CMT 33/2015

Beschädigungsresistente Oberflächenbeschichtungen maritimer Strukturen bei typischen Betriebs- und Umweltbelastungen am Beispiel Ruder (BESOMA)

 

Fraunhofer-Gesellschaft e.V., Fraunhofer Anwendungszentrum für Großstrukturen in der Produktionstechnik
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel, M.Sc. Michel Hauer

 

Helmut-Schmidt-Universität - Universität der Bundeswehr Hamburg, Institut für Werkstofftechnik
Prof. Dr.-Ing. Thomas Klassen, Dr. Frank Gärtner, Dipl.-Wi.-Ing. Sebastian Krebs

 

Das IGF-Vorhaben 17135 N der Forschungsvereinigung Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

 

Der Bericht kann bei CMT bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an igf(at)cmt-net.org

 

Projektbegleitender Ausschuss (PA):

Abeking & Rasmussen AG, Hr. Fach

Becker Marine Systems GmbH, Hr. Mehldau

Flensburger Schiffbau-Gesellschaft mbH, Hr. Stoye

DNV GL SE, Hr. Hachmöller

Linde AG, Hr. Krömmer

Lindenau Shipyard GmbH, Hr. Kühne

Meyer Werft GmbH, Hr. Witolla

Muehlhan AG, Dr. Momber

ND Coatings GmbH, Hr. Etzold

obz innovation GmbH, Dr. Trenkle

Ostseestaal GmbH, Hr. Schellhorn, Hr. Steiner

Praxair Surface Technologies GmbH, Dr. Stoltenhoff, Dr. Pogan

Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH, Dr. Mehmel, Hr. Heinke

SUT Schweiß- und Umwelttechnik GmbH, Hr. Bartels

 

Zusammenfassung

Massive Erosionserscheinungen an modernen Containerschiffen und Fähren können die Sicherheit des Schiffsbetriebes gefährden. Kritisch ist insbesondere die Kavitationserosion, die durch die Bildung / Auflösung von Dampfblasen bei Druckschwankungen entsteht. Daneben bewirkt aufgewirbeltes Sediment im umgebenden Anströmbereich einen erhöhten Ober-flächenabrieb, das Salzwasser bewirkt eine erhöhte Seewasserkorrosion. Die Beseitigung der Folgen dieses tribologischen Systems im Ruder- und Achterschiffsbereich stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. In der Schiffsentwurfsphase werden moderne Simulationsver-fahren eingesetzt und deren Ergebnisse in Modellversuchen im Kavitationstunnel und Schlepptank validiert. Die Bereiche der Kavitationsgefährdung können somit rechnerisch und experimentell gut ermittelt werden. In der Praxis werden die Schiffe mindestens alle 5-7 Jahre gedockt, um die aufgetretenen Schäden meist aufwendig durch Auftragsschweißen und Schleifarbeiten zu beseitigen. Bei großvolumigen Ruderanlagen im Schiffbau bzw. im Ach-terschiffsbereich wurde das thermische Spritzen bisher nicht eingesetzt. Die betreffenden Stahloberflächen werden mit organischen Beschichtungen und i.d.R. zusätzlich mit Opfer-anoden aus Zink versehen. Diese werden regelmäßig nach dem Eindocken des Schiffes erneuert.

Die Zielsetzung des Projekts bestand daher in der Entwicklung eines Verfahrens zum voll-ständigen oder partiellen Beschichten durch Kaltgasspritzen von beständigen Materialien auf Ruderanlagen- und umgebende Achterschiffsbereiche, um Kavitations-, Abrasions- und Kor-rosionsschäden der betreffenden Oberflächen deutlich zu reduzieren. Dafür musste das Verfahren v.a. auf Werkstoffe für den maritimen Einsatz abgestimmt werden. Die sich daraus ergebenden wesentlichen Aufgaben des Projektes bestanden darin, geeignete Materialien wie die verwendete Bronze CuAl10Fe5Ni5, welche u.a. im Propellerbau Anwendung findet, auf deren Verarbeitbarkeit durch Kaltgasspritzen für maritime Strukturen sowie für den Schiffbau gegebene Grundwerkstoffe (GL-A, t = 15 mm) zu untersuchen und die Prozessparameter entsprechend zu optimieren. Auf Grund dieser für das Kaltgasspritzverfahren neuartigen Werkstoffkombinationen kam es zu vorher nicht absehbaren Komplikationen und Ver-zögerungen, die insbesondere die Pulvervorbehandlung und Parameteranpassung betrafen. Trotz dieser Probleme ist es gelungen, kaltgasgespritzte Mehrstoffbronzen-Schichten herzu-stellen, deren Kavitationserosionsbeständigkeit dickeren, geschweißten Schutzschichten aus rostfreiem Stahl 316L deutlich überlegen ist.


Abstract

Travelling with higher speeds, modern containerships and ferries have to face problems of rudder erosion. One main factor is cavitation erosion, where pressure oscillations cause the formation and collapse of vapor bubbles. Apart from that, the naval ambience leads to high corrosion rates and erosive wear by dispersed sediments. These 3 types of erosive damage at the rudder and stern area of ships cause high costs. During the design phase of the ship construction, hydrodynamic calculations are performed to optimize propeller-rudder interac-tions to minimize cavitation. In addition, such simulations are validated in cavitation tunnel tests with model ships and structures. By that, critical areas for cavitation can easily be identified. However, erosive interactions can hardly be eliminated. As a result, ships need to be docked at least every 5-7 years to repair damages mostly by time-consuming and expensive weld cladding and additional grinding. Thermal spraying is not yet used for protecting large rudder or stern areas in ship-building. So far, the surfaces are mostly coated with organic materials. For corrosion protection, sacrificial zinc anodes are in use.

The aim of this study was to develop parameters to process protective coatings for complete or partial part coverage by cold spraying onto ship rudders and the surrounding stern area of a modern ship to reduce damages by cavitation erosion, abrasion and corrosion. For that, cold spraying had to be tuned for materials in use in marine environments The main challenge was to find and to adjust parameters for applicable materials such as the selected bronze CuAl10Fe5Ni5, which is widely used in propeller building, for cold spraying onto typical ship rudder materials (as GL-A / steel S 235, t =15 mm). This new combination of materials resulted in unforeseen complications with respect to powder treatments and extensive parameter adjustments, thus causing unexpected delays in the project schedule. Nevertheless, the results of the project demonstrated that cold sprayed bronze coatings show a higher cavitation erosion resistance than much thicker weld cladded stainless steel 316L coatings.

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