高速船銅合金螺旋槳腐蝕缺陷分析

陳恒強

(中國船級社 鎮(zhèn)江辦事處，江蘇 鎮(zhèn)江 212008)

適用于沿海航區(qū)，采用雙機雙槳推進方式。

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，進而引發(fā)螺旋槳槳葉表面粗糙、線型改變、受力不均勻的問題，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，一直是船舶推進器的首選，其性能差異直接影響了船舶動力性能的高低[1]。雖然螺旋槳相對于整體船舶占比很小，但是作為船舶動力的核心部件，其腐蝕和海生物侵蝕造成的動力損失占總損失的三分之一，這樣會導(dǎo)致油耗增加、航速下降等問題，造成附加的經(jīng)濟損失[2]。為了盡可能地減少螺旋槳損壞來增加船舶整體的服役時間，更需要研究螺旋槳常見的腐蝕類型與解決辦法。

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

1 主要技術(shù)數(shù)據(jù)

本文涉及缺陷的螺旋槳用于國內(nèi)雙體商務(wù)高速艇，其主要參數(shù)為：船舶垂線間長19.00 m，型寬5.60 m，設(shè)計吃水1.50 m；主機功率298 kW×2，主機額定轉(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重。

2.1 空泡腐蝕

該螺旋槳為高速槳，當螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時，螺旋槳會帶動周圍的水體使其流速加快。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，因此螺旋槳周圍的水體各部分壓力會不均勻。水中溶有空氣，壓力降低時，空氣從水中析出，形成氣泡，且逐漸長大。當進入高壓區(qū)時，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，稱為空泡腐蝕[5]。

空泡破滅時，螺旋槳葉片表面所產(chǎn)生的脈沖壓力隨流速變化，實測值為0.98～98 MPa[6]。該壓力會直接破壞銅合金螺旋槳表面良好耐腐蝕性的惰性氧化膜。在實際情況中，從空泡產(chǎn)生至破滅的時間間隔為10-3～10-5s。因此，螺旋槳葉片表面受空泡腐蝕影響的部位會被空泡持續(xù)沖擊1 000次左右，使得葉片局部短時間內(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)邊及中間處形成嚴重的空泡腐蝕?？张莞g現(xiàn)象見圖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]，當材料表面有金屬失去電子變成離子進入海水溶液中時，金屬界面上就會形成許多的微型原電池，進而加速螺旋槳的電化學(xué)腐蝕過程。

圖1 螺旋槳葉背導(dǎo)邊及中間表面處形成嚴重的空泡腐蝕

從化學(xué)成分來看：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)過金屬表面，造成了金屬的損傷[9]。沖刷是一個材料損失或變形的力學(xué)過程，是由于固相顆粒沖擊材料表面導(dǎo)致的；腐蝕是一個化學(xué)反應(yīng)的過程，主要通過化學(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。當螺旋槳正常工作時，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

螺旋槳長時間浸泡在海水中，槳葉表面受到海洋生物的附著和污損，如藤壺、貝類、 牡礪等海生物粘附在葉片表面，見圖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。

海生物會使螺旋槳表面流體線型受到影響，嚴重阻礙螺旋槳正常運行。壺、貝類、 牡礪等會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程會產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，這些腐蝕性物質(zhì)會對螺旋槳表面產(chǎn)生影響。隨著時間的增加，也會腐蝕到螺旋槳內(nèi)部。

圖2 螺旋槳表面受海生物污損

3 螺旋槳產(chǎn)品檢驗的關(guān)注點

3.1 化學(xué)成分分析

銅合金螺旋槳化學(xué)成分應(yīng)符合中國船級社《材料與焊接規(guī)范》的要求，見表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，因為含有大量Al，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，鑄造時困難較大。另外，F(xiàn)e、Ni元素化學(xué)成分的范圍相對比較大。參考幾家優(yōu)秀螺旋槳廠的經(jīng)驗報告，化學(xué)成分中Fe/Ni的比值為0.95～1.00時，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

螺旋槳產(chǎn)品檢驗時，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，在制造螺旋槳的時候，核查上述數(shù)據(jù)是否滿足批準圖紙和標準要求，對于螺旋槳的耐空泡腐蝕性能至關(guān)重要。

3.3 無損檢測

無損檢測的目的是為了檢驗螺旋槳的表面質(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)品檢驗表面探傷時，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，必須進行打磨、焊補等處理。如果一開始螺旋槳產(chǎn)品檢驗不到位，忽視螺旋槳葉背的表面探傷質(zhì)量檢驗，營運初期的螺旋槳就可能出現(xiàn)嚴重腐蝕。

3.4 動平衡試驗

本文研究的螺旋槳用于雙體商務(wù)艇，螺旋槳檢驗時應(yīng)注意是否有動平衡試驗要求。檢驗人員不能僅查閱批準的螺旋槳圖紙，還要審核螺旋槳強度計算書等相關(guān)信息。該缺陷螺旋槳的批準圖紙上無螺旋槳轉(zhuǎn)速參數(shù)及動平衡的要求，但是核查螺旋槳強度計算書時，發(fā)現(xiàn)螺旋槳轉(zhuǎn)速為789.5 r/min，高于500 r/min(來自設(shè)計強度計算書的轉(zhuǎn)速值)的要求，應(yīng)該進行動平衡試驗。然而在產(chǎn)品檢驗時，螺旋槳并未進行動平衡試驗，更沒有考核各槳葉之間的平衡性。因此，當螺旋槳不符合性能要求時會產(chǎn)生嚴重的空泡腐蝕現(xiàn)象。

4 設(shè)計上的改進建議

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，盤面比0.56。根據(jù)“直徑+螺距=常數(shù)”進行螺距修正的基本理念[10]可知：對于同一艘船來說，選用不同設(shè)計的螺旋槳，其直徑和螺距的和為常數(shù)。該缺陷螺旋槳的盤面比太小，對高速船螺旋槳來說，是遠遠不足的[11]。而且，從螺距比來判斷，其螺旋槳直徑大小限制的過于緊湊。另外，參照其他高速船螺旋槳的基本參數(shù)(見表2)，在轉(zhuǎn)速值為607.7～1 121.0 r/min的螺旋槳設(shè)計中，其盤面比均為0.75，皆大于所研究的螺旋槳盤面比0.56。

由上述理論及經(jīng)驗證明：高速船螺旋槳的盤面比至少要達到0.75及以上。同時，適當增大螺旋槳的直徑，減小其螺距比，以達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)對于防止高速船螺旋槳出現(xiàn)空泡腐蝕的改進建議，如：增大螺旋槳直徑和盤面比，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的建議，須通過螺旋槳廠家采用數(shù)值方法模擬螺旋槳在艇后運轉(zhuǎn)的空泡情況再作進一步的驗證。