CN108189992A - 钻井平台推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井平台推进器，包括桨轴和安装在桨轴上的桨叶，桨叶表面具有第一疏水织构层，以使桨叶表面与水滴的稳定接触角大于150度，滚动接触角小于10度。依据本发明的钻井平台推进器能够有效降低边界摩擦，并且不容易产生海洋生物滋生。

Description

钻井平台推进器

技术领域

本发明涉及一种钻井平台推进器。

背景技术

钻井平台推进器不同于常规的推进器，主要原因是钻井平台在更多的时间处于工作状态而保持位置的相对静止，推进器浸在海水中，海洋生物易于在推进器的螺旋桨上滋生，如藤壶、细菌、硅藻、生物膜和幼虫等易于在固体表面附着，并繁殖生长。为此需要消耗大量的人力物力对平台水下部分进行清理，其中推进器为平台提供动力，当其表面产生生物淤积时，会导致燃油损耗增加和温室气体排放加剧。

常规推进器所采用的螺旋桨的桨叶普遍具有光洁的表面，光洁的表面与流体间的摩擦力比较小，向后排出的水的旋转分量相对较小，而有利于减小周向诱导速度的损失。可以理解的是，涡流中的旋转分量属于有害分量，螺旋桨的表面越光滑，旋转分量会越小。

中国专利文献CN102464101A公开了一种船用螺旋桨，其桨叶具有光滑的表面，该种结构具有海洋生物附着的良性表面，如果作为钻井平台推进器，钻井平台停靠时间如果过长，则易于使推进器失效。

中国专利文献CN105109651A公开了一种船用螺旋桨，其在轮毂的侧周边固定安装有螺旋桨叶片，螺旋桨叶片之间固定连接有弧形网板，其能够提升螺旋桨所造成的压力，然而该种结构会增加微生物的附着表面，这是海洋网箱常用的结构，容易滋生大量海洋生物。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够有效降低边界摩擦，并且不容易产生海洋生物滋生的钻井平台推进器。

依据本发明的实施例，提供一种钻井平台推进器，包括桨轴和安装在桨轴上的桨叶，桨叶表面具有第一疏水织构层，以使桨叶表面与水滴的稳定接触角大于150度，滚动接触角小于10度。

上述钻井平台推进器，可选地，所述第一疏水织构层为仿鲨鱼皮V型织构层。

可选地，所述仿鲨鱼皮V型织构层的织构单位为V型单元，该V型单元具有：

一第一脊状物，该第一脊状物确定基准方向；

两第二脊状物，两第二脊状物分居于第一脊状物两边，并关于第一脊状物对称，第二脊状物与第一脊状物成给定角度，而使两第二脊状物成V型构造。

可选地，第一脊状物具有第一长度，第二脊状物具有第二长度，且第二长度短于第一长度。

可选地，V型单元行列阵列而形成仿鲨鱼皮V型织构层；

V型单元的尖端朝向迎水方向。

可选地，V型单元间间隙内填充有防污涂层。

可选地，所述防污涂层为掺加有交联剂的生物酶防污涂层。

可选地，还包括与桨轴同轴线的导流罩，而使钻井平台推进器构成涵道式推进器；

导流罩的表面形成有第二疏水织构层。

可选地，第二疏水织构由在导流罩基体表面上均匀阵列的锥状体，使导流罩表面与水滴的稳定接触角大于150度，滚动接触角小于10度。

可选地，锥状体间的间隙填充有防污涂层。

依据本发明的实施例，在推进器的桨叶表面构造出第一疏水织构层，形成超疏水结构，其原理是基于近些年兴起的“荷叶效应”，利用表面的疏水性，降低污物在桨叶上粘附性，而使海洋生物滋生的概率降低，从而有效避免海洋生物在推进器上的滋生。同时，疏水织构层所产生的边界摩擦比较小，所产生的周向速度诱导损失相对较小。

附图说明

图1为依据本发明的一种钻井平台推进器结构示意图（图中包含对桨叶表面和导流罩表面放大图）。

图2为一实施例中导流罩结构示意图。

图3为一实施例中桨盘结构示意图。

图中：1.导流罩，2.桨叶，3.桨轴，4.V型织构，5. 锥状织构，6.涂层，7.涂层。

具体实施方式

参照说明书附图1，桨轴3是推进器基础的参考系，并且基于常规的例如钻井平台推进器的前进方向而具有确定的前和后，或者说头和尾。

图1所示结构为涵道式推进器，而对于钻井平台，其所采用的推进器可能是涵道式推进器，也可以是单纯的螺旋桨式推进器。

另外，对于涵道式推进器，导流罩1可以与桨叶2的离心端连接到一起，也可以与桨叶2脱开，导流罩1与桨叶2脱开时，导流罩1需要安装在钻井平台上，而桨轴3则与安装在钻井平台上驱动装置连接。

