“高速快船”舵桿修理工藝研究

繆志程，趙華鋒

(上海船廠船舶有限公司，上海 202156)

舵系修理是船舶輪機(jī)修理的主要項(xiàng)目，絕大多數(shù)的舵系修理工程僅僅是對(duì)舵系易損部件進(jìn)行測(cè)量更換，如舵桿-舵銷軸承，舵桿-舵銷軸套等的更換;涉及到舵桿本體的損傷修理比較少見(jiàn)，特別是舵桿上應(yīng)力集中部位出現(xiàn)的較深裂紋的損壞，基本上都無(wú)法修理，直接報(bào)廢。

由于舵桿形狀特殊，一般很難在短時(shí)間里找到備用的舵桿，一旦舵桿被判報(bào)廢，就必須新制舵桿。新制舵桿需要鍛制材料，做機(jī)械性能試驗(yàn)，機(jī)加工等最短也需要3～5月左右的周期，對(duì)于船東來(lái)說(shuō)，讓船舶停泊3～5月而無(wú)法運(yùn)營(yíng)，會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。如果能夠制定合理的焊接工藝、并利用電加熱設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱處理消除焊接應(yīng)力，修復(fù)此類舵桿，對(duì)于船廠和船東來(lái)說(shuō)都是“雙贏”。

1 問(wèn)題的提出

近期公司承接了德國(guó)“奧登道夫”航運(yùn)公司(OLDENDORFF CARRIERS GmbH＆Co.KG)的“高速快船”修理工程，該船為28 000 DWT散貨船，舵系為半懸掛舵結(jié)構(gòu)，舵桿尺寸如圖1。

圖1 舵桿圖

船舶進(jìn)塢拆卸舵系時(shí)，發(fā)現(xiàn)舵桿連接法蘭的過(guò)渡圓弧處存在嚴(yán)重的裂紋 (見(jiàn)圖2)。裂紋沿著兩側(cè)過(guò)渡圓弧分布，有多條連續(xù)組成，最長(zhǎng)的達(dá)到450 mm左右。舵桿拆卸進(jìn)車間后，觀察連接法蘭平面后，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的裂紋幾乎已經(jīng)裂穿。

對(duì)舵桿連接法蘭平面兩側(cè)的裂紋進(jìn)行仔細(xì)探傷測(cè)量后，裂紋大致形狀如圖3，圖3僅表示大致的長(zhǎng)度和范圍，實(shí)際上是由多條裂紋組合而成的。

2 問(wèn)題分析

圖2 舵桿過(guò)渡圓弧處裂紋圖

圖3 舵桿連接法蘭裂紋示意圖

根據(jù)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《船舶舵系舵桿修理技術(shù)要求 (CB/T 3425-92)》［1］的規(guī)定:“舵桿上不允許有橫向裂紋存在，縱向裂紋長(zhǎng)不超過(guò)軸頸公稱尺寸的1/4，數(shù)量不超過(guò)3條且不在同一母線上，深度不超過(guò)公稱尺寸的5%”。該舵桿的各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上述規(guī)定，一般被判為報(bào)廢。

對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)分析后認(rèn)為，之所以此類舵桿被船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)判為報(bào)廢，是因?yàn)槎鏃U產(chǎn)生了諸多裂紋后必須去除裂紋進(jìn)行補(bǔ)焊修理;而補(bǔ)焊修理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力，由于舵桿的形狀復(fù)雜，在使用時(shí)又承受了整個(gè)舵葉的重量和轉(zhuǎn)舵的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)承受著海浪的巨大沖擊力;特別是連接法蘭圓弧這樣的敏感部位一旦存在應(yīng)力，極易在外力的作用下引發(fā)新的裂紋。按照以前的工藝方法，要去除應(yīng)力必須進(jìn)行舵桿整體退火處理，整體退火后還會(huì)產(chǎn)生新的變形，舵桿的軸頸，錐體、螺紋、連接法蘭等部位都需要重新加工調(diào)整，與之配合的軸套、螺母等部件也要換新，同樣工程巨大，還不如新制舵桿方便。

