CN104062405B - 一种船舶水下涂层防污减阻性能综合测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶防污减阻材料性能评价技术领域，涉及一种船舶水下涂层防污减阻性能综合测试装置，水箱固定安装在框架上，水箱的出口和水泵之间制有阀门，水泵与稳流箱管道连接，输送管道上安装制有压力计和流量计，稳流箱中设置有筛板，稳流箱的出口处安装有稳流箱导流嘴，平直狭缝流道的入口与稳流箱导流嘴之间设有狭缝板，平直狭缝流道内制有与双压差计连接的压差计水管接入口；平直狭缝流道内上侧制有安装样品台的样品台插口，下侧挖制有凹槽，控制柜分别与水泵、压力计、流量计和双压差计电信息连通，框架和控制柜底侧安装制有脚轮；其结构简单，设计科学合理，操作方便，测试准确性高，便于移动，应用范围广。

Description

一种船舶水下涂层防污减阻性能综合测试装置

技术领域：

本发明属于船舶防污减阻材料性能评价技术领域，涉及一种船舶水下涂层防污减阻性能综合测试装置，特别是一种平板状狭缝式污损生物附着强度与材料减阻性能综合测试装置，同时测试海洋污损生物在材料表面的附着强度和污损生物对涂层减阻性能的影响。

背景技术：

环境友好型防污减阻一体化材料是目前研发的热点。通过利用材料自身特性进行防污，具有对环境友好，防污周期长的优点；在保证材料防污性能的同时，兼顾材料的减阻性能，可进一步的降低船舶航行阻力，从而节省燃油、减少碳排放、加快航速，因此具有积极的意义。在船舶水下防污减阻材料的研发过程中，污损生物在防污材料表面的附着强度、材料本身的减阻性能以及生物污损对减阻性能的影响是其中尤为重要的性能指标，其中材料的减阻性能同时受到材料本身性能及污损生物附着的影响。因此研发适用于实验室内的可同时评价污损生物在防污材料表面的附着强度和污损生物对材料减阻性能影响等参数的测试装置，对于缩短船舶水下新型防污减阻材料的研发时间及降低成本，推动该类材料的发展具有重要意义。

目前，对防污材料防污性能的评价主要采用浅海挂板实验(GB/T5370-2007)和船舶防污漆防污性能动态试验方法(GB/T7789-2007)进行评价，这些方法主要对防污材料表面污损生物的附着数量和覆盖面积进行分析，没有评价生物在防污材料表面的附着强度，更没涉及减阻指标评价，并存在测试周期长、成本高等缺点。另外，污损生物附着强度评价技术发展迅速，国内外已经开发的生物附着强度测试装置主要包括层流流动装置，径向流动装置、环向流动装置、湍流流动装置和水喷射装置，这些装置的主要原理都是利用水流对附着在材料表面的海洋生物施加一定的束流冲力，根据受力大小及生物脱附情况综合评价海洋生物在材料表面的附着强度。2009年大连水产学院研究建立了“转毂”式附着力测试装置，通过转毂切线速度计算剪切力评价污损生物的附着力，这种方法测试精度不高，难以满足不断发展的防污减阻材料研究需求。2010年中国船舶重工集团公司第七二五研究所研发成功一种流道式海洋生物附着力测试装置(CN102023130B)，实现了利用湍流对海生物附着力进行测试的目的。综上所述，以上所述装置仅能实现海生物附着强度的测试，无法同时测定材料本身的减阻性能以及生物污损程度对材料减阻性能影响等重要技术参数。

