KR101153354B1 - 선박용 러더의 코팅 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 선박용 러더의 코팅 구조는, 스틸 소재로 이루어진 러더 모재의 표면에 내부식성 코팅재가 용사 코팅된 제1 코팅층을 형성하고, 상기 제1 코팅층 상에 내침식성 코팅재가 용사 코팅된 제2 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 실시예에서는 러더의 표면에 내침식성 및 내부식성의 코팅층을 2층 구조로 형성함으로써 해양 부식 환경에서의 침식에 의한 러더의 손상을 억제할 수 있다.

선박, 러더, 코팅층, 용사 코팅, 내침식, 내부식

Description

선박용 러더의 코팅 구조 {COATING STRUCTURE OF RUDDER}

본 발명의 예시적인 실시예는 선박용 러더에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 러더의 내침식성 및 내부식성을 향상시킬 수 있도록 한 선박용 러더의 코팅 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 러더(rudder)는 선박의 후미에 선회 가능하게 장착되어 프로펠러에 의해 얻어진 추진력의 방향을 조향하는 역할을 담당하는 장치이다.

상기 러더는 선박 운항과 관련된 주요 부품으로 러더의 파손 유실은 선박의 항로 변경 제어 기능의 상실로 이어져 타 선박과의 충돌, 및 좌초 등 심각한 해양 사고를 유발할 수 있다.

이러한 러더의 파손 원인 중 가장 주요한 원인이 공동 현상(cavitation)에 의한 침식(erosion)이다. 공동 현상이란 액체 속을 고속으로 움직이는 물체 표면에서 액압(液壓)의 저하로 인해 증기가 발생되거나 액체 속에 녹아있던 기체가 모여 공동(空洞)을 형성하는 것을 말한다.

선박 운항 시에는 주로 프로펠러의 회전에 의해 공동 현상이 발생되며, 이들은 프로펠러 후방에 근접 설치된 러더의 표면에서 압력 변화에 따라 내 파(impulsion)됨으로써 러더 표면에 큰 충격을 가해 표면 도장재 손상 및 러더의 침식 문제를 야기시킨다.

종래에는 대체로 선박이 20노트 이하의 저속으로 운항되어 공동현상에 의한 침식 문제는 크게 문제가 되지 않아 선박의 선체 외관 도장 사양과 동일한 코팅 시스템이 적용되어 왔으나, 최근에 들어서는 선박의 기계 성능 향상에 따라 고속 운항이 증가되어 러더의 침식 손상 문제가 크게 부각되고 있다.

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또 다른 주요한 러더의 파손 원인으로는 철계 소재인 러더의 해수에 의한 부식이다. 선박 운항시 스크류에 의한 유속 가속으로 스크류 후류(後流)에서는 수축이 발생되며 러더의 조향에 따른 후류 입사각의 증가 및 입사류의 유속 증가로 러더 주변에는 복잡한 와류가 발생된다.

이와 같은 해수의 와류 및 유속 증가는 공동현상으로 인한 러더 표면부(도장) 손상과 결부되어 러더의 표면 부식 속도를 크게 증가시키는 원인이 된다.

따라서, 상기 공동현상에 의한 러더의 침식을 방지하기 위한 방안으로는 러더와 스크류의 설계 최적화, 스테인리스 강재 보강(lining), 탄성 세라믹 코팅재(elasto-ceramic reinforced epoxy) 적용 등이 시도되고 있으나, 공정 용이성 및 경제성 측면에서 여러 가지 문제점을 안고 있다.

또한, 러더의 부식 문제에 대한 해결 방법으로는 통상 선박의 방식 기술인 도장, 희생양극, ICCP (Impressed Current Cathodic Protection) 등이 적용되고 있으며, 중소형 선박의 경우에는 특별한 방식 시스템 없이 일반 도료를 사용한 도장만을 실시하고 있다.

상기에서, 희생양극(아연판)을 러더의 양쪽 면에 부착하는 방식은 유속 변화에 따른 국부 침식 증가, 와류 발생, 유실 및 조기 사용 종료 시 재설치 시공의 난이하다는 문제점을 내포하고 있다.

이와 같이 선박의 조향성 및 안전성과 직결된 러더의 침식 및 부식 손상 방지를 위한 현재까지의 적용 기술에는 많은 개선 기회가 있으며, 특히 최근 들어 선박의 운항 속도 증가 등 러더의 사용 환경이 가혹해짐에 따라 러더의 내구 수명을 향상시킬 수 있는 기술 개발에 대한 필요성이 크게 증대되고 있는 실정이다.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 러더의 표면에 내침식성 및 내부식성 코팅층을 2중 구조로 형성하여 러더를 선박의 고속 운항에 따른 침식 손상으로부터 보호할 수 있고, 해수에 의한 러더의 부식을 억제시킬 수 있도록 한 선박용 러더의 코팅 구조를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 선박용 러더의 코팅 구조는, 스틸 소재로 이루어진 러더 모재의 표면에 내부식성 코팅재가 용사 코팅된 제1 코팅층을 형성하고, 상기 제1 코팅층 상에 내침식성 코팅재가 용사 코팅된 제2 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 선박용 러더의 코팅 구조에 있어서, 상기 제1 코팅층은 Al, Zn, 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.