船東咨詢后得知，新制1根舵桿需要3～5月的周期且費(fèi)用昂貴。船東也試著尋找舊舵桿改制加工后使用，但無(wú)法找到類似可改制的舊舵桿，作為營(yíng)運(yùn)的船舶，停航數(shù)月待修的經(jīng)濟(jì)損失也相當(dāng)大。

船東和BV船級(jí)社初步協(xié)商研究后決定，對(duì)該舵桿進(jìn)行臨時(shí)性焊接修復(fù)繼續(xù)使用，待新制舵桿完工后再更換。但保險(xiǎn)公司不接受這一方案，保險(xiǎn)公司只能提供一次性賠付，要么舵桿換新，要么永久性焊接修復(fù)該舵桿。公司相關(guān)人員研究后認(rèn)為，焊接修復(fù)該舵桿確實(shí)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，類似的舵桿修理國(guó)內(nèi)無(wú)先例，但本著技術(shù)創(chuàng)新、努力為船東排憂解難的宗旨，公司決定頂住壓力，承接了舵桿的修復(fù)工程。舵桿焊接修復(fù)存在以下問(wèn)題。

1)舵桿采用鍛鋼制造，焊接修理需要知道詳細(xì)的化學(xué)成分。

2)鍛鋼件焊接，厚度達(dá)到100 mm以上，采用多道焊接，必須制定詳細(xì)的焊接工藝。

3)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，可能使得連接法蘭產(chǎn)生變形，無(wú)機(jī)加工修正余量。

4)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，如何去除，并保證不影響軸頸和錐體。

3 制定焊接工藝，做好工藝評(píng)定

3.1 確定舵桿材質(zhì)

焊接修理首先需要知道舵桿的材質(zhì)。經(jīng)查閱船方圖紙，該舵桿由大連船廠制造。原設(shè)計(jì)圖 (圖號(hào):DCY433-231-002)注明:“本鍛件材料的化學(xué)成分及機(jī)械性能應(yīng)符合現(xiàn)行美國(guó)ABS規(guī)范第2部分 (材料與焊接)第一節(jié)及ASTM A668 B級(jí)材料的有關(guān)要求及規(guī)定”，查閱資料得知ASTM A668 B級(jí)材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能如表1、表2。圖紙上沒(méi)有明確的含碳量，又查閱了舵桿制作的檢驗(yàn)報(bào)告，根據(jù)舵桿的化學(xué)成分分析應(yīng)該是20Mn，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。

3.2 編寫(xiě)PWPS

對(duì)于20 Mn這樣的低碳合金鋼鍛件的焊接，必須取得相關(guān)船級(jí)社認(rèn)可方能進(jìn)行施工。此次焊接修補(bǔ)以對(duì)接焊為主，焊接形式為橫焊和立焊。舵桿連接法蘭厚度為100 mm，但圓弧處厚度增加，最厚處有120 mm。根據(jù)BV規(guī)范，對(duì)于多道焊接，工藝評(píng)定覆蓋范圍是試板厚度的0.5～2倍，因此選取試板厚度為60 mm。

表1 ASTM A668 B級(jí)材料的化學(xué)成分

表2 ASTM A668 B級(jí)材料的機(jī)械性能

由我公司船研所根據(jù)BV的相關(guān)要求編寫(xiě)PWPS，材料為20Mn，采取J507手工焊，焊前預(yù)熱，焊后通過(guò)電加熱做熱處理消除應(yīng)力。PWPS得到了BV船級(jí)社的認(rèn)可。

