船體及螺旋槳的材料參考幻燈片

1、船體及螺旋槳材料的防腐與發(fā)展,一、船體材料,主要是金屬材料、無機(jī)非金屬材料和人工合成高分子材料三種 用量最多的是鋼、鑄鐵以及有色金屬中的鋼、鑄鐵、鋁、鈦、銅合金；碳鋼及高強(qiáng)度低合金鋼占據(jù)主流 非金屬材料中的木材、塑料、橡膠、涂料以及水泥、石棉，各種絕熱隔音等特種材料。,水泥,優(yōu)點(diǎn)：耐腐蝕性、抗振性、低溫性能優(yōu)良、造價(jià)低等特點(diǎn) 水泥用于造船已經(jīng)有一百多年的歷史，到20世紀(jì)70年代人們已經(jīng)開發(fā)出了鋼絲網(wǎng)水泥船、預(yù)應(yīng)力混凝土船、大噸位混凝土工程船舶。 主要用于：漁船、小型船舶、海洋平臺、大型液化氣船 （1）鋼筋混凝土船 （2）鋼絲網(wǎng)水泥船 （3）預(yù)應(yīng)力混凝土船 美國66000T液化石油氣-預(yù)應(yīng)力混凝

2、土駁船,鋼鐵,19世紀(jì)末出現(xiàn)了鐵船，但很快被各種性能更佳的鋼船取代。 低碳鋼和高強(qiáng)度鋼：至今一直是大型船舶結(jié)構(gòu)的常用材料。 缺點(diǎn)：抗腐蝕性差，須定期塢修,鋁合金,純鋁的強(qiáng)度、硬度低，工業(yè)上應(yīng)用不多 鋁銅合金：腐蝕嚴(yán)重 鋁鎂合金：優(yōu)點(diǎn)多 密度小(2.52.88) 強(qiáng)度高(可達(dá)490590MPa) 良好的塑性、易加工性、耐腐蝕 ，無需定期 涂漆維護(hù)等。 低溫性能良好：沒有低溫脆性，可用于低溫工 作的船舶結(jié)構(gòu)。如英國曾用于沼氣運(yùn)輸船的沼 氣艙。,玻璃纖維增強(qiáng)塑料,即玻璃鋼，40年代玻璃鋼開始用于造船。 (1) 優(yōu)點(diǎn)： 比重小、耐腐蝕性好、 表面光滑?？蓽p小阻力、增加航速，具有良好的抗磁、隔音、電絕緣

3、性能、不反射雷達(dá)波等特點(diǎn)，被廣泛地用于小型船舶，尤其是各類軍用和民用快艇。 (2) 缺點(diǎn)：彈性模量較小，剛性不足，船體變形較大， 不適合造尺度較大的船舶。,二、船體的防腐,目前，大多數(shù)船舶都采用金屬外殼。而金屬在海洋環(huán)境中，受海水溫度、海水含鹽度、海洋大氣溫度、海洋大氣濕度的影響，腐蝕程度很嚴(yán)重，腐蝕不僅降低了船舶鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，縮短了船舶的使用壽命，同時(shí)還會使航行阻力增加，航速降低，影響使用性能。更為嚴(yán)重的是，一旦出現(xiàn)穿孔或開裂，還會導(dǎo)致海損事故的發(fā)生，造成驚人的損失。這已引起國內(nèi)外防腐專家的極大關(guān)注，并積極研究探索解決金屬腐蝕的各種防護(hù)技術(shù)方法和措施。,合理選材,材料的選擇是我們首選要考慮的

4、，好的選材能為我們的防腐帶來很大的便利。船舶的選材要考慮很多，要考慮其力學(xué)性能、熱性能、密度、防腐性能等?，F(xiàn)在越來越多的新材料被應(yīng)用到船舶上。這些新材料有：碳素鋼、合金鋼、復(fù)合材料等。,表面保護(hù),表面保護(hù)主要是表面涂上一層保護(hù)膜。目前，船舶涂料的品種有： 水線涂料、船殼涂料、甲板涂料、油艙涂料、飲水艙涂料、壓載 水艙涂料、防污涂料等。 船舶用防腐蝕涂料的防蝕機(jī)理： (1)涂膜對腐蝕介質(zhì)的屏蔽作用。當(dāng)涂料在金屬表面形成連續(xù)的涂膜以后，可以將金屬和腐蝕介質(zhì)隔離開。根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，如果能完全將腐蝕介質(zhì)、氧氣隔離，不和金屬接觸，就可以避免金屬的腐蝕13。 (2)涂膜的陰極保護(hù)作用。有機(jī)高分子聚合物

