半潛式鉆井平臺螺旋槳修復技術的應用研究進展

王坤坤，王守仁，楊學峰，楊麗穎

(濟南大學機械工程學院，山東 濟南 250022)

推進器是半潛式鉆井平臺動力定位系統的關鍵部分，由于惡劣的工作環境，不僅面臨著高速運行所導致的空泡腐蝕，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性能，并增大螺旋槳的表面粗糙度，導致阻力增大，性能降低，油耗及排放增大，因此，對螺旋槳的修復再制造技術一直是人們研究的重點[2]。早在19世紀出現并沿用至今的焊接修復技術以及20世紀50年代傳入我國的熱噴涂等技術，都在螺旋槳修復再制造領域產生了深遠的影響，并得到廣泛的應用。但這些修復技術也存在著諸多的缺陷，如工作高溫造成的材料氧化變性、修復層應力集中等，嚴重影響修復層的力學性能以及防護效果。另外，粘接修復技術也不容忽視。英國于1943年首先將金屬膠粘技術應用于航空領域，該技術自1958年傳入我國以來，經過快速的發展，已經應用到多個領域。1994年趙學志[3]采用粘接技術制備螺旋槳修復層，雖然解決了焊接、熱噴涂等修復技術工作溫度高的問題，但是由于膠體的老化導致的連接強度不足，在運行過程中容易引發整片材料脫落，不可控性太強，沒有得到廣泛應用。冷噴涂技術問世于20世紀80年代，該技術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]。科學家們經過不懈的努力，對冷噴涂技術進行改良優化，并將其應用于螺旋槳修復涂層的制備[6-9]。本文綜述了半潛式鉆井平臺螺旋槳修復技術的應用研究進展，以期為今后的平臺螺旋槳修復再制造工作提供參考依據。

1 螺旋槳常見腐蝕形式

半潛式鉆井平臺通常在深海作業。深海水文結構復雜，海洋生物的種類及活性都遠超近海水域，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，使其周圍產生空當，海水來不及填補，導致壓力變的不均勻，引起氣泡的快速產生和破滅，而且這一過程時刻發生。氣泡破滅時產生微噴射，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]?？张莞g的危害主要表現在以下3個方面：(1)低壓區形成的空泡伴隨著水流到高壓區的舵葉及螺旋槳葉面會發生閉合爆裂，產生強烈沖擊，導致螺旋槳振動和巨大噪聲；(2)螺旋槳葉片上產生的空泡會改變水流形態，降低螺旋槳的推進效率，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凹坑，葉片更容易剝蝕和污損[12]。

1.2 電化學腐蝕

除了空泡腐蝕，螺旋槳常見的腐蝕形式還有電化學腐蝕[13]。通常情況下電化學腐蝕是金屬在電解質溶液中發生的原電池反應[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腐蝕主要是銅合金與海水中的鹵素離子發生一系列電化學反應產生縫隙、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腐蝕還是以銅與鹵素離子的反應為主。

1.3 海洋生物污損

電化學腐蝕與空泡腐蝕是一個緩慢漸變的過程，短期內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]研究發現，對于海洋中的固定建筑來說，海洋生物淤積可能導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狀態，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地不斷生長擴大污損[17]。近年來，隨著人類社會活動的不斷加劇，生活及工業廢料不斷地污染海洋，大量的氮、磷等營養鹽由沿海地區排入，導致海洋環境惡化，海洋中污損生物的繁殖能力越來越強，速度也越來越快[18]。海生物污損的危害體現在以下3個方面：(1)降低螺旋槳推進效率，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生振動，并發出噪音[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性能[1]。

2 修復技術應用研究進展

螺旋槳主要的失效形式有兩種：一種是由空泡腐蝕、電化學腐蝕以及某些能夠分泌腐蝕液的生物導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生的腐蝕坑和清理時產生的沖擊坑或裂紋，所以兩者的修復方式一樣，都是對裂紋及腐蝕坑進行修復。修復技術已由當初單一的焊接發展到后來的粘接技術，再到現在的熱噴涂、冷噴涂等多種增材型修復技術并存的局面。