3.3 做焊接工藝評(píng)定

PWPS獲得船級(jí)社通過(guò)后，安排做試板工藝評(píng)定，嚴(yán)格按照要求操作，試板的焊接坡口采用機(jī)械加工，見(jiàn)圖4。

試板焊接完全按照PWPS的要求，對(duì)橫焊和立焊分別進(jìn)行，安排有資格證書(shū)的焊工進(jìn)行焊接，焊接完成做熱處理去除應(yīng)力。冷卻后在BV驗(yàn)船師的監(jiān)督下做焊縫超聲波探傷檢查，根據(jù)要求制作試棒做機(jī)械性能試驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)均符合要求，獲得了BV船級(jí)社的WPQR證書(shū)。

4 實(shí)際修理過(guò)程控制

為了確保周期，舵桿的修理工作與工藝評(píng)定同步進(jìn)行。先對(duì)舵桿的裂縫進(jìn)行徹底探傷檢查，找出兩邊圓弧處的裂紋，做好標(biāo)記。根據(jù)舵桿裂縫分布情況，舵桿裂紋的修補(bǔ)范圍見(jiàn)圖5，由于舵桿連接法蘭形狀特殊，尺寸較大，決定修理分2步進(jìn)行。由于圓弧為應(yīng)力集中區(qū)，我們第一步先修理圓弧區(qū)，第二部修理法蘭平面，修理前先鉆好止裂孔。

圖5 舵桿焊接修理示意圖

4.1 連接法蘭圓弧處焊接修理

為了防止圓弧處焊接產(chǎn)生拉應(yīng)力，影響連接法蘭面與舵桿中心線垂直度，修理前先在法蘭平面焊接3塊定位工藝板，見(jiàn)圖6。

圖6 舵桿連接法蘭平面加焊定位板圖

為了提高焊接質(zhì)量，采用機(jī)械加工的方式去除裂紋，并開(kāi)設(shè)焊接坡口。由于舵桿圓弧處位置特殊，鏜床無(wú)法加工坡口，采用先機(jī)械鉆孔，再人工磨削的方式加工圓弧處的焊接坡口，見(jiàn)圖7。

圖7 舵桿兩側(cè)圓弧磨削成型的坡口圖

焊接坡口加工完成后進(jìn)行焊接，用電加熱板，非石棉保溫材料包裹連接法蘭，由電加熱設(shè)備先預(yù)熱至150℃以上再進(jìn)行焊接，焊接由2名工人在兩側(cè)焊縫同時(shí)進(jìn)行，既能提高速度，還能減少對(duì)稱施焊變形。焊接過(guò)程中派工人測(cè)量焊縫溫度，以符合工藝要求。焊接是連續(xù)進(jìn)行的，晚上焊接室溫低于5℃時(shí)會(huì)影響焊接質(zhì)量，采用紅外線燈光照射，以提高施工環(huán)境溫度。

焊接完成后，進(jìn)行熱處理，逐步加熱至580～620℃，保溫1 h后緩慢冷卻，釋放應(yīng)力。熱處理完成，打開(kāi)保溫布，檢查焊縫，對(duì)焊縫進(jìn)行打磨。然后做探傷檢查，檢查合格，第一步焊接修理完成。

4.2 連接法蘭平面處焊接修理

第一步圓弧處焊接修理完成后，拆除連接法蘭平面的3塊定位板。為了防止連接法蘭平面焊接時(shí)，產(chǎn)生拉應(yīng)力，影響連接法蘭面與舵桿中心線垂直度，我們?cè)诙鏃U兩側(cè)圓弧處焊接6塊三角定位工藝板 (見(jiàn)圖8)。

圖8 舵桿兩側(cè)圓弧處加焊定位三角板圖

舵桿連接法蘭平面的坡口可以直接在鏜床上加工。焊接坡口加工完成后進(jìn)行焊接，同樣用電加熱板和非石棉保溫材料包裹連接法蘭，由電加熱設(shè)備預(yù)熱至150℃以上再進(jìn)行焊接，焊接由2名工人在兩側(cè)焊縫同時(shí)進(jìn)行對(duì)稱施焊，既能提高速度，還能減少變形。