发明内容：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，针对船舶水下防污减阻一体化材料性能评价中存在的无法同时评价海生物附着强度、材料本身减阻性能和生物污损对材料减阻性能影响等缺点，寻求设计提供一种船舶水下涂层防污减阻性能综合测试装置，实现快速测试海生物附着强度、材料本身减阻性能和生物污损对材料减阻性能参数，模拟防污减阻一体化材料的服役环境，研究流速、剪切力、时间等因素对材料防污、减阻性能的影响。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括水箱、阀门、水泵、输送管道、压力计、流量计、稳流箱、筛板、稳流箱导流嘴、狭缝板、平直狭缝流道、样品台、双压差计、框架、控制柜和脚轮；PE材质的水箱容积为230L，水箱固定安装在框架上，用于盛装海水；水箱和框架之间设有减震橡胶垫；水箱的出口和水泵之间制有阀门，阀门控制水箱内水流的通断，能进行拆卸和更换；水泵采用德国斯德堡磁力泵，水泵内加有聚四氟乙烯衬里，在保证海水输送能力的同时，有效防止海水腐蚀；水泵通过UPVC材质的输送管道与稳流箱管道连接，输送管道上安装制有压力计和流量计，压力计和流量计分别采集海水压力与流量数据；稳流箱中设置有两组筛板，其中一组为三块不锈钢板组，另一组为四块亚克力板组；稳流箱的出口处安装制有稳流箱导流嘴，稳流箱导流嘴将稳流箱内的水流平稳导入平直狭缝流道，减小乱流的产生；直板状矩形槽结构的平直狭缝流道由厚度均为25mm的上下两块亚克力板材的平板构成，下平板设有矩形槽道，直狭缝流道的宽度为155mm,高度为7.5mm，总长度小于2米；平直狭缝流道的入口与稳流箱导流嘴之间设有上下两块狭缝板，使平直狭缝流道内的海水由层流转变为湍流，狭缝板的挡流比率为5-30％，即上下两块狭缝板的面积占平直狭缝流道入口面积的比率为5-30％；平直狭缝流道内下平板距离平直狭缝流道的入口585mm、780mm和900mm处分别开制有一组压差计水管接入口，每组压差计水管接入口有两个；压差计水管接入口与双压差计连接；平直狭缝流道内距离入口780-900mm处上侧制有样品台插口，样品台插口上安装有可拆卸的样品台，下侧挖制有置有强力磁铁的凹槽，以马口铁为基材的样品分别安装在平直狭缝流道内距离入口780-900mm处的内腔上下两侧，上侧样品固定安装在样品台上，下侧样品通过强力磁铁固定安装在凹槽内；由编程控制器PLC、变频泵控制器、电脑和控制软件组成的控制柜分别与水泵、压力计、流量计和双压差计电信息连通，通过控制水泵调节海水流速为0.5-7.0m/s，流速为0.5m/s时海水雷诺数超过3000，并实时测量采集压力计、流量计和双压差计的数据；控制软件将需要的测试流速或压差转化为电压信号，编程控制器PLC通过该电压信号控制水泵的功率，并不断校正，实现控制目的；框架和控制柜底侧安装制有脚轮，便于移动。

本发明测试样品时，将涂覆有待测材料的样品安装在平直狭缝流道下侧的凹槽和上侧的样品台内,在样品台加上密封垫圈后插入平直狭缝流道上侧,并通过螺栓卡扣固定紧密，然后开启装置，设定流速进行污损生物附着强度和减阻率测试；污损生物附着强度与污损生物的脱除率R相关，通过现有的多功能生物监测仪计数污损生物冲刷先后的数量，依据

R＝((N₀-N₁)/N₀)×100％(1)

计算脱除率R，其中N₀为冲刷前污损生物附着平均数量，N₁为冲刷后污损生物附着平均数量，测试污损生物附着强度时，采用平直狭缝流道内距离入口585-780mm间的压差值，根据公式

τw＝-H△p/2△L(2)

获得生物脱除率为R的水流剪切力，即为污损生物附着强度，其中△p为平直狭缝流道内距离入口585-780mm间的压差值，△L为平直狭缝流道内距离入口585-780mm间的距离；减阻率定义为：

DR＝[(△p_对照涂层-△p_减阻涂层)/△p_对照涂层]×100％(3)

生物污损对涂层减阻性能的影响定义为:

DR＝[(△p_污损涂层-△p_减阻涂层)/△p_减阻涂层]×100％(4)

