测试海洋污损生物附着强度的动态模拟试验装置

蔡卫国，汪静，迟建卫，唐茂勇

(1.大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁大连116023;2.大连海洋大学理学院，辽宁大连116023)

在海洋资源的开发和利用过程中，海水的腐蚀问题和海洋生物的附着污损问题一直是人类面临的两大难题。海洋污损生物也称海洋附着生物，是生长在船舶等海洋水下设施表面的动物、植物和微生物的总称，如藤壶、藻类、菌类、贝类等。海洋生物的附着会增加船舶航行的阻力，堵塞冷却管道，加速船体腐蚀等。当船舶生物污损率为5%时，摩擦系数增加50%，燃料消耗增加40%～50%，全世界每年仅生物污损给各种海洋工程设施和船舶设备造成的损失可达数十亿美元［1－5］。目前，为了减少污损生物的附着量，通常是在船体上涂抹防污材料，而防污材料性能的好坏直接影响防污效果。本研究中，作者设计了一套测试防污材料性能的动态模拟实验装置，真实地模拟了船舶航行中的实际工况，可以对多种防污材料进行动态的冲刷和剪切试验，从而更加准确地评价防污材料的防污性能。

1 防污材料性能的评价方法

对防污材料性能的评价通常有两种方法:一是传统的物理化学评价方法，二是用模拟实验装置在实验室条件下进行测试的方法。

传统的物理化学评价方法有两种:一种是通过测定防污材料的有效成分渗出率，间接反映防污性能，如图1所示。朱素兰等［6］利用直流电源的两个惰性电极使防污涂层产生高浓度氯，以驱赶或杀死附着生物，该方法只适用以“毒料”渗出为防污手段的防污涂层的评价，不适用于以涂层表面特殊性能为防污手段的防污涂层评价。另一种是在港口、码头等建立试验基地，在海水里悬挂试板，通过测试污损生物的附着情况直接评价其防污性能。该方法试验周期长，风险高。以上方法均是在静态下对防污涂层的附着情况进行评价，与船舶的动态航行工况不符。

图1 涂层渗出装置Fig.1 The device of coat exuding

Trentin等［7］设计了一套实验室条件下测试防污涂层性能的动态模拟试验装置 (图2)，将试样固定在方形支架外壁上并放入水池中，水池与支架间有足够的间隙供水流流动，通过旋转的叶轮搅动水流，冲刷带有防污涂层的试样，定期检测污损生物的附着情况，进而评价防污涂层的性能。此装置的不足之处是因水流速度的大小和方向不稳定，无法定量地测试水流速度与附着量之间的关系。

Schultz等［8］设计了一种测定污浊有机体黏合强度的迳流装置 (图3)。该装置由放射状的流动室、薄片状的水流通道和循环水路组成，测试段通道截面为矩形，有严格的横纵比要求。将试样固定在通道上下两面，通道内高速流动的水流冲刷试样表面的污浊有机体，水流的压力由数字压力表测得，水流的速度由流速表测定。该装置的缺点是水流速度不稳定，易生成紊流，影响测试效果。

图2 测试防污涂层附着的试验装置Fig.2 An accelerated aging tank

图3 测定污浊有机体黏合强度的迳流装置Fig.3 Schematic diagram of the turbulent device of adhesion strength in microfouling organisms

2 试验装置样机

本研究中，作者设计了一种在实验室条件下测试海洋污损生物附着强度的动态模拟试验装置，实物样机见图4，其工作原理见图5。该装置由底座、支架、试样及固定架、压力传感器、搅动机构、变频器和海水循环系统组成。定量的海水置于圆桶型容器中，涂有防污材料的试样插入容器内壁的凸起上，可方便装卸;容器内海水的循环由海水泵完成，采用下进上出的循环方式，有利于清除容器底部沉淀;由电机带动转子搅动海水运动，电机转速由变频器实时显示和调节。该装置的主要特点如下:

1)采用海水运动而试样固定不动的方式，海水与试样之间的相对运动速度真实模拟了航行中船舶的实际工况，运动的海水能够对试样产生剪切和冲刷作用，定期检测试样防污涂层的附着状况，从而评价防污材料的性能;

2)将压力传感器固定于容器边缘，与容器内壁相切，实物如图6所示，测得的压力值更加接近海水冲刷试样的剪应力;

3)变频调速器可以调节搅动机构的转速，得出不同航速下船体所受海水的剪应力及附着物的附着情况，进而评价防污材料的防污性能。

3 试验装置性能测试

3.1 电机转速与模拟航速之间的关系

不同类型的船舶航速如表1所示。

表1 不同类型船舶的航速Tab.1 Velocity of different shipping

船舶实际航行中，海水对船体的表面具有冲刷和剪切作用，随着船速的增加，作用效果越明显。本次试验中，旋转轮毂带动海水对试样表面进行冲刷和剪切，当轮毂稳定运转时，其线速度近似于海水与试样间的相对运动速度，从而模拟了船舶航行中的真实工况。试验容器直径为600 mm，旋转轮毂直径为300 mm，电机转速与航速之间的换算公示为

计算得到见表2。

表2 电机转速与模拟航速数据对照表Tab.2 Comparison of motor rate with shipping velocity

图4 试验装置样机Fig.4 The model of testing apparatus

图5 工作原理示意图Fig.5 The sketch map of principle

图6 试样及固定架、压力传感器Fig.6 The sample，fastness，and stress sensor

3.2 模拟航速与剪应力关系的试验

本试验中，压力传感器切向置于容器内壁，并且靠近试样，海水冲刷试样的剪应力由压力显示仪测得。测试目的是为了得出船舶航速与海水冲刷试样剪应力之间的关系，为进一步评价防污材料的表面性能提供了可靠依据。从图7可见，随着电机转速的增加，海水对试样表面冲刷的剪应力逐渐增大。

图7 模拟航速与剪应力的关系曲线Fig.7 Curve of mock velocity and shearing strength

3.3 冲刷性能试验

首先将钢片 (10 mm×100 mm×0.5 mm)置于海水中浸泡约3个月，浸泡前后试样对比如图8－A、B所示。将附着有污损生物的钢片取出后置于试样固定架内，启动试验装置，使电机转速稳定在1000 r/min左右，每隔30 min取出钢片，观察冲刷效果。从图8－C～F可见，随着冲刷时间的增加，污损生物的附着量逐渐减少，试样外层的污损生物去除明显，测试结果符合真实状况，该试验装置能满足测试要求。

图8 试样冲刷效果的对比Fig.8 Comparison of brushing result

4 结束语

本研究中设计的测试海洋污损生物附着强度的动态模拟试验装置，真实地模拟了船舶航行时的实际工况。对于涂有不同防污材料的试样来说，防污涂层材料耐受的剪应力越大，冲刷效果越好，防腐性能越好。通过测试其表面污损生物的附着和冲刷情况，以及承受剪应力的情况，可以进一步评价防污材料的性能，为全面、准确地评价防污材料的表面性能提供了科学依据，因此，该试验装置具有重要的应用价值。试验结果证明，整个装置运行稳定，满足测试要求，可得出结论如下:

1)电机调速为0～1500 r/min时，可模拟的航速为0～45 kn;

2)随着电机转速的增加，剪应力逐渐增大，海水对试样的冲刷效果增强。

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