，經(jīng)過快速的發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用到多個領(lǐng)域。1994年趙學(xué)志[3]采用粘接技術(shù)制備螺旋槳修復(fù)層，雖然解決了焊接、熱噴涂等修復(fù)技術(shù)工作溫度高的問題，但是由于膠體的老化導(dǎo)致的連接強(qiáng)度不足，在運行過程中容易引發(fā)整片材料脫落，不可控性太強(qiáng)，沒有得到廣泛應(yīng)用。冷噴涂技術(shù)問世于20世紀(jì)80年代，該技術(shù)的兩個顯著特點是噴涂溫度低和顆粒沉積速度高，因此，適用范圍較廣，尤其適用于熱敏感金屬材料[4-5]。科學(xué)家們經(jīng)過不懈的努力，對冷噴涂技術(shù)進(jìn)行改良優(yōu)化，并將其應(yīng)用于螺旋槳修復(fù)涂層的制備[6-9]。本文綜述了半潛式鉆井平臺螺旋槳修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展，以期為今后的平臺螺旋槳修復(fù)再制造工作提供參考依據(jù)。

1 螺旋槳常見腐蝕形式

半潛式鉆井平臺通常在深海作業(yè)。深海水文結(jié)構(gòu)復(fù)雜，海洋生物的種類及活性都遠(yuǎn)超近海水域，而螺旋槳長時間浸泡在海水中，處于如此惡劣的工作環(huán)境，時刻面臨著被腐蝕磨損的境況。主要的腐蝕形式有空泡腐蝕、電化學(xué)腐蝕以及海洋生物附著污損[1]。

1.1 空泡腐蝕

空泡腐蝕是螺旋槳局部沖擊破壞的特殊形式[10]。螺旋槳在高速運行時不斷拍擊水面，并且快速移動，使其周圍產(chǎn)生空當(dāng)，海水來不及填補(bǔ)，導(dǎo)致壓力變的不均勻，引起氣泡的快速產(chǎn)生和破滅，而且這一過程時刻發(fā)生。氣泡破滅時產(chǎn)生微噴射，時刻沖擊著螺旋槳表面，這種螺旋槳腐蝕形式稱之為空泡腐蝕[11]。空泡腐蝕的危害主要表現(xiàn)在以下3個方面：(1)低壓區(qū)形成的空泡伴隨著水流到高壓區(qū)的舵葉及螺旋槳葉面會發(fā)生閉合爆裂，產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，導(dǎo)致螺旋槳振動和巨大噪聲；(2)螺旋槳葉片上產(chǎn)生的空泡會改變水流形態(tài)，降低螺旋槳的推進(jìn)效率，從而降低航速；(3)空泡的長期作用會使舵葉及螺旋槳表面出現(xiàn)凹坑，葉片更容易剝蝕和污損[12]。

1.2 電化學(xué)腐蝕

除了空泡腐蝕，螺旋槳常見的腐蝕形式還有電化學(xué)腐蝕[13]。通常情況下電化學(xué)腐蝕是金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生的原電池反應(yīng)[14]。但是由于螺旋槳的主要成分是銅以及少量的鋁、鐵等，而銅本身的金屬活動性較差，所以螺旋槳的電化學(xué)腐蝕主要是銅合金與海水中的鹵素離子發(fā)生一系列電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生縫隙、小孔的腐蝕[15]，而不是因為銅與其他的金屬連接造成的陽極腐蝕。另外，螺旋槳材料中含有少量的鋁、鐵等較為活潑的金屬，會發(fā)生陽極腐蝕。但是，由于鋁、鐵等金屬的含量較少，所以螺旋槳的電化學(xué)腐蝕還是以銅與鹵素離子的反應(yīng)為主。