本发明所依赖的基本原理是莲花效应（又称莲花自洁效应），20世纪70年代，波恩大学的植物学家巴特洛特在研究植物叶子表面时发现，光滑的叶子表面有灰尘，要先清洗才能在显微镜下观察，而莲叶等可以防水的叶子表面却总是干干净净。他们发现，莲叶表面的特殊结构有自我清洁功能。

莲花效应主要是指莲叶表面具有超疏水(superhydrophobicity)以及自洁(self-cleaning)的特性，早期，科学家们模拟莲叶的表面，发明了纳米自清洁的衣料和建筑涂料，只需一点水形成水滴，就可以自动清洁衣物和建筑表面。

基于莲花效应，当前应用已经比较广泛。模仿莲叶自洁的功能，可以应用于表面纳米结构的技术，可开发出自洁、抗污的纳米涂料。有些纳米涂料里渗有二氧化钛的物质。将二氧化钛等纳米微粒加到衣服的纤维里头可使普通的衣服化身为可防震、除臭、杀菌，最重要的是自洁。

莲花效应的基础疏水，具体是超疏水，按照疏水学科的定义，超疏水材料表面稳定接触角要大于150°，滚动接触角小于10°。

接触角可由接触角仪直接测定，接触角分类方法不同，不过对于稳定接触角和滚动接触角都有确定的定义，其中稳定接触角又称为静态接触角，简称接触角，是指液滴在表面静止平衡态时刻的接触角；而滚动接触角又称为动态接触角，简称滚动角，接触线具有一定的速度，非静止平衡态时刻的接触角。超疏水的表征量，静态接触角越大越好，而滚动角越小越好。

由于表面湿润性与接触较密切相关，而表面湿润性则与疏水性直接相关，因此，超疏水性则具有较低的表面湿润性。

超疏水材料是疏水性材料的一种，目前主要是超疏水高分子材料，例如采用复制模塑法制备的预聚物，例如PDMS（聚二甲基硅氧烷），在如利用射频等离子体蚀刻聚丙烯膜层形成的具有均匀织构的表面，利用纳米球蚀刻方法制备的排列整齐的单层聚苯乙烯纳米珠阵列。关于超疏水材料已经都得到了广泛的应用，在此不再赘述。

在图1所示的结构中，桨叶2表面具有第一疏水织构层，并且要求疏水性达到超疏水的技术要求，即要求使桨叶2表面与水滴的稳定接触角大于150度，滚动接触角小于10度。

超疏水表面可以有效的避免海洋生物胶体及氧化膜的形成，从而能够有效降低海洋生物在螺旋桨上的滋生，在钻井平台作业时，保持螺旋桨的相对干净。

一般而言，超疏水织构层普遍是例如前述的复制模塑法、纳米蚀刻方法都制备的具有重复单元的阵列，在本发明优选的实施例中，也采用相同的制备方法制备，也可以采用形成重复单元的纳米级阵列结构。在一些实施例中，所述第一疏水织构层采用仿鲨鱼皮V型织构层。

仿鲨鱼皮目前主要应用于游泳设备上，其所采用的材料是聚氨酯纤维材料，其表面具有V型织构，可以有效的减阻，对于游泳运动员来说，可以提高速度3~7.5%。桨叶2表面采用仿鲨鱼皮V型织构层的条件下，可以减小周向速度诱导损失，从而可以进一步降低能耗。

在图1左下角所示的结构中，所述仿鲨鱼皮V型织构层的织构单位为V型单元，如图1中所示的V型织构4，该V型单元具有：

一第一脊状物，该第一脊状物确定基准方向；

两第二脊状物，两第二脊状物分居于第一脊状物两边，并关于第一脊状物对称，第二脊状物与第一脊状物成给定角度，而使两第二脊状物成V型构造。

基准方向朝向迎水方向，图1所示的钻井平台推进器顺时针转动时，产生推进作用，逆时针旋转式则产生后退，对于推进器来讲，其正常的运转方向是推进，即向前走，因此，基于螺旋桨正转方向为基础确定基准方向。

