某輪螺旋槳損壞修理和檢驗控制分析

林 杰

(中國船級社福州分社 福州350008)

1 事故簡要經(jīng)過及損壞原因分析

某5萬t級散貨船在冰區(qū)航行時主機(jī)負(fù)荷異常，原先滿載航行主機(jī)轉(zhuǎn)速為76 r/min，此時油門加到最大也只能達(dá)到42 r/min，且操左舵20°～25°才能把定航向。經(jīng)水下檢查，發(fā)現(xiàn)螺旋槳損壞，見圖1。

圖1 槳葉變形

對槳葉進(jìn)行水下局部臨時對稱切割后繼續(xù)航行，主機(jī)可以保持68 r/min，航速約10 kn，負(fù)荷低于原來的工況。該船到港卸貨后進(jìn)塢，檢查螺旋槳槳葉切口平齊對稱(見圖2)，然后抽出艉軸和卸下舵桿檢查，艉軸、艉軸承(見圖3)和前后艉軸封均無明顯缺陷，外觀檢查和探傷均合格，但發(fā)現(xiàn)該船舵桿向右扭轉(zhuǎn)變形25°左右(見圖4)，舵葉上有兩處較深的凹坑。

該輪在冰區(qū)航行時，雖然采取了一些附加防范措施，但主要是從防凍角度去準(zhǔn)備的，對船舶航行操縱方面考慮很少。離開港口時雖然依靠破冰船協(xié)助離開，但由于冰層較厚，碎裂的冰塊體積較大，且在低溫的情況下螺旋槳材料脆性增加，在碎裂冰塊滑行至螺旋槳附近時被吸入螺旋槳，并撞擊槳葉;因螺旋槳處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，葉梢處的線速度較大，浮冰的相對動量較大，沖擊力較大，導(dǎo)致槳葉折斷。

依據(jù)水下拍攝相片，槳葉折斷處殘留金屬是從吸力面向壓力面彎曲。分析認(rèn)為，冰塊遭螺旋槳撞擊后，冰塊動能增加，快速撞向舵葉，本船使用電動液壓舵機(jī)系統(tǒng)，在冰塊快速撞擊時，液壓系統(tǒng)中油缸內(nèi)液壓油壓力迅速升高，雖然液壓系統(tǒng)安全閥可以開啟，但是在極短時間內(nèi)無法迅速排出油缸中高壓液壓油，這時舵葉與冰塊之間就形成了剛性碰撞，造成舵桿扭轉(zhuǎn)變形并在舵葉上留下較深的凹陷變形。

2 修理前準(zhǔn)備

首先將螺旋槳從艉軸上卸下，清潔后對其進(jìn)行外觀檢查和全面的著色探傷，測量確定損壞范圍，損壞基本，見表1，槳葉損壞情況見圖5。

表1 槳葉損壞基本數(shù)據(jù)

圖5 槳葉損壞情況

經(jīng)查閱該輪船上螺旋槳圖紙資料，該螺旋槳為5葉定距槳，直徑為7 500 mm，重量23 200 kg，0.7R處螺距為5 740 mm，側(cè)斜角為22°，材料為鎳鋁青銅(Cu3)，成分見表2。

表2 螺旋槳材料成分

3 修理過程

1)搭建一個安全、防風(fēng)、防雨的工作平臺，并將螺旋槳放平，吸力面朝上放置，見圖6。根據(jù)測量確定的損壞區(qū)域位置和面積制作樣板，依據(jù)樣板在制備的板材上進(jìn)行焊接前的切割，并留有一定的余量，保證槳葉修理的外觀形狀。

圖6 槳葉位置

2)將原槳葉面拋光，進(jìn)行全面的著色探傷，開60°V形焊接坡口，同時對坡口位置進(jìn)行著色探傷。開坡口時吸力面開到底，待槳葉翻身后，壓力面朝上重新開坡口到底，中間有焊縫交叉厚度約為焊縫總厚度的1/3，見圖7。

圖7 槳葉開口

3)對制備板材開60°V形焊接坡口，并對坡口位置進(jìn)行探傷，槳葉本體和焊接板材裝配時依據(jù)螺距尺寸和槳葉的線形確定相關(guān)位置，裝配定位間隙為5 mm，定位要求盡量準(zhǔn)確并適當(dāng)控制焊接時產(chǎn)生的變形余量。

4)焊接由專業(yè)焊工操作，并隨時測量預(yù)熱溫度和層間溫度，先焊吸力面，再焊壓力面，焊接時確保預(yù)熱溫度在100℃以上，焊接時的層間溫度不超過250℃;焊接前采用天然氣柔火氣炬對螺旋槳進(jìn)行預(yù)熱，避免使用集中火炬加熱，同時防止局部過熱;焊接時采用紅外線測溫儀對焊縫位置以及周邊預(yù)熱區(qū)域進(jìn)行實時測量。［1］