其中DR为减阻率；△p为压力差，单位Pa，测试减阻率时，采用平直狭缝流道内距离入口780-900mm间的压差值。

本发明与现有技术相比，通过平直狭缝流道内充分发展的湍流流体的压力差成线性下降，流体剪切力与压力差存在简单数学关系等特点实现材料表面污损生物附着强度与材料减阻性能的测试，设计严谨；采用挡流板技术，确保低流速下测试结果的准确性；其结构简单，设计科学合理，操作方便，测试准确性高，便于移动，应用范围广，能进行细菌、藻类和大型污损生物幼虫(藤壶、牡蛎、贻贝等幼虫)的生物体在材料表面的附着强度和对材料减阻性能影响参数的评价。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的狭缝板结构原理示意图。

图3为本发明涉及的平直狭缝流道下平板结构原理示意图。

图4为本发明涉及的平直狭缝流道上平板结构原理示意图。

图5为本发明涉及的样品台结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图做进一步说明。

实施例1：

本实施例的主体结构包括水箱1、阀门2、水泵3、输送管道4、压力计5、流量计6、稳流箱7、筛板8、稳流箱导流嘴9、狭缝板10、平直狭缝流道11、样品台12、双压差计13、框架14、控制柜15和脚轮16；PE材质的水箱1容积为230L，水箱1固定安装在框架14上，用于盛装海水；水箱1和框架14之间设置有减震橡胶垫；水箱1的出口和水泵3之间制有阀门2，阀门2控制水箱1内水流的通断，能进行拆卸和更换；水泵3采用德国斯德堡磁力泵，水泵3内加有聚四氟乙烯衬里，在保证海水输送能力的同时，有效防止海水腐蚀；水泵3通过UPVC材质的输送管道4与稳流箱7管道连接，输送管道4上安装制有压力计5和流量计6，压力计5和流量计6分别采集海水压力与流量数据；稳流箱7中设置有两组筛板8，其中一组为三块不锈钢板组，另一组为四块亚克力板组；稳流箱7的出口处安装制有稳流箱导流嘴9，稳流箱导流嘴9将稳流箱7内的水流平稳导入平直狭缝流道11，减小乱流的产生；直板状矩形槽结构的平直狭缝流道11由厚度均为25mm的上下两块亚克力板材的平板构成，下平板设有矩形槽道，直狭缝流道11的宽度为155mm,高度为7.5mm，总长度小于2米；平直狭缝流道11的入口与稳流箱导流嘴9之间设有上下两块狭缝板10，使平直狭缝流道11内的海水由层流转变为湍流，狭缝板10的挡流比率为5-30％，即上下两块狭缝板10的面积占平直狭缝流道11入口面积的比率为5-30％；平直狭缝流道11内下平板距离平直狭缝流道11的入口585mm、780mm和900mm处分别开制有一组压差计水管接入口17，每组压差计水管接入口17有两个；压差计水管接入口17与双压差计13连接；平直狭缝流道11内距离入口780-900mm处上侧制有样品台插口18，样品台插口18上安装有可拆卸的样品台12，下侧挖制有置有强力磁铁19的凹槽20，以马口铁为基材的样品分别安装在平直狭缝流道11内距离入口780-900mm处的内腔上下两侧，上侧样品固定安装在样品台12上，下侧样品通过强力磁铁19固定安装在凹槽20内；由编程控制器PLC、变频泵控制器、电脑和控制软件组成的控制柜15分别与水泵3、压力计5、流量计6和双压差计13电信息连通，通过控制水泵3调节海水流速为0.5-7.0m/s，流速为0.5m/s时海水雷诺数超过3000，并实时测量采集压力计5、流量计6和双压差计13的数据；控制软件将需要的测试流速或压差转化为电压信号，编程控制器PLC通过该电压信号控制水泵3的功率，并不断校正，实现控制目的；框架14和控制柜15底侧安装制有脚轮16，便于移动。

