噴水推進(jìn)裝置復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)制造與安裝工藝

柏君勵(lì)，李小榮，汪劍，謝銳，熊志超

(武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，武漢 430060)

噴水推進(jìn)裝置主要由進(jìn)口流道、推進(jìn)泵和操舵機(jī)構(gòu)組成。進(jìn)口流道的作用是將船底部的水導(dǎo)流進(jìn)入推進(jìn)泵，水流經(jīng)過加速后，從操舵機(jī)構(gòu)出口噴射出來，達(dá)到推進(jìn)船舶效果。流道結(jié)構(gòu)一般有較復(fù)雜的線型，其進(jìn)水口設(shè)置在船底，形狀近似為橢圓形，出水口設(shè)置在船體尾封板上，形狀為圓形，其圓心與軸系中心線保持一致。對于小型的流道結(jié)構(gòu)，可采用鑄造的方式制造，并通過法蘭與船體結(jié)構(gòu)連接。而對于大型流道結(jié)構(gòu)，由于其尺寸大、線型復(fù)雜，整體鑄造難度大，一般需采用焊接的方式制造。大型流道在運(yùn)行時(shí)受到的水流沖擊和振動(dòng)很大，采用法蘭連接不滿足強(qiáng)度要求，需通過焊接的方式與船體結(jié)構(gòu)連接。流道的制造精度與噴水推進(jìn)裝置的推進(jìn)效率密切相關(guān)，流道的安裝精度則影響軸系的安裝精度。因此，如何實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的精確制造和安裝，是船舶建造中的重要課題。為此，對大型復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)制造與安裝問題進(jìn)行分析，提出分段制造和分步安裝的新工藝方法，并將其應(yīng)用于某型艇的流道制造安裝過程中。

1 進(jìn)口流道結(jié)構(gòu)介紹

某鋼制艦艇配有兩臺(tái)噴水推進(jìn)裝置，布置在船體艉部，左右距中1 600 mm對稱布置，流道線型見圖1，其進(jìn)口端為近似橢圓形，位于船體底部，出口端為圓形，位于船體艉封板處，單個(gè)流道的尺寸約為4.5 m×1.1 m×1.6 m。

圖1 流道線型示意

流道三維結(jié)構(gòu)見圖2，整個(gè)流道結(jié)構(gòu)貫穿尾部分段，其內(nèi)表面為流水光順面，外表面通過縱橫結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，在流道結(jié)構(gòu)中部區(qū)域設(shè)有艉軸管。流道及周圍船體和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)均采用L907A高強(qiáng)鋼制造。

圖2 流道及周圍船體結(jié)構(gòu)

該流道線性復(fù)雜，流道入口與船體分段接口處采用小圓弧板進(jìn)行連接，以保證流道和船體分段光順過渡。流道出口端與船體尾封板焊接，出口端圓心須與軸系保持同軸，精度要求較高。流道中間其余部分需保持線型光順，讓高速水流能暢通通過。該流道尺寸大、線型復(fù)雜，同時(shí)流道的裝焊精度需滿足軸系安裝的精度要求。

2 流道制造與安裝方案對比分析

流道結(jié)構(gòu)可采用鑄造或焊接等方式制造。由于該流道尺寸較大，若采用整體鑄造，模具制造復(fù)雜，鑄造難度較大，不滿足生產(chǎn)進(jìn)度需要，非最佳選擇。目前國內(nèi)船廠對于大型流道結(jié)構(gòu)通常采用焊接的方式進(jìn)行制造。對幾種焊接制造和安裝的工藝方案進(jìn)行對比如下。

方案一：整體制造完后上分段安裝，即在內(nèi)場采用焊接方式完成整個(gè)流道制造，再整體上分段安裝。該方案有以下兩點(diǎn)不足。

①胎架制造復(fù)雜。整體制造時(shí)，無論采用正造、側(cè)造或反造，由于流道線型復(fù)雜、線型變化大，胎架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造均比較復(fù)雜。

②安裝精度難以控制。流道整體安裝時(shí)，流道入口端與船體分段的接口范圍大，對接時(shí)二者間的精度難以保證；流道在分段整體安裝時(shí)，流道出口端的中心、流道上的艉軸管中心與軸系中心須保持同軸，流道需按軸系精度要求進(jìn)行定位裝焊，安裝精度控制難度很大。

方案二：全散件上分段拼裝，即將流道劃分為若干零部件，且所有零部件均在船體分段上依次拼裝成完整流道。該方案也存在兩方面的不足。首先，在分段上拼裝流道結(jié)構(gòu)施工空間不足，焊接難度大；其次，在分段上拼裝流道結(jié)構(gòu)時(shí)精度不易控制,且變形矯正困難。