5、一般都是絕緣體，如果在成膜物質(zhì)中加入能成為犧牲陽極材料的金屬顏料，當(dāng)金屬顏料和金屬表面直接接觸，有腐蝕介質(zhì)滲入后，金屬顏料被腐蝕，可以保護(hù)金屬。例如富鋅底漆中的顏料為金屬鋅的粉末，將其涂刷在鋼板上時(shí)，鋅可作為犧牲陽極14。 (3)涂料的陽極鈍化和緩蝕作用在涂料中含有水溶性顏料，當(dāng)水滲入涂膜后，顏料溶解會起到緩蝕作用，或使金屬表面鈍化的作用。,陰極保護(hù)法,對于船舶中與海水直接接觸的部位，采用比鋼鐵的電極電位更低的金屬或合金與鋼鐵船體電性連接，使其在整體上成為陰極；或給鋼鐵船體不斷地加上一個(gè)與鋼鐵腐蝕時(shí)產(chǎn)生的腐蝕電流方向相反的直流電，同樣可使其在整體上成為陰極，并且得到極化，便可使鋼鐵船體免受腐蝕

6、，即得到保護(hù)，對于這樣的保護(hù)措施，稱之為船舶的陰極保護(hù)。對于船舶的陰極保護(hù)來說，主要有犧牲陽極保護(hù)和外加電流保護(hù)兩種。,(1)犧牲陽極保護(hù)技術(shù),犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)是通過在船體外表面安裝充當(dāng)陽極的被犧牲掉的金屬塊，以保護(hù)作為陰極的船體鋼板不被腐蝕。犧牲陽極陰極保護(hù)是船舶浸水部分最有效的、應(yīng)用廣泛的方法之一，所采用的陽極材料電化學(xué)性能的好壞是犧牲陽極陰極保護(hù)水平的技術(shù)關(guān)鍵。目前，船體使用的犧牲陽極有鋅鋁鎘三元合金(稱為三元鋅犧牲陽極)、高效鋁合金陽極、鐵合金陽極等。,(2)外加電流保護(hù)技術(shù),外加電流陰極保護(hù)技術(shù)是將犧牲陽極保護(hù)中的犧牲陽極塊更換成只起導(dǎo)電作用而不溶解的輔助陽極，在陽極和鋼板之間加

7、一直流電源，并通過海水構(gòu)成回路。電源向鋼板輸入保護(hù)電流，使鋼板成為陰極而得到保護(hù)。該外加電流保護(hù)系統(tǒng)由恒電位儀也就是外加電源、參比電極、不溶性輔助陽極構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)使船體電位始終保持在保護(hù)電位范圍內(nèi)。外加電流保護(hù)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于船舶殼體的腐蝕保護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)保護(hù)壽命長、電位、電流可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，但目前仍存在可靠性和經(jīng)濟(jì)性較差等缺點(diǎn)，未來的發(fā)展趨勢是通過在恒電位儀的可靠性、輔助陽極的排流量、參比電極的長期穩(wěn)定性等方面的改進(jìn)，提高外加電流系統(tǒng)的可靠性和降低保護(hù)費(fèi)用，并進(jìn)一步延長保護(hù)年限。,三、船用螺旋槳材料,螺旋槳是艦船的一個(gè)重要部件。采用什么材料制造螺旋槳對它的工作性能影響很大。長期以來船用螺