本实施例测试样品时，将涂覆有待测材料的样品安装在平直狭缝流道11下侧的凹槽20和上侧的样品台12内,在样品台12加上密封垫圈后插入平直狭缝流道11上侧,并通过螺栓卡扣固定紧密，然后开启装置，设定流速进行污损生物附着强度和减阻率测试；污损生物附着强度与污损生物的脱除率R相关，通过现有的多功能生物监测仪计数污损生物冲刷先后的数量，依据

R＝((N₀-N₁)/N₀)×100％(1)

计算脱除率R，其中N₀为冲刷前污损生物附着平均数量，N₁为冲刷后污损生物附着平均数量，测试污损生物附着强度时，采用平直狭缝流道内距离入口585-780mm间的压差值，根据公式

τw＝-H△p/2△L(2)

获得生物脱除率为R的水流剪切力，即为污损生物附着强度，其中△p为平直狭缝流道内距离入口585-780mm间的压差值，△L为平直狭缝流道内距离入口585-780mm间的距离；减阻率定义为：

DR＝[(△p_对照涂层-△p_减阻涂层)/△p_对照涂层]×100％(3)

生物污损对涂层减阻性能的影响定义为:

DR＝[(△p_污损涂层-△p_减阻涂层)/△p_减阻涂层]×100％(4)

其中DR为减阻率；△p为压力差，单位Pa，测试减阻率时，采用平直狭缝流道内距离入口780-900mm间的压差值。

实施例2：

本实施例采用1×10⁶个/ml的硫酸盐还原菌，摇匀待用；将防污减阻材料涂覆在规格为100mm*51mm的马口铁片上，共6个平行样，将3个样片放入流道底侧样品凹槽，另外3个样品放入上部插入式样品台，然后将样品台固定紧密，设定流速为7.0m/s，冲刷时间5min，记录双压差计13在104-120H间平均数值为233.3Pa；再将样品置于上述硫酸盐还原菌的菌液中，1小时后取出，采用多功能生物监测仪对每个样品均进行随机15个视场的菌体数量计数；然后将样品放入测试装置，设定流速为7.0m/s，冲刷时间5min，通过双压差计13在78-104H的平均数值由公式(2)计算出剪切力为88.4Pa，冲刷后采用多功能生物监测仪对3个样品进行随机15个视场的菌体数量计数；由公式(1)计算出3个样板上硫酸盐还原菌的脱附率分别为86％，89％，91％。另外104-120H间压差为235.7Pa，将冲刷前后数值代入公式(4)，得出细菌污损造成阻力增加1.0％。

实施例3：

本实施例采用1×10⁶个/ml的底栖硅藻(缢缩辐节藻)，摇匀待用；将防污减阻材料涂覆在规格为100mm*51mm的马口铁片上，共3个平行样，将样品置于上述硅藻液中，1小时后取出，采用多功能生物监测仪对每个样品均进行随机15个视场的菌体数量计数；然后将样品放入样品台，固定紧密，设定流速为0.5m/s，冲刷时间5min，通过压差变送器78-104H的平均数值由公式(2)计算出剪切力为0.46Pa，冲刷后采用多功能生物监测仪对3个样品进行随机15个视场的菌体数量计数；由公式(1)计算出3个样板上硫酸盐还原菌的脱附率分别为2.0％，1.5％，1.3％。

实施例4：

本实施例将环氧底漆、防污减阻材料分别涂覆在规格为100mm*51mm的马口铁片上，每种材料均涂6个平行样，将环氧底漆样品放入测试装置，在5.0m/s的流速下测试5min，104-120H间压差为116.6Pa；将防污减阻材料样品放入测试装置，在5.0m/s的流速下测试5min，104-120H间压差为119.2Pa，由公式(3)计算得出防污减阻材料在该流速下的减阻率为2.2％。

本实施例涉及的防污减阻材料为以有机硅弹性体(PDMS)为基体的表面多孔材料。

Claims (2)