為克服上述兩種工藝方案的不足，提出分段制造及分步安裝的工藝方案。分段制造是指將整個(gè)流道劃分成進(jìn)口段、嵌補(bǔ)段和出口段3個(gè)分段分別制造，見圖3。

圖3 流道分段劃分示意

“分步安裝”指考慮各分段的特點(diǎn)分別在不同的建造階段進(jìn)行安裝。對于線型復(fù)雜的進(jìn)口段，將其劃分為多個(gè)形狀簡單易于加工的零件，再作為散件在船體分段上拼裝成完整件。結(jié)構(gòu)規(guī)則的出口段在內(nèi)場完成整體制造，在分段上預(yù)埋并初定位，在船臺(tái)舾裝階段整體安裝。而中間的嵌補(bǔ)段則在內(nèi)場完成整體制造后在船臺(tái)舾裝階段再進(jìn)行安裝。

3 流道的分段制造與分步安裝工藝

3.1 流道進(jìn)口段的內(nèi)場加工及上分段拼裝

流道進(jìn)口段由多個(gè)不規(guī)則的雙曲面板組成，壁厚為8 mm。進(jìn)口段與船體分段接口范圍大，且橫向方向上與分段底部相接處均有小圓弧過渡，隨著過渡的位置不同，圓弧半徑大小也不同，制造難度最大。

根據(jù)進(jìn)口段的線型合理布置板縫位置，通過三維放樣將流道進(jìn)口段劃分為多個(gè)小零件。根據(jù)安裝位置特點(diǎn)，對于分段接口處、曲率較大處或其他復(fù)雜區(qū)域的零件，須預(yù)留30 mm的加工余量，便于上分段拼裝時(shí)現(xiàn)場調(diào)整。對單曲面零件采用冷加工成形，對雙曲面零件先冷加工后再水火加工，通過樣板檢驗(yàn)零件形狀。

零件內(nèi)場加工完畢后再上分段拼裝。拼裝前，檢查分段上結(jié)構(gòu)安裝的正確性，將各零件板縫位置和安裝基準(zhǔn)線刻劃到分段上。零件安裝順序?yàn)橄妊b焊大尺寸零件后裝焊小尺寸零件，先安裝頂部零件(因?yàn)榉侄卧谔ゼ苌戏丛?，然后安裝側(cè)部零件和底部零件，最后安裝與分段接口的圓弧形零件。完工后的流道進(jìn)口段見圖4，線型光順，精度控制良好。

圖4 流道進(jìn)口段實(shí)物

3.2 流道出口段的內(nèi)場制造及上船臺(tái)安裝

流道出口段由上至下依次為壁厚8 mm的首端圓環(huán)、壁厚34 mm的加厚板圓環(huán)、壁厚8 mm的錐面以及壁厚12 mm的尾端圓環(huán)。其中加厚板圓環(huán)為流道最關(guān)鍵的部分，其安裝既要滿足與軸系同心的要求，又要滿足與推進(jìn)泵前端口精確配合的要求，因此在制造和安裝過程中需對該零件進(jìn)行嚴(yán)格的精度控制。

為保證流道出口段的制造精度，設(shè)計(jì)出口段內(nèi)場制造的工裝胎架，見圖5。胎架由4塊垂向模板和水平加強(qiáng)槽鋼組成，在胎架下口標(biāo)出各基準(zhǔn)線，在胎架上口中心處拉出中心線。

圖5 流道出口段及內(nèi)場制造胎架

流道出口段尾端圓環(huán)制造時(shí)須留20 mm船臺(tái)安裝余量，便于精確安裝時(shí)進(jìn)行調(diào)整。加厚板圓環(huán)制造時(shí)，在其內(nèi)徑單面留4 mm機(jī)加工余量，后端面留6 mm機(jī)加工余量，便于后期對其進(jìn)行鏜孔加工以滿足軸系安裝需要。各圓環(huán)(錐)分別制造完畢后，再在工裝胎架上從尾到首依次吊裝各圓環(huán)(錐)，最后焊接形成完整的出口段結(jié)構(gòu)，同時(shí)在內(nèi)部用十字結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

流道出口段在內(nèi)場制造完畢后，在船體分段制造階段，將出口段預(yù)埋進(jìn)分段，初定位后再點(diǎn)焊固定，然后在船臺(tái)施工階段再進(jìn)行裝焊。出口段由于與軸系和噴水推進(jìn)泵直接關(guān)聯(lián)，安裝精度要求高，安裝要求如下。