상기 선박용 러더의 코팅 구조에 있어서, 상기 제1 코팅층은 150~300㎛의 두께로서 형성될 수 있다.

상기 선박용 러더의 코팅 구조에 있어서, 상기 제2 코팅층은 스테인레스 강, 및 Al-Ni-Bronze 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.

상기 선박용 러더의 코팅 구조에 있어서, 상기 제2 코팅층은 100~200㎛의 두께로서 형성될 수 있다.

상기 선박용 러더의 코팅 구조에 있어서, 상기 제1 및 제2 코팅층은 아크 용사 코팅 방식으로서 형성될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 러더 모재의 표면에 내부식 코팅재로 이루어진 제1 코팅층을 용사 코팅하고, 제1 코팅층 상에 내침식 코팅재로 이루어진 제2 코팅층을 용사 코팅하므로, 러더 모재를 제2 코팅층을 통해 선박의 고속 운항으로 인한 침식 손상으로부터 보호할 수 있으며, 제1 코팅층을 통해 해수에 의한 러더 모재의 부식을 현저하게 억제시킬 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 러더의 수명을 더욱 연장시킬 수 있게 되며, 이를 통해 최근 문제가 되고 있는 정기 입고 주기 이전의 러더 손상으로 인한 선박 보수 비용의 증가를 해결할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의 로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 선박용 러더의 코팅 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예는 선박의 후미에 선회 가능하게 장착되어 프로펠러에 의해 얻어진 추진력의 방향을 조향하는 선박용 러더에 적용된다.

여기서, 상기 러더는 침식으로 인한 손상 문제가 주로 발생하는 선박 예컨대, 고속으로 운항하는 군용 선박, 콘테이너선, LNG선 등과 같은 중대형 선박에 주로 채용되며, 수 미터 이상의 크기를 갖는다.

본 실시예에 의한 상기 코팅 구조(100)는 스틸 소재로 이루어진 러더의 모재를 침식 손상으로부터 보호할 수 있으며, 러더 모재의 부식을 억제시킴으로써 러더의 수명을 더욱 연장시킬 수 있는 구성으로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 선박용 러더의 코팅 구조(100)는 스틸 소재로 이루어진 러더 모재(10)의 표면에 내부식성 코팅재가 용사 코팅된 제1 코팅층(30)을 형성하고, 제1 코팅층(30) 상에 내침식성 코팅재가 용사 코팅된 제2 코팅층(50)을 형성하고 있다.

본 실시예에서, 상기 제1 코팅층(30)은 해수에 의한 러더의 부식 손상을 방 지하기 위한 것으로서, 러더 모재(10)의 표면이 표면처리(blasting) 된 상태로 그 표면에 내부식성 코팅재가 아크 용사 코팅 방식으로서 코팅 형성된다.

즉, 상기 제1 코팅층(30)은 러더 모재(10)의 표면이 표면처리(blasting) 됨으로써 그 표면에 충분한 조도를 확보하고 있기 때문에, 러더 모재(10)의 표면에 대한 코팅재의 부착력이 향상된다.

여기서, 상기 제1 코팅층(30)은 Al, Zn, 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지며, 150~300㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 본 실시예에서, 상기 제2 코팅층(50)은 선박의 고속 운행에 따른 러더의 침식 손상을 방지하기 위한 것으로서, 제1 코팅층(30) 상에 내침식성 코팅재가 아크 용사 코팅 방식으로서 코팅 형성된다.

여기서, 상기 제2 코팅층(50)은 스테인레스 강 또는 Al-Ni-Bronze 합금 소재로 이루어지며, 100~200㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기에서 제1 및 제2 코팅층(30, 50)을 형성하기 위한 코팅 방법으로서 아크 용사 코팅 방식을 이용한 이유는 아크 용사 코팅 방식이 다른 용사 코팅 방식에 비해 매우 우수한 생산성을 가지며, 선재를 사용함으로써 분말을 사용하는 다른 용사 코팅 방식에 비해 매우 경제적이기 때문이다.

이하, 상기에서와 같이 러더 모재의 표면에 제1 및 제2 코팅층(30, 50)을 형성하는 바람직한 실시예를 아래의 실험예를 통해 상세하게 설명하기로 한다.

[실험예]

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 실험 방법은 ASTM G32 규격으로 행하여졌으며, 서로 다른 소재에 대한 상대 비교를 위하여 침식을 통해 평균 100마이크로미터의 보호 코팅층이 손실되는 시간(T₁₀₀)을 측정하였다.

하기의 표 1은 다양한 금속계 용사 코팅재의 내침식 특성을 기존 방식의 도장재와 비교한 결과이다.