1.一种船舶水下涂层防污减阻性能综合测试装置，其特征在于主体结构包括水箱、阀门、水泵、输送管道、压力计、流量计、稳流箱、筛板、稳流箱导流嘴、狭缝板、平直狭缝流道、样品台、双压差计、框架、控制柜和脚轮；PE材质的水箱容积为230L，水箱固定安装在框架上，用于盛装海水；水箱和框架之间设有减震橡胶垫；水箱的出口和水泵之间制有阀门，阀门控制水箱内水流的通断，能进行拆卸和更换；水泵采用德国斯德堡磁力泵，水泵内加有聚四氟乙烯衬里，在保证海水输送能力的同时，有效防止海水腐蚀；水泵通过UPVC材质的输送管道与稳流箱管道连接，输送管道上安装制有压力计和流量计，压力计和流量计分别采集海水压力与流量数据；稳流箱中设置有两组筛板，其中一组为三块不锈钢板组，另一组为四块亚克力板组；稳流箱的出口处安装制有稳流箱导流嘴，稳流箱导流嘴将稳流箱内的水流平稳导入平直狭缝流道，减小乱流的产生；直板状矩形槽结构的平直狭缝流道由厚度均为25mm的上下两块亚克力板材的平板构成，下平板设有矩形槽道，直狭缝流道的宽度为155mm,高度为7.5mm，总长度小于2米；平直狭缝流道的入口与稳流箱导流嘴之间设有上下两块狭缝板，使平直狭缝流道内的海水由层流转变为湍流，狭缝板的挡流比率为5-30％，即上下两块狭缝板的面积占平直狭缝流道入口面积的比率为5-30％；平直狭缝流道内下平板距离平直狭缝流道的入口585mm、780mm和900mm处分别开制有一组压差计水管接入口，每组压差计水管接入口有两个；压差计水管接入口与双压差计连接；平直狭缝流道内距离入口780-900mm处上侧制有样品台插口，样品台插口上安装有可拆卸的样品台，下侧挖制有置有强力磁铁的凹槽，以马口铁为基材的样品分别安装在平直狭缝流道内距离入口780-900mm处的内腔上下两侧，上侧样品固定安装在样品台上，下侧样品通过强力磁铁固定安装在凹槽内；由编程控制器PLC、变频泵控制器、电脑和控制软件组成的控制柜分别与水泵、压力计、流量计和双压差计电信息连通，通过控制水泵调节海水流速为0.5-7.0m/s，流速为0.5m/s时海水雷诺数超过3000，并实时测量采集压力计、流量计和双压差计的数据；控制软件将需要的测试流速或压差转化为电压信号，编程控制器PLC通过该电压信号控制水泵的功率，并不断校正，实现控制目的；框架和控制柜底侧安装制有脚轮，便于移动。

2.根据权利要求1所述船舶水下涂层防污减阻性能综合测试装置，其特征在于测试样品时，将涂覆有待测材料的样品安装在平直狭缝流道下侧的凹槽和上侧的样品台内,在样品台加上密封垫圈后插入平直狭缝流道上侧,并通过螺栓卡扣固定紧密，然后开启装置，设定流速进行污损生物附着强度和减阻率测试；污损生物附着强度与污损生物的脱除率R相关，通过现有的多功能生物监测仪计数污损生物冲刷先后的数量，依据

R＝((N₀-N₁)/N₀)×100％(1)

计算脱除率R，其中N₀为冲刷前污损生物附着平均数量，N₁为冲刷后污损生物附着平均数量，测试污损生物附着强度时，采用平直狭缝流道内距离入口585-780mm间的压差值，根据公式

τw＝-H△p/2△L(2)

获得生物脱除率为R的水流剪切力，即为污损生物附着强度，其中△p为平直狭缝流道内距离入口585-780mm间的压差值，△L为平直狭缝流道内距离入口585-780mm间的距离；减阻率定义为：

DR＝[(△p_对照涂层-△p_减阻涂层)/△p_对照涂层]×100％(3)

生物污损对涂层减阻性能的影响定义为:

DR＝[(△p_污损涂层-△p_减阻涂层)/△p_减阻涂层]×100％(4)

其中DR为减阻率；△p为压力差，单位Pa，测试减阻率时，采用平直狭缝流道内距离入口780-900mm间的压差值。