2.1 焊接修復技術研究

焊接修復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行修復[24-26]。通常情況下使用堆焊、補焊來實現修復，其中堆焊技術主要是對腐蝕坑進行修復，而補焊技術主要是對腐蝕裂紋的修復。周權[27]通過等離子堆焊技術對金屬表面進行焊接實驗，發現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行激光堆焊研究，發現激光堆焊技術可以精確地控制送粉量和焊層的梯度成分，獲得結合牢固、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備對螺旋槳進行焊接修復，發現修復層結合強度高，且熱影響區較小。焊接時通常需要高溫溶解材料，但是高溫通常會導致材料或基體發生氧化。為了解決這一問題，陳愛國[30]采用氬弧焊修復工藝對螺旋槳表面裂紋進行修復，在焊接過程中采用惰性氣體對焊接過程進行保護，防止在焊接過程中由于高溫導致的氧化現象，取得了較好的成果。焊接過程通常伴隨著高溫，而焊接時易產生應力集中，在高溫應力作用下螺旋槳葉片易發生變形。蘭現卿等[31]通過對焊接技術及特點的研究，認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。

經過百年的發展，雖然焊接技術已經相當成熟，而且工藝種類繁多，但是由于其工作機理導致焊接修復技術始終存在著無法克服的缺陷，如高溫導致的氧化變性、焊接層應力集中、存在熱影響區等等。而且這些缺陷通常會導致修復層脆性增大、塑性降低并再次出現裂紋，甚至會導致修復層產生氣孔夾渣等缺陷。另外，焊接工藝復雜，勞動強度大，對焊工的素質要求也非常高，且施工周期長[3]。

2.2 粘接修復技術研究

粘接技術就是通過特殊的膠體將材料黏著到受損基體表面，并經過打磨使其恢復平整光滑的一種修復再制造技術。對于螺旋槳的修復再制造來說，粘接技術使用不是特別的廣泛。長航工農兵船廠在修理“東方紅40號”輪船時,使用環氧粘接劑修復了腐蝕穿孔的鑄鐵螺旋槳葉片,經過兩年的實踐考驗后發現其性能良好，這是由于環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]。趙學志[3]采用瑞士的MECATEC10對螺旋槳進行粘接修復，首先使用潔凈的棕剛玉或銅礦砂,粒度在20目以上,對氣蝕面進行噴砂處理；然后使用MECATEC10將與基體材料相同的顆粒進行粘接，但是在使用MECATEC10之前需在待修復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，所以粘接修復不會出現類似于焊接工藝導致的材料氧化、修復層存在熱影響區等缺陷。

使用初期，簡單高效的粘接修復技術受到人們廣泛的關注，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，經過長期的使用觀察發現，粘接技術適用于表面裂紋的修復，但是難以對幾何性能進行修復，復合材料補片與母體材料之間相容性差、會引入殘余應力，且修復后無法對其進行陽極化、電鍍等后續表面處理[33]。另外，粘接技術容易出現膠體老化，導致連接強度不足、耐沖擊性減弱，而且在運行過程中容易引發整片材料脫落，不可控性太強，所以沒有得到廣泛應用。

2.3 熱噴涂修復技術研究

熱噴涂是將材料加熱至熔融或半熔狀態，然后噴涂到基體表面制備涂層的再制造方式[34]。自20世紀初Schoop發明火焰噴涂以來，先后出現了電弧噴涂、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，并且廣泛應用于各行各業[35]。相比于焊接修復技術，熱噴涂不但可以修復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，減少修復工序，降低成本。加拿大標準協會確認熱噴涂制備的鋅或鋁涂層可以給予鋼鐵構件預期 40 年的保護壽命[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制備Cu95粉末修復涂層，經過抗拉強度試驗和海水腐蝕試驗研究發現，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涂層進行研究分析，發現涂層均勻致密、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行修復。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制備的鋁涂層，發現涂層致密均勻起到很好的機械隔絕作用，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，降低了電化學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制備的3Cr13進行研究分析，發現涂層具有優良的耐磨、耐腐蝕性能，但是本文并未對涂層孔隙率進行研究，無法確定涂層的隔絕性和致密性。

熱噴涂修復工藝與焊接技術的區別在于，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，然后進行噴涂，這一過程極易導致材料發生氧化變性，同時會導致晶粒粗大。尤其是在螺旋槳修復中通常會填入防污抗腐蝕材料，而熱噴涂導致的氧化問題會使涂層的防污抗腐蝕性能大大降低。研究發現，熱噴涂涂層組織不夠均勻，性能不穩定，容易造成基體的熱損傷，而且附著力較差[41-42]。