8、旋槳材料多選用銅合金,其中鎳鋁青銅又是首選材料。其原因主要是:(1)銅合金的耐腐蝕性好,基本上可滿足海水中螺旋槳的使用要求;(2)銅合金的熔點(diǎn)低,便于熔煉和鑄造,鑄件不需要進(jìn)行熱處理,經(jīng)加工便可使用。目前國內(nèi)常用錳黃銅(ZHMn55-3-1)、鋁錳黃銅(ZHAI 67-5-2-2)和錳鋁青銅(ZQAI 12-8-3-2),其中錳鋁青銅的綜合性能比錳黃銅和鋁錳黃銅優(yōu)異。后續(xù)發(fā)展的更多型號不銹鋼材料，對螺旋槳整體性能得到很大提高。并且，人們也沒有停止對輪船螺旋槳用更新材料和性能的探索。,鎳鋁青銅,鎳鋁青銅具有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕開裂、耐腐蝕疲勞、耐空泡腐蝕、耐沖蝕和抗海生物污損等性能。鎳鋁青銅在耐海水

9、腐蝕疲勞方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過不銹鋼和黃銅,比錳青銅還好;在耐沖蝕方面也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于黃銅,耐空泡腐蝕性能格外好。鎳鋁青銅耐海水均勻腐蝕、空泡腐蝕和腐蝕疲勞的性能與超級雙相不銹鋼相當(dāng),在海水中不發(fā)生點(diǎn)蝕,不發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂,其強(qiáng)度與奧氏體不銹鋼相當(dāng),經(jīng)熱處理后可與雙相不銹鋼媲美。鎳鋁青銅還具有優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能,良好的耐磨損性能、焊接性能,且價(jià)格低廉。鑄造鎳鋁青銅的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鑄造超級雙相不銹鋼或超級奧氏體不銹鋼。因此從價(jià)格與腐蝕性能角度考慮,鎳鋁青銅完全能夠滿足海水管系的需要,且應(yīng)用范圍還在逐漸擴(kuò)大。主要用在船用螺旋槳、大型泵用葉片、緊固件、海水管件、消防龍頭、閥、海水淡化裝置等。 但鎳鋁青銅有兩個(gè)

10、主要缺點(diǎn)：一、是在污染海水中耐腐蝕性能下降。二、是對選相腐蝕比較敏感。,四、螺旋槳用不銹鋼的發(fā)展,長期以來船用螺旋槳材料多選用銅合金,其中鎳鋁青銅又是首選材料。其由于銅合金材料強(qiáng)度的大幅度提高受到限制,隨著船舶的大型化和單軸功率的增大,迫切需要開發(fā)強(qiáng)度更高的螺旋槳材料。此外,近年來港灣和江河水域的海水污染加劇,銅合金螺旋槳的耐蝕性能也開始出現(xiàn)問題。因工業(yè)廢水和城市污水的排放,使海水中的有機(jī)物大量增加,導(dǎo)致厭氣性硫酸鹽還原菌大量繁殖。海水中的硫酸鹽被還原后產(chǎn)生了對銅合金具有強(qiáng)烈腐蝕作用的硫離子。因此,銅合金螺旋槳因這種腐蝕所造成的破壞常有發(fā)生,甚至僅使用數(shù)日螺旋槳表面便發(fā)黑且粗糙不堪。 取代銅合

11、金的不銹鋼螺旋槳材料便成為螺旋槳材料開發(fā)的新方向。,13%Cr和18%Cr鋼,13%Cr鋼是最早用于螺旋槳的馬氏體型不 銹鋼 ,名義成分為13Cr21Ni21Mo。這種鋼在海 水中有良好的耐蝕性,在0的海水中不會產(chǎn)生間隙腐蝕和點(diǎn)蝕,非常適用于冰區(qū)航行的船舶螺旋槳,北歐各國和前蘇聯(lián)已大量采用此鋼。但是,這種不銹鋼在含中性鹽類的海水中使用耐蝕性不佳,有產(chǎn)生間隙腐蝕和點(diǎn)蝕的傾向。此外,這種鋼鑄件必須進(jìn)行固熔熱處理,給整體鑄造螺旋槳的生產(chǎn)帶來困難。 18%Cr鋼屬于鐵素體型不銹鋼 ,在退火狀 態(tài)下使用。由于其強(qiáng)度不高,尤其是腐蝕疲勞強(qiáng)度較低,這是使用中的致命缺點(diǎn)。,MCF不銹鋼,MCF不銹鋼 MCF(

