船用錨的典型缺陷分析及預(yù)防

常 寧

船用錨的主要功能是系泊。船舶在貨物作業(yè)、PSC檢查、躲風(fēng)浪、等靠泊、等潮汐的狀況下必須拋錨。船舶在拋錨時(shí)，通過(guò)錨在海底與海床的抓力，抵御風(fēng)浪、水流等對(duì)位置的影響，將自身限定在安全范圍之內(nèi)。此外，船用錨也可輔助船舶操作動(dòng)作，例如離靠碼頭和泊位，在狹窄水道進(jìn)行調(diào)頭及應(yīng)急時(shí)的減速停船等。因此，性能良好的船用錨對(duì)船舶的安全運(yùn)營(yíng)具有重大意義。

一、錨的類型與結(jié)構(gòu)

（一）錨的發(fā)展歷程

船用錨的發(fā)展是從19世紀(jì)初中期的有桿錨開(kāi)始，直到19世紀(jì)末的無(wú)桿錨時(shí)代，以及20世紀(jì)中期的大抓力錨時(shí)代[1]?，F(xiàn)今，隨著有桿錨被淘汰，無(wú)桿錨和大抓力錨已被普及使用，其可分為三代：第一代是以霍爾錨為主的無(wú)桿錨，典型類型如表1所示；第二代是以無(wú)桿大抓力AC-14型錨為代表，以及斯托克斯錨、德宏錨、波爾錨等；第三代是新型的DA-1型錨，其在設(shè)計(jì)中通過(guò)改良避免了第二代錨所產(chǎn)生的彎曲、變形甚至斷裂現(xiàn)象，正處于試用和推廣階段。AC-14型錨和DA-1型錨如圖1所示。

表1 典型的無(wú)桿錨類型

圖1 AC-14型錨和DA-1型錨

（二）錨部件的組成與結(jié)構(gòu)

以第二代大抓力AC-14型錨為例，其主要組成部分有錨頭、錨桿、卸扣，利用插銷、錨頭銷、卸扣銷等將其組合在一起，如圖2所示。

圖2 大抓力AC-14型錨的組成結(jié)構(gòu)

二、船用錨的檢驗(yàn)要點(diǎn)

（一）成品外觀及材料的檢驗(yàn)要點(diǎn)

船用錨的鑄造過(guò)程應(yīng)該根據(jù)認(rèn)可的制造工藝進(jìn)行，成品部件出爐經(jīng)拋丸、打磨處理后，對(duì)其進(jìn)行外觀和尺寸檢查、稱重等。對(duì)于有桿錨，錨桿的質(zhì)量應(yīng)不小于不包括錨桿在內(nèi)的錨的質(zhì)量的四分之一。錨的組裝應(yīng)該按照認(rèn)可的工藝進(jìn)行，卸扣與錨桿之間的間隙應(yīng)該符合船級(jí)社的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)卸扣銷軸直徑，卸扣銷軸與孔的容差應(yīng)符合船級(jí)社的要求。錨桿的側(cè)向運(yùn)動(dòng)應(yīng)不超過(guò)3度。錨的制作材料有鑄鋼、鍛鋼和軋制鋼等，需要每批次、每爐批取樣試驗(yàn)。

（二）墜落試驗(yàn)和錘擊試驗(yàn)的要點(diǎn)

將每個(gè)錨頭、錨桿、卸扣提升到4米的高度后，使其自由下墜到堅(jiān)固的鋼板上。對(duì)于錨桿和錨臂鑄造為一體的有桿錨，需先將錨提升到4米的高度，同時(shí)將錨桿和錨臂處于水平位置后，自由墜落到鋼板，接著再一次將錨提升到規(guī)定的高度，同時(shí)使錨冠向下投落到鋼板上的二個(gè)鋼塊上，沖擊到錨桿的中心處，而錨頭不碰到鋼板，此時(shí)應(yīng)無(wú)裂紋、變形和其他缺陷。完成墜落試驗(yàn)后，用繩索將每個(gè)錨部件吊離地面，用3千克以上質(zhì)量的鐵錘敲擊，以聲音是否清脆來(lái)檢查鑄件的完整性。

（三）拉力試驗(yàn)的要點(diǎn)

