船體及螺旋槳材料

1、船體及螺旋槳材料的防腐與發(fā)展一、船體材料1.主要是金屬材料、無機非金屬材料和人工合成高分子材料三種2.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；碳鋼及高強度低合金鋼占據(jù)主流3.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l(xiāng)優(yōu)點：耐腐蝕性、抗振性、低溫性能優(yōu)良、造價低等特點l水泥用于造船已經(jīng)有一百多年的歷史，到20世紀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。l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)力混凝土駁

2、船鋼鐵1.19世紀末出現(xiàn)了鐵船，但很快被各種性能更佳的鋼船取代。2.低碳鋼和高強度鋼：至今一直是大型船舶結(jié)構(gòu)的常用材料。3.缺點：抗腐蝕性差，須定期塢修鋁合金純鋁的強度、硬度低，工業(yè)上應(yīng)用不多 1.鋁銅合金：腐蝕嚴重2.鋁鎂合金：優(yōu)點多 密度小(2.52.88) 強度高(可達490590MPa) 良好的塑性、易加工性、耐腐蝕 ，無需定期 涂漆維護等。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輸船的沼 氣艙。玻璃纖維增強塑料即玻璃鋼，40年代玻璃鋼開始用于造船。(1) 優(yōu)點：l比重小、耐腐蝕性好、l表面光滑。可減小阻力、增加航速，具有良好的抗磁、隔音、電絕緣性能、

3、不反射雷達波等特點，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：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，腐蝕程度很嚴重，腐蝕不僅降低了船舶鋼結(jié)構(gòu)的強度，縮短了船舶的使用壽命，同時還會使航行阻力增加，航速降低，影響使用性能。更為嚴重的是，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，好的選材能

4、為我們的防腐帶來很大的便利。船舶的選材要考慮很多，要考慮其力學性能、熱性能、密度、防腐性能等。現(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。表面保護表面保護主要是表面涂上一層保護膜。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理：(1)涂膜對腐蝕介質(zhì)的屏蔽作用。當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)涂膜的陰極保護作用。有機高分子聚合物一般都是絕緣體，如果在成膜

5、物質(zhì)中加入能成為犧牲陽極材料的金屬顏料，當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，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與鋼鐵腐蝕時產(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，即得到保護，對于這樣的保護措

6、施，稱之為船舶的陰極保護。對于船舶的陰極保護來說，主要有犧牲陽極保護和外加電流保護兩種。(1)犧牲陽極保護技術(shù) 犧牲陽極陰極保護技術(shù)是通過在船體外表面安裝充當陽極的被犧牲掉的金屬塊，以保護作為陰極的船體鋼板不被腐蝕。犧牲陽極陰極保護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性能的好壞是犧牲陽極陰極保護水平的技術(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)外加電流保護技術(shù) 外加電流陰極保護技術(shù)是將犧牲陽極保護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一直流電源，并通過海水構(gòu)成回路。電

7、源向鋼板輸入保護電流，使鋼板成為陰極而得到保護。該外加電流保護系統(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。整個系統(tǒng)使船體電位始終保持在保護電位范圍內(nèi)。外加電流保護技術(shù)越來越多地應(yīng)用于船舶殼體的腐蝕保護，其優(yōu)點是設(shè)計保護壽命長、電位、電流可調(diào)節(jié)性強，但目前仍存在可靠性和經(jīng)濟性較差等缺點，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，提高外加電流系統(tǒng)的可靠性和降低保護費用，并進一步延長保護年限。三、船用螺旋槳材料 螺旋槳是艦船的一個重要部件。采用什么材料制造螺旋槳對它的工作性能影響很大。長期以來船用螺旋槳材料多選用銅合金,其中鎳鋁青銅又

8、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)銅合金的熔點低,便于熔煉和鑄造,鑄件不需要進行熱處理,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。鎳鋁青銅在耐海水腐蝕疲勞方面遠遠超過不銹鋼和黃銅,比錳

9、青銅還好;在耐沖蝕方面也遠遠高于黃銅,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,在海水中不發(fā)生點蝕,不發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂,其強度與奧氏體不銹鋼相當,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,且價格低廉。鑄造鎳鋁青銅的價格遠遠低于鑄造超級雙相不銹鋼或超級奧氏體不銹鋼。因此從價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。 但鎳鋁青銅有兩個主要缺點：一、是在污染海水中耐腐蝕性能

10、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。 取代銅合金的不銹鋼螺旋槳材料便成為螺旋槳材料開發(fā)

11、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)生間隙腐蝕和點蝕的傾向。此外,這種鋼鑄件必須進行固熔熱處理,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。由于其強度不高,尤其是腐蝕疲勞強度較低,這是使用中的致命缺點。MCF不銹鋼 MCF不銹鋼 MCF(MitsubishiCupro2Ferrou

12、salloy)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,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: (1)MCF的靜態(tài)強度與高強度黃銅大體相當,但作為螺旋槳設(shè)計應(yīng)力標準的動態(tài)腐蝕疲勞強度和抗空泡剝蝕性卻與鎳鋁青銅一樣。 (2)MCF的熔點較一般鑄鋼都低,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)也可保持其力學性能和腐蝕疲勞強度。 MCF不銹鋼適用于一般商船螺旋槳,并以中、小槳為主。到197

13、4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度特殊鋼 。 MSS不銹鋼作為螺旋槳材料有如下優(yōu)點:(1)由于強度高,在設(shè)計條件相同的情況下,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鋼制造的直徑為1830mm的4葉槳,已安裝使用在長崎造船

14、所的“Hiyodori2Maru”船上。為獲得大型槳的制造經(jīng)驗,用焊接組合的方 法,試制了一只直徑達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： 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)點如下: (1)可以高強度化。在相同的設(shè)計條件下,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)由于強度高,有利于大側(cè)斜槳的設(shè)計。葉片可以減薄,并可制成多葉槳,不僅使螺旋槳的推進效率提高,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 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,