焊接完成后，進(jìn)行熱處理，逐步加熱至580～620℃，保溫1 h后緩慢冷卻，釋放應(yīng)力，見(jiàn)圖9。熱處理完成，打開(kāi)保溫布，檢查焊縫。上鏜床對(duì)焊縫粗加工方便做探傷。然后做超聲波探傷檢查，檢查確定焊接合格。

圖9 舵桿連接法蘭平面焊接后熱處理圖

如果探傷發(fā)現(xiàn)某些部位存在缺陷，應(yīng)鏜削修補(bǔ)層至缺陷去除，然后重新做預(yù)熱、焊接和熱處理、再探傷檢查，直至全部合格為止。至此第二步焊接修理也完成。

4.3 機(jī)加工修理

裂縫焊接修理完成，拆除所有三角板，上平板劃線，按照舵桿中心線劃出連接法蘭平面加工線，加工連接法蘭平面，見(jiàn)圖10。此次焊接修理雖然焊接修補(bǔ)量很大，由于先前做好了防變形措施，焊接后平面偏差得到了控制，鏜除6 mm后就符合了垂直度要求，根據(jù)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《船舶舵系舵桿修理技術(shù)要求 (CB/T 3425)》的規(guī)定:“舵桿連接法蘭在修理后，允許厚度減少的極限是設(shè)計(jì)尺寸的10%”。該舵桿連接法蘭設(shè)計(jì)為100 mm，減少6 mm在允許范圍內(nèi)。

圖10 舵桿連接法蘭平面機(jī)加工圖

舵桿連接法蘭與舵葉法蘭平面，原設(shè)計(jì)中間部分有2 mm透空不接觸，見(jiàn)圖11。設(shè)計(jì)成法蘭平面中間不接觸，是為了防止平面加工后出現(xiàn)中間凸起，造成四周接觸不良，但中間透空也會(huì)減少平面接觸面積，使得傳遞轉(zhuǎn)矩全靠法蘭四周的摩擦力。鑒于此次修理過(guò)程中減小了連接法蘭的厚度，為了提高舵桿平面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩的能力，取消了法蘭中間的透空部分;為了防止平面中間凸起導(dǎo)致四周接觸不良，采用人工拂磨的方法分別對(duì)舵桿和舵葉的連接法蘭平面進(jìn)行拂平，整個(gè)接觸面要求為每645 mm2(每平方英寸)≥2～3點(diǎn)。

圖11 舵葉法蘭平面圖

舵葉、舵桿連接法蘭平面拂配后將舵葉舵桿在車間進(jìn)行預(yù)裝，加工6個(gè)連接鉸制螺栓孔，新配鉸制螺栓。舵系各部件加工完成后吊船安裝 (見(jiàn)圖12)，操舵試驗(yàn)合格，“高速快船”順利出廠。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖12 舵桿、舵葉安裝完工圖

“高速快船”的舵桿修理工程，公司相關(guān)工程技術(shù)人員、生產(chǎn)管理人員和操作人員一起，會(huì)同船東、船檢大膽創(chuàng)新，突破了舵桿應(yīng)力集中部位貫穿裂縫焊接修復(fù)的禁區(qū)。相關(guān)人員在整個(gè)修理過(guò)程中認(rèn)真細(xì)致、一絲不茍，嚴(yán)格按照工藝要求操作，精益求精、力求完美，最終順利解決這一難題。船舶出廠后進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，船東反饋舵桿使用正常。

在修理過(guò)程中，公司也積累了大型低碳合金鍛鋼件的焊接、探傷和熱處理控制等經(jīng)驗(yàn)，并獲得BV船級(jí)社30～120 mm的20 Mn鍛鋼焊接工藝認(rèn)可證書(shū) (WPQR)，今后將在大型鍛制舵桿、舵軸等損壞修復(fù)領(lǐng)域繼續(xù)探索。

［1］CB/T 3425-92，船舶舵系舵桿修理技術(shù)要求 ［S］.

［2］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)聯(lián)合編寫(xiě)組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) ［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1978.