코팅 소재	T100
Zn	0.23
Zn-15 Al	0.28
Al	0.17
Al-Ni-Bronze	6.15
420STS	8.10
316STS	7.51
도장	0.21

상기 표 1에서와 같이, 기존 단순 해양 부식 방지용으로 사용되는 알루미늄 및 아연계 소재의 경우, 기존 방식 도장재와 유사한 내침식 특성을 보여 선박 러더 적용시 러더 손상 방지 효과를 기대하기 어려움을 알 수 있다.

그리고, 스테인레스 강 코팅재 및 Al-Ni-Bronze 코팅재의 내침식 특성이 가장 우수하며, 기존 도장 대비 30배 이상 내침식 수명을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 2 내지 도 7은 상기 용사 코팅재에 대한 내부식 특성을 평가한 결과를 나타내고 있다. 이 때, 내부식 특성은 Cyclic Corrosion Test 방법을 사용하였다.

도면에서와 같이, Zn 및 Al 코팅재는 해양 부식에 매우 우수한 저항성을 가진다. 반면, 스테인레스 강 코팅재 및 Al-Ni-Bronze 코팅재는 자체 방식 특성은 우수하나 Zn 및 Al 코팅재와 같은 희생 양극 효과를 가지지 못하여 철계 러더 모재에 많은 부식이 발생함을 알 수 있다.

이하, 전술한 바와 같은 용사 코팅재의 소재별 내침식 특성과 내부식 특성을 종합하여 보면, Zn 및 Al 코팅재는 해양 환경에서의 방식 특성이 우수하나 내침식 특성이 저조한 반면, 내침식 특성이 우수한 스테인레스 강 코팅재 및 Al-Ni-Bronze 코팅재는 방식 특성이 기존 도장재에 비해 열악하다. 따라서 이들 모든 소재는 기존 방식 코팅을 대체하여 러더 손상 방지용으로 사용되는데 부적합하다 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 도 1에서와 같이, Al, Zn 또는 이들 합금 소재의 하부 코팅재(내부식 코팅재)가 러더 모재(10)의 표면에 코팅되며 제1 코팅층(30)을 형성하고, 제1 코팅층(30) 상에 스테인레스 강 또는 Al-Ni-Bronze 소재의 상부 코팅재(내침식 코팅재)로 이루어진 제2 코팅층(50)을 형성하고 있다.

이 때, 상기 각 층의 두께는 0.1~1mm 범위에서 조정이 가능하나, 경제성 등을 감안할 때 제1 코팅층(30)은 내부식 코팅재가 150~300㎛의 두께 범위로 코팅하며, 제2 코팅층(50)은 내침식 코팅재가 100~200㎛의 두께 범위로 코팅하는 것이 바람직하다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 선박용 러더의 코팅 구조(100)에 의하면, 러더 모재(10)의 표면에 내부식 코팅재로 이루어진 제1 코팅층(30)을 형성하고, 제1 코팅층(30) 상에 내침식 코팅재로 이루어진 제2 코팅층(50)을 형성하므로, 러더 모재(10)를 제2 코팅층(50)을 통해 선박의 고속 운항으로 인한 침식 손상으로부터 보호할 수 있으며, 제1 코팅층(30)을 통해 해수에 의한 러더 모재(10)의 부식을 현저하게 억제시킬 수 있다.

이로써, 본 실시예에서는 러더의 수명을 더욱 연장시킬 수 있게 되며, 이를 통해 최근 문제가 되고 있는 정기 입고 주기 이전의 러더 손상으로 인한 선박 보수 비용의 증가를 해결할 수 있다.

아울러, 본 실시예에서는 러더 모재(10)에 제1 및 제2 코팅층(30, 50)을 코팅 형성하는 방식으로, 용사 코팅 공정 중 아크 용사 코팅 방식을 적용하므로, 수 미터 이상의 크기로 중대형 선박에 채용되는 러더의 대면적 코팅에 효과적이다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 선박용 러더의 코팅 구조를 도시한 단면 구성도이다.

도 2 내지 도 7은 본 발명의 예시적인 실시예가 적용되는 용사 코팅재의 내부식 특성을 평가한 결과를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명>

10... 러더 모재 30... 제1 코팅층

50... 제2 코팅층

Claims (6)

1. 스틸 소재로 이루어진 러더 모재의 표면에 내부식성 코팅재가 용사 코팅된 제1 코팅층을 형성하고,

   상기 제1 코팅층 상에 내침식성 코팅재가 용사 코팅된 제2 코팅층을 형성하며,

   상기 제2 코팅층은 스테인레스 강 및 Al-Ni-Bronze 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 선박용 러더의 코팅 구조.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 코팅층은 Al, Zn, 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어지는 선박용 러더의 코팅 구조.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 코팅층은 아크 용사 코팅 방식으로서 형성되는 선박용 러더의 코팅 구조.

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