12、MitsubishiCupro2Ferrousalloy)不銹鋼 是日本三菱重工開發(fā)的在污染海水環(huán)境下使用的 螺旋槳材料 。在確定成分時(shí),為保證對污染海水的耐蝕性,添加了必要的鉻,以形成鈍態(tài)膜;為防止局部腐蝕的發(fā)生和發(fā)展,添加了必要的鎳、錳和鉬。 MCF不銹鋼具有以下特點(diǎn): (1)MCF的靜態(tài)強(qiáng)度與高強(qiáng)度黃銅大體相當(dāng),但作為螺旋槳設(shè)計(jì)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)腐蝕疲勞強(qiáng)度和抗空泡剝蝕性卻與鎳鋁青銅一樣。 (2)MCF的熔點(diǎn)較一般鑄鋼都低,固相溫度為1270,液相溫度為1325,因此便于熔煉和鑄造。 采用現(xiàn)有的熔銅中頻或工頻感應(yīng)電爐便可 生產(chǎn),而且鑄造狀態(tài)也可保持其力學(xué)性能和腐蝕疲勞強(qiáng)度。 MCF不銹鋼適用

13、于一般商船螺旋槳,并以中、小槳為主。到1974年止,已有100多只槳裝船使用,未曾出現(xiàn)任何事故。, MSS不銹鋼,MSS(MitsubishiSpecialSteel)不銹鋼是三菱重工開發(fā)的用于大型螺旋槳的高強(qiáng)度特殊鋼 。 MSS不銹鋼作為螺旋槳材料有如下優(yōu)點(diǎn):(1)由于強(qiáng)度高,在設(shè)計(jì)條件相同的情況下,MSS不銹鋼螺旋槳的重量較輕,僅為鎳鋁青銅的70%左右,從而使船尾軸承的故障大為減少。 (2)因強(qiáng)度高,槳葉的葉片厚度減薄,與鎳鋁 青銅相比,其效率提高1%3%。 (3)可制造薄葉化和多葉化的螺旋槳,減輕了槳的振動,降低了噪聲。 (4)采用焊接組合的方法,可制造出大型螺旋槳。 用MSS鋼制造的直

14、徑為1830mm的4葉槳,已安裝使用在長崎造船所的“Hiyodori2Maru”船上。為獲得大型槳的制造經(jīng)驗(yàn),用焊接組合的方 法,試制了一只直徑達(dá)5.7m的大型螺旋槳,并已投入使用。,不銹鋼螺旋槳材料的優(yōu)點(diǎn)：,隨著船舶的大型化、高速化和海水污染的加 劇,不銹鋼作為螺旋槳材料似乎是一種趨勢。不銹鋼作為螺旋槳材料的優(yōu)點(diǎn)如下: (1)可以高強(qiáng)度化。在相同的設(shè)計(jì)條件下,螺旋槳的重量與銅合金相比可大幅度減少,防止船尾軸承磨損,減少槳的轉(zhuǎn)動慣量。 (2)由于強(qiáng)度高,有利于大側(cè)斜槳的設(shè)計(jì)。葉片可以減薄,并可制成多葉槳,不僅使螺旋槳的推進(jìn)效率提高,而且減少了槳的振動,降低了噪聲。 (3)由于腐蝕疲勞強(qiáng)度和抗空泡剝蝕性能是銅合金的幾倍甚至十幾倍,使槳的壽命得以提高,特別是在污染海水中,不銹鋼更有優(yōu)勢。 (4)采用單葉片分別鑄造,再進(jìn)行焊接組合可制造超大型螺旋槳。日本大型油船“日石”號所用的直徑11m的螺旋槳便是一例。,不銹鋼螺旋槳材料的缺點(diǎn),總體來說,不銹鋼螺旋槳的制造要比銅合金的困難得多。(1)不銹鋼的熔點(diǎn)比銅合金高得多,用于銅合金的造型材料不能用于不銹鋼,必須采用耐火度更高的諸如鉻鐵礦砂等耐火材料。對于含Mn高的不銹鋼,如MCF鋼,因鋼水會與石英砂起反應(yīng)造成