在試驗(yàn)前，需確認(rèn)錨不存在缺陷，拉力試驗(yàn)機(jī)應(yīng)確認(rèn)經(jīng)過(guò)有效的校準(zhǔn)。將錨的卸扣一端與拉力試驗(yàn)機(jī)的拉力機(jī)構(gòu)連接固定，將錨爪從尖端量起的三分之一處與試驗(yàn)臺(tái)接觸，作為著力點(diǎn)，如圖3所示。此后，將卸扣處錨桿上標(biāo)記的某一點(diǎn)作為起點(diǎn)，將錨爪尖端某一點(diǎn)作為終點(diǎn)，并測(cè)量間距。

圖3 拉力試驗(yàn)示意圖

拉力試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先施加規(guī)定試驗(yàn)負(fù)荷1/10的拉力，保持5分鐘后計(jì)量起終點(diǎn)的長(zhǎng)度，然后緩慢加載到根據(jù)錨質(zhì)量確定的試驗(yàn)負(fù)荷，保持5分鐘后逐漸卸載再次到達(dá)試驗(yàn)負(fù)荷的1/10時(shí)，第二次計(jì)量長(zhǎng)度。有桿錨應(yīng)無(wú)明顯的殘余變形，無(wú)桿錨應(yīng)無(wú)超過(guò)1%標(biāo)距長(zhǎng)度的殘余變形。

拉力試驗(yàn)后，對(duì)該試驗(yàn)錨進(jìn)行外觀檢查和無(wú)損探傷，一般采用磁粉探傷MT對(duì)其表面進(jìn)行探測(cè)。錨部件不允許出現(xiàn)如裂紋、凹坑、夾雜等降低其性能的缺陷。

三、船用錨典型缺陷的分析及預(yù)防

（一）典型缺陷

在檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)船用錨的典型缺陷有：錨桿或錨頭墜落后斷裂或出現(xiàn)裂紋、重大變形；拉力試驗(yàn)磁粉探傷后，發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等；冒口附近出現(xiàn)夾雜；錨重量、尺寸、厚度不達(dá)標(biāo)；錨各個(gè)部件間隙超標(biāo)；澆注錨件的內(nèi)部存在空虛部分；船上發(fā)生走錨、斷錨事故。如圖4所示。

（二）錨部件墜落后斷裂的分析及預(yù)防

在墜落試驗(yàn)、敲擊試驗(yàn)后，若錨部件發(fā)生斷裂或不完整現(xiàn)象，應(yīng)拒收該部件，不允許做修補(bǔ)處理。錨部件表面的先天缺陷（裂紋、氣孔等）會(huì)引發(fā)斷裂。出現(xiàn)斷裂、裂紋、重大變形的本質(zhì)原因在于錨部件整個(gè)澆注過(guò)程偏離了工藝要求，應(yīng)徹查并及時(shí)更正澆注過(guò)程中與工藝要求偏離的步驟。

（三）氣孔的分析及預(yù)防

氣孔是鑄造過(guò)程中較為常見(jiàn)的缺陷，有單一存在的，也有聚集性存在的，其大小不等，形狀各異，且孔壁光滑。

圖4 錨檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的典型缺陷

錨部件在澆注過(guò)程中受到氣流、溫度等諸多因素的影響，內(nèi)部和表層會(huì)受到侵害。在對(duì)船用廢品錨進(jìn)行表面無(wú)損探傷（一般為磁粉MT探傷）后發(fā)現(xiàn)，氣孔的78%為侵入型，13%為卷入型，9%為析出型。對(duì)侵入型氣孔的預(yù)防措施為，嚴(yán)格控制型砂質(zhì)量，確保型砂干燥過(guò)程充分，排出大量氣體[2]。對(duì)卷入型氣孔預(yù)防的措施為，調(diào)整錨部件的排氣功能，選擇元素合適的原材料，以避免銹蝕現(xiàn)象，同時(shí)防止氧化物的形成或含氫量較多而影響綜合質(zhì)量。對(duì)析出型氣孔缺陷的預(yù)防措施為，調(diào)控錨部件澆注過(guò)程中內(nèi)部與外部的壓力差，以控制型殼內(nèi)部氣體的析出。