5)采用德國產(chǎn)MIG氬弧焊機(jī)燒焊，焊絲選用安博科牌Cu3焊絲，焊絲直徑1.2 mm，焊接時采用氬氣保護(hù)焊，焊絲化學(xué)成份滿足要求。焊接時層間溫度控制在250℃以內(nèi)，焊接電壓24～26 V，電流為210～230 A。

6)焊接完畢后，使用保溫毯保溫，使之慢慢冷卻至室溫，進(jìn)行焊縫打磨并對槳面拋光處理，再對修理區(qū)域(焊接位置)探傷。

7)如有槳葉變形，用電熱絲加熱器加熱，對變形區(qū)域及其每邊各500 mm寬的區(qū)域加熱到700～900℃后進(jìn)行矯正，矯正修整后用保溫毯包裹保溫并使之緩慢冷卻至室溫。

8)槳葉矯正和槳距修正后，進(jìn)行螺距測量和靜平衡試驗，并出具有關(guān)測試報告，數(shù)據(jù)符合設(shè)計圖紙后進(jìn)行熱處理。

9)本次修理采用鎳鋁青銅作為填充金屬，在螺旋槳焊補(bǔ)和矯正后，對焊接區(qū)域和熱影響區(qū)域進(jìn)行熱處理，釋放殘余應(yīng)力。具體方法是以不超過100℃/h的速度加熱至500℃，保溫3～4 h，再以不超過50℃/h的速度降至室溫，見圖8。在整個熱處理過程中，對螺旋槳提供足夠的支承以減小槳葉變形。

圖8 熱處理溫度變化示意

10)對焊縫、原槳葉和新鑄槳葉部分進(jìn)行硬度測量，槳葉再一次全面探傷，確認(rèn)無缺陷后，出具硬度測試報告和槳葉探傷報告。

4 修理過程質(zhì)量控制及檢驗

1)根據(jù)螺旋槳圖紙資料，確定槳葉側(cè)斜角，并據(jù)此審核相應(yīng)工藝是否合適。該槳葉側(cè)斜角為22°，應(yīng)為低側(cè)斜角螺旋槳［2］，且根據(jù)損壞預(yù)檢情況(見圖5)可知，槳葉折斷部分均在0.7R以外區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆贑區(qū)［3］。依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，可以采用焊接修補(bǔ)方式。

2)在焊補(bǔ)前，應(yīng)對螺旋槳進(jìn)行全面著色探傷，包括坡口處探傷，以此來確認(rèn)螺旋槳本體是否還有其它缺陷。該槳葉經(jīng)全面探傷后，發(fā)現(xiàn)有2處微小裂紋存在，經(jīng)打磨處理，發(fā)現(xiàn)裂紋并不深，采用打磨至無裂紋后焊補(bǔ)再打磨的方法去除，至探傷無缺陷。

3)對原材料及新制備材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，并對焊接標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度試驗和酸蝕試驗等?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果見表3、表4，新制備槳葉材料與原槳材料的成份都在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，說明可以進(jìn)行焊接，對焊接標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行拉伸試驗時，抗拉強(qiáng)度為535 MPa，最終斷裂于原槳葉材料處，說明新制備槳葉材料及焊縫材料(填充金屬)的抗拉強(qiáng)度高于原材料，滿足焊補(bǔ)要求。

表3 原槳葉材料

表4 新制備槳葉材料

4)吸力面、壓力面開坡口以及焊接后，均應(yīng)對坡口及焊縫部位進(jìn)行探傷，防止出現(xiàn)坡口及焊縫缺陷，導(dǎo)致后續(xù)工作的失敗，在焊接時應(yīng)保持焊接坡口干凈和干燥，在焊下一道前應(yīng)清除熔渣、咬邊及其它缺陷。

5)在銑削加工時，應(yīng)隨時測量螺距及槳葉厚度，防止銑削過度。銑削完成后，再次測量螺距及厚度，并根據(jù)原圖紙進(jìn)行校核，保證銑削完成后相關(guān)參數(shù)滿足原設(shè)計圖紙要求;銑削完成后，進(jìn)行熱處理。熱處理后，應(yīng)再次進(jìn)行槳葉全面探傷，最終確認(rèn)螺旋槳焊補(bǔ)修復(fù)后，整個槳葉無缺陷。