2.4 冷噴涂修復技術研究

作為一種新型的修復再制造技術，冷噴涂不需要對材料進行加熱，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，經過拉法爾噴嘴加速之后，以固氣雙向流的狀態噴射到基體上。由于其速度較快，固體顆粒發生嚴重的塑性變形，因而沉積在基體表面形成修復涂層[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生氧化和熔化，涂層對基體的熱影響較小，降低了修復后產生的熱應力；涂層間的應力較低，可以更加快速、高效地制備致密的金屬修復涂層；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，發現冷噴涂制備的涂層致密度良好。Silva等[47]利用冷噴涂技術在碳鋼基體上制備了Al-Al2O3復合涂層，經過試驗研究發現，涂層結構致密，具有良好的抗鹽霧腐蝕能力，在高濃度的鹽霧環境下可抵抗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涂層的結合強度、孔隙率、沉積行為進行研究，發現結合強度平均值達到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，結構均勻美觀。肖正濤等[49]通過對冷噴涂制備的鉻鋯銅涂層進行研究，發現涂層致密、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行試驗研究，發現涂層十分致密，且無孔隙及裂紋，涂層的孔隙率平均為 0.4%，結合強度在40 MPa 左右。由此可見，冷噴涂修復技術在螺旋槳修復領域具有良好的應用前景。

不可否認，相對于現行的修復再制造技術，冷噴涂具有很大的優勢。但是，其缺點也不容忽視。冷噴涂設備的噴嘴通常被安裝在機械手臂上，還需要空氣壓縮機、空氣過濾器、加熱器、控制柜等復雜的設備配置，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，冷噴涂設備的小型化是目前的研究重點。

（2）后期，進入產品定型后，車間需求單位按照原來的《標準件匯總表管理規定》、《材料定額管理規定》的要求，提請《定額表》并經制造工程部審批完成后，由車間需求人員將定額表復印一份提交計劃管理室，計劃員將各類需求信息按要求進行分類匯總后，結合采購管理室反饋的供應商的最小包裝規格、最小起訂量、銷售計量單位信息以及庫房反饋的庫存信息，在物資管理系統進行采購計劃的制定；采購計劃流轉到采購員賬號下，執行后續采購工作。

3 存在問題與未來發展趨勢

3.1 存在問題

通過對螺旋槳的修復再制造技術的研究發現，雖然科研工作者做了大量的工作，無論是傳統的焊接、粘接以及現行的熱噴涂、冷噴涂技術都已經過多次技術革新，并取得了巨大的進步，但是依然存在著一些問題有待解決。

(1)修復層存在殘余熱應力。殘余應力易導致修復層發生自裂。

(2)高溫導致基體氧化或燒損。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，使其強度和塑性劇烈下降，脆性增加。

(3)修復層孔隙率高。在采用熱噴涂技術進行修復時，熔融的顆粒在冷卻凝固時沒能做到完全填充，產生孔隙導致涂層硬度較低，耐磨性較差。

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

(5)修復層表面粗糙度大，導致摩擦阻力增大，增加能耗與排放。

(6)設備體型龐大，靈活性差。噴涂修復設備普遍較為龐大，無法現場作業。

3.2 未來發展趨勢

為了解決目前在螺旋槳修復領域存在的一些問題，未來應從以下幾個方面進行相關研究工作。

(1)通過改進工藝提高修復涂層的附著力，減少剝離失效的發生。

(2)通過與其他技術結合使用，降低修復層表面粗糙度。

(3)研發新型修復技術，降低或避免孔隙的產生。由于現行技術的工作機理導致孔隙的產生是無法完全杜絕的，所以可以通過研發新的修復技術避免這一問題。

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

(5)優化噴涂設備，提高工作靈活性，使其能夠適應各種工作環境。

4 結論

鉆井平臺螺旋槳直徑一般都在5 m以上，重達幾十噸，為了延長其服役時間，節約資源，需定期對其進行維護保養，修復表面的腐蝕坑及裂紋。本文的研究發現，現行的修復技術或多或少都存在著一些問題，如焊接與熱噴涂導致材料氧化變性、存在殘余熱應力、孔隙率高，以及粘接技術的膠體時效性差等問題。冷噴涂修復工藝雖然也存在一些問題，但是相對于其他修復技術來說已經具備了較大的優勢，所以在未來隨著工藝的不斷改進，冷噴涂技術會具有較大的發展空間與良好的應用前景。