1.3 海洋生物污損

電化學(xué)腐蝕與空泡腐蝕是一個緩慢漸變的過程，短期內(nèi)不會對螺旋槳造成較大的破壞，海洋生物附著污損對螺旋槳帶來的危害才是重中之重。Fitridge等[16]研究發(fā)現(xiàn)，對于海洋中的固定建筑來說，海洋生物淤積可能導(dǎo)致其功能的喪失和損壞。相對于平臺其他相對靜止的部位，螺旋槳由于一直處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以一些普通的海洋生物無法有效地附著，只有一些黏著能力比較強(qiáng)的海生物，如藤壺、生物膜、海藻等才是螺旋槳主要面對的污損生物，然后其他生物以此為根據(jù)地不斷生長擴(kuò)大污損[17]。近年來，隨著人類社會活動的不斷加劇，生活及工業(yè)廢料不斷地污染海洋，大量的氮、磷等營養(yǎng)鹽由沿海地區(qū)排入，導(dǎo)致海洋環(huán)境惡化，海洋中污損生物的繁殖能力越來越強(qiáng)，速度也越來越快[18]。海生物污損的危害體現(xiàn)在以下3個方面：(1)降低螺旋槳推進(jìn)效率，增加能耗，增加溫室氣體的排放[19-21]。盡管螺旋槳表面積較小，但其腐蝕和污損所造成的能量損失卻很大[22]。研究表明，僅3個月的污損就可降低螺旋槳推進(jìn)效率10%以上，使航速下降20%，并增加40%的能耗[1]。(2)增大噪聲。海生物附著改變了槳葉的表面流線型，增大了表面粗糙度，使螺旋槳在工作過程中產(chǎn)生振動，并發(fā)出噪音[18]。(3)加速金屬基材腐蝕，藤壺、海藻等宏觀海生物污損以及生物膜等微觀生物腐蝕會降低螺旋槳自身的力學(xué)性能[1]。

2 修復(fù)技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

螺旋槳主要的失效形式有兩種：一種是由空泡腐蝕、電化學(xué)腐蝕以及某些能夠分泌腐蝕液的生物導(dǎo)致的腐蝕坑及腐蝕裂紋造成的材料脫落缺失型損傷；另一種是由海洋生物不斷附著，導(dǎo)致螺旋槳表面生物淤積造成的海生物附著污損[23]。由于生物污損后期處理比較困難，在使用高壓清洗裝置清理后，螺旋槳表面依然會留下因為生物腐蝕液產(chǎn)生的腐蝕坑和清理時產(chǎn)生的沖擊坑或裂紋，所以兩者的修復(fù)方式一樣，都是對裂紋及腐蝕坑進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)技術(shù)已由當(dāng)初單一的焊接發(fā)展到后來的粘接技術(shù)，再到現(xiàn)在的熱噴涂、冷噴涂等多種增材型修復(fù)技術(shù)并存的局面。

2.1 焊接修復(fù)技術(shù)研究

焊接修復(fù)的螺旋槳使用壽命受到焊接工藝的限制，因此人們嘗試過多種焊接方式來對螺旋槳進(jìn)行修復(fù)[24-26]。通常情況下使用堆焊、補(bǔ)焊來實現(xiàn)修復(fù)，其中堆焊技術(shù)主要是對腐蝕坑進(jìn)行修復(fù)，而補(bǔ)焊技術(shù)主要是對腐蝕裂紋的修復(fù)。周權(quán)[27]通過等離子堆焊技術(shù)對金屬表面進(jìn)行焊接實驗，發(fā)現(xiàn)堆焊層表面硬度及耐腐蝕性顯著提高。戚文軍等[28]通過對鎳基合金粉末進(jìn)行激光堆焊研究，發(fā)現(xiàn)激光堆焊技術(shù)可以精確地控制送粉量和焊層的梯度成分，獲得結(jié)合牢固、硬度高、耐磨性能好的梯度焊層。蘇新勇等[29]采用電熱能微弧堆焊設(shè)備對螺旋槳進(jìn)行焊接修復(fù)，發(fā)現(xiàn)修復(fù)層結(jié)合強(qiáng)度高，且熱影響區(qū)較小。焊接時通常需要高溫溶解材料，但是高溫通常會導(dǎo)致材料或基體發(fā)生氧化。為了解決這一問題，陳愛國[30]采用氬弧焊修復(fù)工藝對螺旋槳表面裂紋進(jìn)行修復(fù)，在焊接過程中采用惰性氣體對焊接過程進(jìn)行保護(hù)，防止在焊接過程中由于高溫導(dǎo)致的氧化現(xiàn)象，取得了較好的成果。焊接過程通常伴隨著高溫，而焊接時易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在高溫應(yīng)力作用下螺旋槳葉片易發(fā)生變形。蘭現(xiàn)卿等[31]通過對焊接技術(shù)及特點的研究，認(rèn)為可以采用分段步推多層焊的焊接方法，并采用胎架固定法或反變形法控制螺旋槳在焊接過程中的變形。

