Korrosjon og Tribologi Effekter på Belegg for Uttrekkbare Baug Foiler for Skip

Abstract

Hydrofoiler har lenge blitt brukt på mindre båter. Men som følge av forskjellige utfordringer, har det ikke til nå vært mulig å bruke foiler på større farttøy. Wavefoil er et firma som har utviklet en uttrekkbar foliemodul som eliminerer utfordringene som har vært kyttet til foiler. Drivstofforbruket vil da reduseres ved hjelp av bølgekraft. En xylanbelagt 25 Cr rustfri stål (SDSS) gjengestang med en nikkel-aluminium bronse (NAB) mutter vil gi den translatoriske bevegelsen av foliene.

Metaller som fungerer som glidende overflater i sjøvann vil være utsatt for korrosjon og slitasje. Hovedformålet for denne oppgaven var å gi et innblikk i hva som kan forventes i forhold til korrosjon og tribologisk slitasje under drift. Egenskapene til SDSS og NAB har tidligere blitt utforsket av andre forskere, men den største usikkerheten var oppførselen av katodisk polarisert xylanbelegg i sjøvann. Korrosjonseksperimenter ble utført over lengre tid for å studere hvordan materialene påvirkes ved å bli nedsenket i sjøvann fritt eksponert, og også når metallene er katodisk polarisert til et beskyttelsespotensial. Materialenes tribologiske ytelse ble utforsket i tørr tilstand og katodisk polarisert i sjøvann.

På grunnlag av resultater presentert i denne oppgaven vil xylan belegget bli degradert med tiden på grunn av katodisk avbinding. Dette vil da føre til at SDSS og NAB vil være i glidende kontakt under drift. Langsiktig korrosjonseksperiment viser at SDSS og NAB har omtrent likt strømbehov for å bli katodisk polarisert. Etter å ha vært polarisert over tid ble kalkholdig lag observert på overfaletene som har redusert strømbehovet til henholdsvis, 80 mA /m^2 og 75 mA /m^2. Tilstededeværelse av dette laget vil redusere antall offeranoder som trengs for beskyttelse. De tribologiske testene indikerer at så lenge SDSS er beskyttet av xylanbelegg, akkumulerer ikke kalkholdige elementer på xylanoverflaten som påvirker glidningen. Men når xylan belegget degraderes og eksponerer SDSS, vil kalkholding lag øke friksjonen under glidning. Friksjonskoeffisienten var målt til å være 0.42. Økende hastighet av sjøvann under forflytning av farttøy vil påvirke strømbehovet til gjengestangen og mutteren, og vil da påvirke mengde anoder som trengs for å oppnå beskyttelse gjennom levetiden. Al offeranoder er montert på foliemodulen for å beskytte metalloverflatene. Når man antar at gjengestangen og mutteren hovedsakelig vil bestå av SDSS og NAB på grunn av degradert belegg, ble en mengde offeranoder anslått til 186 for å beskytte komponentene gjennom hele levetiden på 25 år.

The concept of foils as a method of increasing performance of sea-faring vessels is well known. However, due to challenges resulting from having a permanent fixed foil attached to the hull, the concept has not seen much use. Solutions to these challenges have been highly sought after, as the potential fuel savings marine vessels will experience are significant. A retractable foil system is currently under development by Wavefoil AS. By using a power screw and nut to extend and retract the foils, Wavefoil intends to solve many of these challenges.

A xylan coated 25 Cr stainless steel (SDSS) power screw with a connecting nickel-aluminium bronze (NAB) nut will provide the translatory movement of the foils. The SDSS power screw and NAB nut will act as sliding surfaces in seawater and will be prone to corrosion and wear degradation. The main objective of this thesis is to provide an insight into the electrochemical and mechanical degradation the materials are facing during operation. The properties of SDSS and NAB have previously been explored by other researchers, but the main uncertainty was how the xylan coating would be affected by being a sliding surface in seawater when cathodically protected. Long term corrosion experiments were performed to study how the materials are affected by being immersed in seawater at open circuit potential (OCP) and when cathodically polarized to a protecting potential. The tribological performance of the materials was explored in dry conditions and in seawater at OCP and when cathodically polarized.

On the basis of the results presented in this thesis, the xylan coating appears to be sensitive towards cathodic disbonding. Hence, it is likely that the sliding movement will occur mainly between the uncoated SDSS power screw and NAB nut. Long term corrosion experiments show that similar current demand is required for SDSS and NAB when cathodically protected with a current density of 80 mA/m^2 and 75 mA/m^2, respectively. Calcareous deposits were detected on the surfaces by using EDS. This will lower the total mass of sacrificial anodes needed for protection. The tribology results indicated that as long as SDSS is protected by xylan coating, the calcareous deposits are not accumulating extensively on the xylan surface affecting the sliding. While sliding NAB against SDSS calcareous deposits were formed on the SDSS surface increasing the sliding resistance. The COF was measured to be 0.42. The current density demand will be affected by flowing seawater during movement of the vessel and will affect the number of anodes needed to protect the components. Al sacrificial anodes are mounted on the foil module for protecting the metal surfaces. When assuming that the power screw and nut connection will mainly consist of SDSS and NAB due to degraded coating, the number of sacrificial anodes were estimated to be 186 to achieve full protection throughout the lifetime of 25 years.