图1中，第一脊状物具有第一长度，第二脊状物具有第二长度，且第二长度短于第一长度，构成一个箭型结构，利于对水产生导流。

对于织构，不同于光滑表面，在织构单元间会形成间隙，在本发明的实施例中，充分利用这些间隙，在例如V型单元间间隙内填充有防污涂层，如图3所示的涂层7。织构单元间隙较小，防污主要是针对微小的微生物和细微颗粒的集聚。

优选地，所述防污涂层为掺加有交联剂的生物酶防污涂层。对于防污涂料，主要由树脂、防污剂、辅助材料、填充剂和容积制备而成。

常用树脂材料主要是氯化橡胶、氯乙烯醋酸乙烯共聚物、环氧树脂、丙烯酸类树脂。

常用的防污剂有：氧化亚铜、硫氰酸亚铜、氧化锌、硫酸铜、铜粉、环烷酸铜、有酸铜、有机锡、DDT、百菌清、2-甲硫基-4-叔丁胺基-6-环丙胺基三嗦、敌草隆、4,5-二氯-2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮、吡啶硫酮锌。

常用的辅助材料有：氧化铁红、松香、滑石粉、二氧化钛、邻苯二甲酸二辛酯、塔油、磷酸三甲酚酯、凡士林、氯化石蜡。

常用的有机溶剂有：二甲苯、乙酸丁酯、乙酸乙酯、丁醇、环己酮。

防污材料种类较多，传统型防污涂料是建立在松香粘合剂的基础上的，主要用氧化亚铜作为颜料。松香粘合剂遇水会溶解并释放出有毒颜料。此类防污涂料的问题在于松香粘合剂的分解是难以控制而且较为严重的。它对海洋污物的防护作用只能维持12-18个月。基于松香的防污涂料会与氧气发生反应，因此油漆干后就必须下水——一般于6-8小时内，但不得超过24小时。此类防污涂料也被称为可溶矩阵防污涂料。

缺点：此涂料的防污期较短，仅为一年左右。

再一种释放型防污涂料是以氯化橡胶或者乙烯作为粘合剂的，用大量的氧化亚铜作为颜料。遇水时，释放有毒颜料，只留下粘合剂的空壳。在经过足够长的时间后，空壳的厚度会变得很厚，以至于释放进入微薄水层的毒素的毒性不足，低于避免生长污物所必需的临界值。大量的有毒颜料会留在粘合剂空壳下的防污涂料体系内部，人们对采用水下刷抹来去除粘合剂空壳的方式进行测试。由于人力和管理设备及检验等问题，这种方法并不见效。在重新施工防污涂料之前，进干船坞的船上的粘合剂空壳必须进行密封处理，而在进干船坞的次数达到足够数量时，船体上就会形成一个厚厚的由防污涂料和密封涂层交替组成的“三明治”体系。在干膜总厚度为1000-1200μm的情况下，此类三明治体系中将产生很大的内部应力，并发生剥落，从而导致水下壳体非常粗糙。释放型防污涂料针对海洋污物的防护能力可以长达18-24个月。此类防污涂料也被称为不可溶矩阵防污涂料。

缺点：毒料溶解后，涂层表面变得粗糙，降低船舶航行速度，而且失效的防污涂层不易除去。

再一种防污材料是烧蚀型防污涂料，此类防污涂料是基于由松香和调和粘合剂（如乙烯）混合而成的粘合剂的。使用的颜料同样是氧化亚铜，再加上其他少量的生物杀虫剂。从本质上来说，烧蚀型防污涂料的机理类似于基于松香的纯传统型防污涂料，但调和（或湿化）粘合剂的加入延长了其分解过程。粘合剂的溶解在一定程度上避免了三明治体系的堆积，但烧蚀型防污涂料表面的确有一层很薄的皂化层，其表面的粘合剂空壳结构组成和释放型防污涂料的情况是类似的。烧蚀型防污涂料抵御海洋污物的时间可以长达26-30个月。