經(jīng)過百年的發(fā)展，雖然焊接技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且工藝種類繁多，但是由于其工作機(jī)理導(dǎo)致焊接修復(fù)技術(shù)始終存在著無法克服的缺陷，如高溫導(dǎo)致的氧化變性、焊接層應(yīng)力集中、存在熱影響區(qū)等等。而且這些缺陷通常會導(dǎo)致修復(fù)層脆性增大、塑性降低并再次出現(xiàn)裂紋，甚至?xí)?dǎo)致修復(fù)層產(chǎn)生氣孔夾渣等缺陷。另外，焊接工藝復(fù)雜，勞動強(qiáng)度大，對焊工的素質(zhì)要求也非常高，且施工周期長[3]。

2.2 粘接修復(fù)技術(shù)研究

粘接技術(shù)就是通過特殊的膠體將材料黏著到受損基體表面，并經(jīng)過打磨使其恢復(fù)平整光滑的一種修復(fù)再制造技術(shù)。對于螺旋槳的修復(fù)再制造來說，粘接技術(shù)使用不是特別的廣泛。長航工農(nóng)兵船廠在修理“東方紅40號”輪船時,使用環(huán)氧粘接劑修復(fù)了腐蝕穿孔的鑄鐵螺旋槳葉片,經(jīng)過兩年的實踐考驗后發(fā)現(xiàn)其性能良好，這是由于環(huán)氧材料的低表面性能使螺旋槳表面潔凈光滑，不但減小了阻力，還在一定程度上降低了海洋生物附著的污損率[32]。趙學(xué)志[3]采用瑞士的MECATEC10對螺旋槳進(jìn)行粘接修復(fù)，首先使用潔凈的棕剛玉或銅礦砂,粒度在20目以上,對氣蝕面進(jìn)行噴砂處理；然后使用MECATEC10將與基體材料相同的顆粒進(jìn)行粘接，但是在使用MECATEC10之前需在待修復(fù)面上涂上一層麥卡棒10#12底膠，由于工作時不需要高溫處理，所以粘接修復(fù)不會出現(xiàn)類似于焊接工藝導(dǎo)致的材料氧化、修復(fù)層存在熱影響區(qū)等缺陷。

使用初期，簡單高效的粘接修復(fù)技術(shù)受到人們廣泛的關(guān)注，而且人們還在粘接劑中添加防污防腐材料，增大螺旋槳耐腐蝕能力。但是，經(jīng)過長期的使用觀察發(fā)現(xiàn)，粘接技術(shù)適用于表面裂紋的修復(fù)，但是難以對幾何性能進(jìn)行修復(fù)，復(fù)合材料補(bǔ)片與母體材料之間相容性差、會引入殘余應(yīng)力，且修復(fù)后無法對其進(jìn)行陽極化、電鍍等后續(xù)表面處理[33]。另外，粘接技術(shù)容易出現(xiàn)膠體老化，導(dǎo)致連接強(qiáng)度不足、耐沖擊性減弱，而且在運行過程中容易引發(fā)整片材料脫落，不可控性太強(qiáng)，所以沒有得到廣泛應(yīng)用。

2.3 熱噴涂修復(fù)技術(shù)研究

熱噴涂是將材料加熱至熔融或半熔狀態(tài)，然后噴涂到基體表面制備涂層的再制造方式[34]。自20世紀(jì)初Schoop發(fā)明火焰噴涂以來，先后出現(xiàn)了電弧噴涂、等離子噴涂、超音速火焰噴涂等多種以不同方式加熱材料的熱噴涂形式，并且廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[35]。相比于焊接修復(fù)技術(shù)，熱噴涂不但可以修復(fù)螺旋槳表面的腐蝕坑和腐蝕裂紋，還可以為螺旋槳制備防污涂層，減少修復(fù)工序，降低成本。加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會確認(rèn)熱噴涂制備的鋅或鋁涂層可以給予鋼鐵構(gòu)件預(yù)期 40 年的保護(hù)壽命[36]。

顧曉波等[37]分別采用普通氧乙炔火焰噴涂和超音速火焰噴涂技術(shù)制備Cu95粉末修復(fù)涂層，經(jīng)過抗拉強(qiáng)度試驗和海水腐蝕試驗研究發(fā)現(xiàn)，二者制備的涂層都具有超過錳銅合金螺旋槳基體自身的耐海水腐蝕性能,但是普通氧乙炔火焰噴涂制備的涂層耐空蝕性能相比于超音速火焰噴涂制備的涂層的性能較差。袁子良[38]對采用電弧噴涂制備的Cr13涂層進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)涂層均勻致密、氧化少、孔隙率低，適合對金屬基體表面的腐蝕坑及腐蝕裂紋進(jìn)行修復(fù)。孫建波等[39]通過在3.5%NaCl溶液模擬浸泡采用電弧噴涂技術(shù)制備的鋁涂層，發(fā)現(xiàn)涂層致密均勻起到很好的機(jī)械隔絕作用，將基體與溶液中的Cl-隔絕，同時由于鋁自身較好的金屬活動性起到良好的陽極保護(hù)，降低了電化學(xué)腐蝕對基體造成的損傷。郝建軍[40]通過對采用電弧噴涂技術(shù)制備的3Cr13進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)涂層具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕性能，但是本文并未對涂層孔隙率進(jìn)行研究，無法確定涂層的隔絕性和致密性。