（四）冒口等部位夾雜的分析及預(yù)防

錨部件表面發(fā)現(xiàn)裂紋，打磨后里面經(jīng)常發(fā)現(xiàn)型砂或非金屬夾雜。從化學(xué)成分來(lái)看，非金屬有硫化物、氧化物、氮化物等[3，4]，是裂紋產(chǎn)生的重要原因，其主要來(lái)自兩方面：一為內(nèi)生夾雜物，通常顆粒細(xì)小，分布均勻；二為外來(lái)夾雜物，一般尺寸較大，外形無(wú)規(guī)則，分布不均勻。

配置不當(dāng)?shù)匿摪滤谝矔?huì)成為導(dǎo)致夾雜的重要因素。直徑40毫米的下水口的流速只有直徑50毫米下水口流速的65%左右。在澆注過(guò)程中，鋼水溫度每分鐘會(huì)下降2 ℃，需要30分鐘之內(nèi)澆注完畢。若采用小口徑的下水口，會(huì)造成澆注時(shí)間增加20分鐘，鋼水溫度降低40 ℃，流動(dòng)性降低，部分鋼水無(wú)法流到冒口，導(dǎo)致冒口附近出現(xiàn)鋼包渣。

錨部件冒口補(bǔ)縮設(shè)計(jì)的正確性，也是決定冒口質(zhì)量的重要因素。被補(bǔ)縮部分的凝固時(shí)間應(yīng)小于冒口的凝固時(shí)間，同時(shí)必須確保充足的補(bǔ)縮液，以滿足錨部件補(bǔ)縮的需要，即滿足式（1）的要求：

其中：Vc、Vr為鑄件和冒口的體積；η為冒口的補(bǔ)縮效率；ε為凝固體收縮率。對(duì)于鑄鐵件，式（1）的ε應(yīng)該用補(bǔ)縮率Fr替代。補(bǔ)縮率是動(dòng)態(tài)的，不單和ε相關(guān)，還和鑄件的結(jié)構(gòu)、澆注的條件、澆冒口的位置、鑄型的冷卻特性及硬度相關(guān)。冷鐵、補(bǔ)貼、保溫等方法的采用，可以增加有效補(bǔ)縮距離，并延長(zhǎng)一定的補(bǔ)縮時(shí)間[5]。

（五）錨事故的分析及預(yù)防

錨泊中的船經(jīng)常發(fā)生走錨事故，其主要原因有海底底質(zhì)差導(dǎo)致錨爪抓地力不牢，風(fēng)浪、海浪增大及偏蕩導(dǎo)致錨泊船受沖擊過(guò)大，船員拋錨方法不當(dāng)，錨鏈長(zhǎng)度不夠或者纏繞，以及錨自身重量不足等。走錨現(xiàn)象危險(xiǎn)性大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致錨泊船觸礁、擱淺、碰撞甚至翻沉。因此，提高船員拋錨技術(shù)與技能、加強(qiáng)值班船員值好錨更的責(zé)任意識(shí)，可有效、及時(shí)地避免走錨。此外，選擇在底質(zhì)良好、水深適當(dāng)及有遮蔽處拋錨，也是預(yù)防走錨行之有效的方法。

斷錨事故的原因比較復(fù)雜，除操作不當(dāng)導(dǎo)致錨受力過(guò)大而斷外，錨質(zhì)量也是不可忽略的因素。船級(jí)社規(guī)范中允許在發(fā)現(xiàn)錨缺陷后根據(jù)缺陷的大小、種類進(jìn)行一定的焊接修補(bǔ)，該焊補(bǔ)必須嚴(yán)格執(zhí)行認(rèn)可的焊接工藝規(guī)程。若焊補(bǔ)質(zhì)量差則會(huì)導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力和疲勞裂紋產(chǎn)生，疲勞裂紋擴(kuò)展后導(dǎo)致桿件斷裂。斷裂橫截面在局部放大至25微米后，觀察其微觀結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)焊補(bǔ)痕跡，在錨鑄件上焊補(bǔ)后的區(qū)域也會(huì)觀察到嚴(yán)重的塑性變形。因此，良好的工藝、合格的焊工、嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程是預(yù)防錨部件焊補(bǔ)缺陷的著力點(diǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文基于船舶錨的類型和結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)典型缺陷的介紹及原因分析，提出相應(yīng)的預(yù)防措施，為船用錨的設(shè)計(jì)、制造及改進(jìn)提供參考。