6)螺旋槳硬度測試，本體、新板材硬度基本相近，焊縫硬度略高于本體和新板材，滿足相關(guān)要求。

7)靜平衡試驗。螺旋槳是大質(zhì)量周向運動件，平衡的好壞對于軸系及其附件的影響非常大。根據(jù)船舶圖紙資料，原槳的靜平衡允許誤差為17.4 kg，制造時不平衡量為9.2 kg，本次修復(fù)后，螺旋槳靜平衡試驗不平衡量為6.5 kg，見圖9，靜平衡滿足要求后，根據(jù)船舶圖紙資料相關(guān)要求裝復(fù)螺旋槳(見圖10)，經(jīng)檢驗合格。據(jù)船上反饋，本船螺旋槳及軸舵系在第一航次海上航行中工作正常。

5 槳葉修補(bǔ)注意事項

1)需根據(jù)不同修理部位采取不同的修理工藝。螺旋槳槳葉分為高側(cè)斜角與低側(cè)斜角槳，螺旋槳的最大側(cè)斜角為:在槳葉的正投影圖上，從葉尖到槳軸中線的直線和從軸中線作出與螺旋槳的槳葉截面弦長中點連線相切的直線的夾角，高側(cè)斜螺旋槳的側(cè)斜角大于25°，低側(cè)斜螺旋槳的側(cè)斜角不大于25°，并據(jù)此將槳葉劃分為不同的危險區(qū)域，不同的危險區(qū)域應(yīng)力不同，對不同的危險區(qū)域的修理工藝及檢測要求也大不相同。因此，在槳葉修補(bǔ)前，必須首先確定槳葉的側(cè)斜角，并據(jù)此劃分槳葉的危險區(qū)域，再根據(jù)槳葉擬修補(bǔ)的不同部位在危險區(qū)域內(nèi)的分布情況，制訂不同的修理工藝和檢測要求，這一點尤為重要;

2)根據(jù)相對應(yīng)的通過焊接試驗驗證過的焊接工藝進(jìn)行施焊，不同的焊接工藝對應(yīng)不同的焊接要求，其中的電流和電壓，以及焊接層間溫度有嚴(yán)格的控制要求，需要切實滿足相應(yīng)要求，并注意時刻保證各個數(shù)據(jù)滿足焊接工藝要求;

3)在各個關(guān)鍵節(jié)點上必須充分認(rèn)識探傷的重要性，并注重探傷的層次性。如在修理前要進(jìn)行全槳探傷，以發(fā)現(xiàn)所有肉眼不易察覺的裂紋和隱性缺陷，不留安全隱患。例如，本次就發(fā)現(xiàn)兩處微小裂紋，經(jīng)修理后探傷至無缺陷，避免了潛在的安全隱患;在修理過程中，吸力面、壓力面開坡口以及焊接后，均應(yīng)對坡口及焊縫部位進(jìn)行探傷，防止出現(xiàn)坡口及焊縫缺陷，導(dǎo)致后續(xù)工作的失敗;銑削加工完成并經(jīng)熱處理后，應(yīng)再次進(jìn)行槳葉全面探傷，以確認(rèn)螺旋槳焊補(bǔ)修理所有工序全部完成后整個槳葉無缺陷;

4)退火處理的必要性，螺旋槳焊補(bǔ)后，新老材料之間存在殘余應(yīng)力，需要重新作相應(yīng)的熱處理消除其中殘余應(yīng)力。

6 結(jié)論

1)本船在發(fā)現(xiàn)主機(jī)負(fù)荷異常后，船員采取了比較恰當(dāng)?shù)奶幚泶胧档椭鳈C(jī)轉(zhuǎn)速，從而降低了螺旋槳不平衡對軸系的影響，減小了對軸系及主機(jī)的損害，且在損壞后時刻關(guān)注艉軸承及中間軸承的溫度變化情況，保持各溫度在正常范圍之內(nèi)，隨后在水下進(jìn)行螺旋槳切割，雖然減小了螺旋槳的水力效果，但卻使螺旋槳重新恢復(fù)了平衡，使主機(jī)在低速下運轉(zhuǎn)，將軸系的損傷降低到最小程度。

2)槳葉修補(bǔ)過程中，注意了有關(guān)事項，保證了槳葉的修復(fù)質(zhì)量。

［1］中國船級社上海規(guī)范所.材料與焊接規(guī)范(2009)［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院.船舶軸系修理勘驗技術(shù)要求CB/T 3416-92［S］.北京:船舶標(biāo)準(zhǔn)信息咨詢中心，1992.

［3］中國船級社上海規(guī)范所.船舶焊接檢驗指南(2008)［S］.北京:人民交通出版社，2008.