熱噴涂修復(fù)工藝與焊接技術(shù)的區(qū)別在于，熱噴涂通過高速氣流將顆?！稗Z擊”到基體表層，顆粒相對獨立，制備的涂層更加均勻致密，螺旋槳變形小，熱影響區(qū)窄。但是和焊接一樣，熱噴涂也是對材料加熱至熔融或半熔狀態(tài)，然后進(jìn)行噴涂，這一過程極易導(dǎo)致材料發(fā)生氧化變性，同時會導(dǎo)致晶粒粗大。尤其是在螺旋槳修復(fù)中通常會填入防污抗腐蝕材料，而熱噴涂導(dǎo)致的氧化問題會使涂層的防污抗腐蝕性能大大降低。研究發(fā)現(xiàn)，熱噴涂涂層組織不夠均勻，性能不穩(wěn)定，容易造成基體的熱損傷，而且附著力較差[41-42]。

2.4 冷噴涂修復(fù)技術(shù)研究

作為一種新型的修復(fù)再制造技術(shù)，冷噴涂不需要對材料進(jìn)行加熱，在整個工作過程中粒子溫度低于熔點，故稱之為冷噴涂[43]。其工作原理如圖1所示[44]，壓縮氣體攜帶固體粉末，經(jīng)過拉法爾噴嘴加速之后，以固氣雙向流的狀態(tài)噴射到基體上。由于其速度較快，固體顆粒發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，因而沉積在基體表面形成修復(fù)涂層[45]。

圖1 冷噴涂裝置原理圖[44]Fig.1 Schematic diagram of cold spraydevice [44]

相比于焊接與熱噴涂，冷噴涂工作溫度低，從而有效地避免了熱噴涂或焊接技術(shù)因高溫帶來的氧化變性等問題。冷噴涂粒子在噴涂過程中很少發(fā)生氧化和熔化，涂層對基體的熱影響較小，降低了修復(fù)后產(chǎn)生的熱應(yīng)力；涂層間的應(yīng)力較低，可以更加快速、高效地制備致密的金屬修復(fù)涂層；粒子沉積率高，粉末可以回收利用，無疑為裝備維修行業(yè)提供了事半功倍的解決方案[15]。

陳正涵等[46]使用Cu4O2F粉末，采用冷噴涂在鎳鋁青銅螺旋槳基體表面制備涂層，通過觀察微觀組織，發(fā)現(xiàn)冷噴涂制備的涂層致密度良好。Silva等[47]利用冷噴涂技術(shù)在碳鋼基體上制備了Al-Al2O3復(fù)合涂層，經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，涂層結(jié)構(gòu)致密，具有良好的抗鹽霧腐蝕能力，在高濃度的鹽霧環(huán)境下可抵抗3 000 h。谷春艷等[48]采用粘接拉伸法、截線法、金相顯微鏡分別對冷噴涂制備的Al涂層的結(jié)合強(qiáng)度、孔隙率、沉積行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)合強(qiáng)度平均值達(dá)到36.1 MPa且分布均勻，孔隙率只有電弧噴涂的十分之一，涂層沉積較好，結(jié)構(gòu)均勻美觀。肖正濤等[49]通過對冷噴涂制備的鉻鋯銅涂層進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)涂層致密、孔隙率低。石仲川等[50]對鋼基表面采用冷噴涂制備的鋅鎳涂層進(jìn)行試驗研究，發(fā)現(xiàn)涂層十分致密，且無孔隙及裂紋，涂層的孔隙率平均為 0.4%，結(jié)合強(qiáng)度在40 MPa 左右。由此可見，冷噴涂修復(fù)技術(shù)在螺旋槳修復(fù)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