又一种自抛光防污涂料，市售的自抛光防污涂料有两类：含锡型和无锡型（不含锡）。含锡型是以甲基丙烯酸三丁锡作为粘合剂的。除锡外，有毒氧化亚铜也是油漆的主要颜料，往往还使用其他生物杀虫剂来增强效果。人们对其粘合剂的水解早有描述，但必须指出的是自抛光防污涂料并不会堆积形成三明治体系。自抛光含锡防污涂料在航行期间能够抵御海洋污物长达5年以上的时间。无锡型自抛光防污涂料采用的是设计用来模拟异丁烯酸锡粘合剂作用机理的粘合剂。目前市场上所出现的无锡自抛光防污涂料包括下列类型：

·丙烯酸锌粘合剂

·羧酸锌粘合剂

·丙烯酸铜粘合剂

·硅烷化丙烯酸粘合剂。

所有上述技术的主要机理都是水解和离子交换。聚合物本身是疏水性的，因为聚合物本身是通过一个酯键而被束缚在功能基团上的。这意味着当聚合物浸入海水中时，酯键将会断裂，留下羧酸盐从而提高聚合物的亲水性。

再一种防污材料是自释放型防污涂料，此类防污涂料完全无毒，凭借低表面能的原理进行工作，即海洋污物组织难以附着在涂料表面。此类防污涂料有时也被称为污物释放防污涂料，大部分都是基于硅树脂粘合剂的。自释放漆特有的表面属性实现了污物组织黏着的最小化。所有可能发生附着的污物都能轻松（相对而言）地在运行期间或者进干船坞的时候被冲洗掉。

产生生物酶主要用于催化水解海洋生物在桨叶2或者导流罩1表面附着时产生的胶体和生物膜，减小海洋生物的附着力，与表面织构搭配形成两道防污措施，有效降低因海洋生物在推进器表面附着淤积造成的能源损耗。

前述主要涉及螺旋桨部分的防污和高疏水处理，推进器除了纯螺旋桨结构外，还有涵道式推进器，涵道或者导流罩1也是需要防污的部件，为此，对于导流罩，其表面形成有第二疏水织构层。

导流罩可以采用与螺旋桨上采用的疏水织构层完全相同的疏水织构层，不过由于桨叶2与水的相对速度远大于导流罩1与水的相对速度，因此，导流罩1上的疏水织构层的可剥离性可以稍低于桨叶2上的织构层，换言之，第二疏水织构层可以采用成本相对较低的织构层。

在图2所示的结构中，第二疏水织构层采用锥状体阵列而成，形成如图1中所示的锥状织构5。

进一步地，锥状体间的间隙填充有防污涂层，形成涂层6。

Claims (10)

1.一种钻井平台推进器，包括桨轴和安装在桨轴上的桨叶，其特征在于，桨叶表面具有第一疏水织构层，以使桨叶表面与水滴的稳定接触角大于150度，滚动接触角小于10度。

2.根据权利要求2所述的钻井平台推进器，其特征在于，所述第一疏水织构层为仿鲨鱼皮V型织构层。

3.根据权利要求3所述的钻井平台推进器，其特征在于，所述仿鲨鱼皮V型织构层的织构单位为V型单元，该V型单元具有：

一第一脊状物，该第一脊状物确定基准方向；

两第二脊状物，两第二脊状物分居于第一脊状物两边，并关于第一脊状物对称，第二脊状物与第一脊状物成给定角度，而使两第二脊状物成V型构造。

4.根据权利要求3所述的钻井平台推进器，其特征在于，第一脊状物具有第一长度，第二脊状物具有第二长度，且第二长度短于第一长度。

5.根据权利要求3所述的钻井平台推进器，其特征在于，V型单元行列阵列而形成仿鲨鱼皮V型织构层；

V型单元的尖端朝向迎水方向。

6.根据权利要求3~5任一所述的钻井平台推进器，其特征在于，V型单元间间隙内填充有防污涂层。

7.根据权利要求6所述的钻井平台推进器，其特征在于，所述防污涂层为掺加有交联剂的生物酶防污涂层。

8.根据权利要求1所述的钻井平台推进器，其特征在于，还包括与桨轴同轴线的导流罩，而使钻井平台推进器构成涵道式推进器；

导流罩的表面形成有第二疏水织构层。

9.根据权利要求8所述的钻井平台推进器，其特征在于，第二疏水织构由在导流罩基体表面上均匀阵列的锥状体，使导流罩表面与水滴的稳定接触角大于150度，滚动接触角小于10度。

10.根据权利要求9所述的钻井平台推进器，其特征在于，锥状体间的间隙填充有防污涂层。