不可否認(rèn)，相對于現(xiàn)行的修復(fù)再制造技術(shù)，冷噴涂具有很大的優(yōu)勢。但是，其缺點也不容忽視。冷噴涂設(shè)備的噴嘴通常被安裝在機(jī)械手臂上，還需要空氣壓縮機(jī)、空氣過濾器、加熱器、控制柜等復(fù)雜的設(shè)備配置，使其靈活性大打折扣。另外，工作時沒有被噴涂到基體上的顆粒逃逸到空氣中形成微米級粉塵，危害操作者的身體健康。所以，冷噴涂設(shè)備的小型化是目前的研究重點。

（2）后期，進(jìn)入產(chǎn)品定型后，車間需求單位按照原來的《標(biāo)準(zhǔn)件匯總表管理規(guī)定》、《材料定額管理規(guī)定》的要求，提請《定額表》并經(jīng)制造工程部審批完成后，由車間需求人員將定額表復(fù)印一份提交計劃管理室，計劃員將各類需求信息按要求進(jìn)行分類匯總后，結(jié)合采購管理室反饋的供應(yīng)商的最小包裝規(guī)格、最小起訂量、銷售計量單位信息以及庫房反饋的庫存信息，在物資管理系統(tǒng)進(jìn)行采購計劃的制定；采購計劃流轉(zhuǎn)到采購員賬號下，執(zhí)行后續(xù)采購工作。

3 存在問題與未來發(fā)展趨勢

3.1 存在問題

通過對螺旋槳的修復(fù)再制造技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，雖然科研工作者做了大量的工作，無論是傳統(tǒng)的焊接、粘接以及現(xiàn)行的熱噴涂、冷噴涂技術(shù)都已經(jīng)過多次技術(shù)革新，并取得了巨大的進(jìn)步，但是依然存在著一些問題有待解決。

(1)修復(fù)層存在殘余熱應(yīng)力。殘余應(yīng)力易導(dǎo)致修復(fù)層發(fā)生自裂。

(2)高溫導(dǎo)致基體氧化或燒損。由于銅合金傳熱性較好，而且高溫時合金元素易被氧化、燒損，使其強(qiáng)度和塑性劇烈下降，脆性增加。

(3)修復(fù)層孔隙率高。在采用熱噴涂技術(shù)進(jìn)行修復(fù)時，熔融的顆粒在冷卻凝固時沒能做到完全填充，產(chǎn)生孔隙導(dǎo)致涂層硬度較低，耐磨性較差。

(4)修復(fù)層結(jié)合力低，附著力差，螺旋槳在高速運行時產(chǎn)生的振動等原因會導(dǎo)致修復(fù)層剝離失效。

(5)修復(fù)層表面粗糙度大，導(dǎo)致摩擦阻力增大，增加能耗與排放。

(6)設(shè)備體型龐大，靈活性差。噴涂修復(fù)設(shè)備普遍較為龐大，無法現(xiàn)場作業(yè)。

3.2 未來發(fā)展趨勢

為了解決目前在螺旋槳修復(fù)領(lǐng)域存在的一些問題，未來應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行相關(guān)研究工作。

(1)通過改進(jìn)工藝提高修復(fù)涂層的附著力，減少剝離失效的發(fā)生。

(2)通過與其他技術(shù)結(jié)合使用，降低修復(fù)層表面粗糙度。

(3)研發(fā)新型修復(fù)技術(shù)，降低或避免孔隙的產(chǎn)生。由于現(xiàn)行技術(shù)的工作機(jī)理導(dǎo)致孔隙的產(chǎn)生是無法完全杜絕的，所以可以通過研發(fā)新的修復(fù)技術(shù)避免這一問題。

(4)研發(fā)新型粘接劑，使其具有長效的黏著活性，避免膠體老化造成修復(fù)層脫落的問題。

(5)優(yōu)化噴涂設(shè)備，提高工作靈活性，使其能夠適應(yīng)各種工作環(huán)境。

4 結(jié)論

鉆井平臺螺旋槳直徑一般都在5 m以上，重達(dá)幾十噸，為了延長其服役時間，節(jié)約資源，需定期對其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，修復(fù)表面的腐蝕坑及裂紋。本文的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的修復(fù)技術(shù)或多或少都存在著一些問題，如焊接與熱噴涂導(dǎo)致材料氧化變性、存在殘余熱應(yīng)力、孔隙率高，以及粘接技術(shù)的膠體時效性差等問題。冷噴涂修復(fù)工藝雖然也存在一些問題，但是相對于其他修復(fù)技術(shù)來說已經(jīng)具備了較大的優(yōu)勢，所以在未來隨著工藝的不斷改進(jìn)，冷噴涂技術(shù)會具有較大的發(fā)展空間與良好的應(yīng)用前景。