1)主船體分段需焊接和矯正完工，艉部艙室密試和壓載均需完成。

2)船臺(tái)中心線和基線需修正完畢。

3)船體基線、船體中心線及甲板水平需連續(xù)3天測量，結(jié)果應(yīng)穩(wěn)定。

4)應(yīng)在溫度、濕度變化不大的環(huán)境條件下施工。

在船臺(tái)施工階段，根據(jù)軸線切割船體結(jié)構(gòu)上支撐流道出口段的肋板結(jié)構(gòu)的余量，對流道的垂向及左右位置進(jìn)行定位。然后，進(jìn)一步調(diào)整流道出口段縱向位置，使其加厚板圓環(huán)后端面與船體加強(qiáng)圈座板后端面的距離為460.5 mm，見圖6。

圖6 流道出口段理論定位

再切割出口段后端部余量，對出口段進(jìn)行精確定位。出口段精確定位完成后進(jìn)行焊接，焊接時(shí)需雙數(shù)焊工對稱施焊，在焊接過程中監(jiān)控出口段的徑向和軸向偏差，發(fā)現(xiàn)超差及時(shí)調(diào)整焊接順序，焊完后將焊縫表面打磨光滑。兩段安裝現(xiàn)場見圖7。

圖7 流道進(jìn)口段和出口段在分段制造階段安裝現(xiàn)場

3.3 流道嵌補(bǔ)段的內(nèi)場制造及上船臺(tái)安裝

流道嵌補(bǔ)段由兩個(gè)直徑為800 mm的圓環(huán)組成，壁厚8 mm。兩個(gè)圓環(huán)在內(nèi)場分別進(jìn)行制造，不形成整體，并留出30 mm的安裝余量，再在船臺(tái)上分別與流道出口段和入口段裝焊，見圖8。

圖8 流道嵌補(bǔ)段在船臺(tái)階段安裝實(shí)物

裝焊時(shí)以流道出口段進(jìn)行定位，依次完成兩個(gè)嵌補(bǔ)段的裝焊。焊接時(shí)在流道內(nèi)部貼陶瓷襯墊，通過雙數(shù)焊工、小電流對稱施焊，單面焊雙面成形。

完成上述流道的裝焊后，對流道壁面的焊縫進(jìn)行打磨光順，并用樣板檢查流道線型光順度。

3.4 流道加強(qiáng)結(jié)構(gòu)及附體結(jié)構(gòu)裝焊

流道裝焊完畢后，再依次安裝圖2中的各加強(qiáng)結(jié)構(gòu)以及犧牲陽極基座等附體結(jié)構(gòu)。最后，在流道上依次開孔并安裝流道觀察孔蓋和艉軸管。

4 精度及變形控制

4.1 流道裝焊精度要求

流道線型復(fù)雜，需對內(nèi)場制造和各階段的安裝過程進(jìn)行精度控制，以滿足相應(yīng)的精度要求。流道零件內(nèi)場制造精度要求如下。

1)板材對接錯(cuò)邊量≤1.0 mm；對接接頭直線度≤2.0 mm。

2)焊接坡口根部間隙≤2.0 mm。

流道在分段和船臺(tái)階段裝焊精度要求如下：

1)進(jìn)口段零件分段裝配精度要求±2.0 mm，出口段船臺(tái)裝配精度±2.0 mm。

2)出口段加厚板圓環(huán)后端面距離加強(qiáng)圈座板后端面理論距離為460.5 mm，縱向偏差要求為±2.0 mm。

3)出口段加厚板中心要求與軸系中心一致，通過在加厚板圓環(huán)內(nèi)徑單面留4 mm余量保證安裝焊接精度，加厚板的內(nèi)徑(中心線為軸線)理論值為396 mm，徑向偏差要求≤3.0 mm。流道裝焊完畢后對加厚板進(jìn)行鏜孔加工，以滿足軸系安裝的精度要求。

4.2 控制變形措施

在流道制造過程中，為控制流道的焊接變形，避免影響后續(xù)軸系施工，除了控制好流道零件的下料、加工精度外，還要對安裝、焊接等工序進(jìn)行控制，尤其是對出口段的裝焊精度進(jìn)行控制。

1)焊接之前應(yīng)采用較小直徑的焊條進(jìn)行點(diǎn)焊，增加焊件剛性，減小焊接變形；

2)出口段內(nèi)場制造焊接時(shí)，應(yīng)由雙數(shù)焊工左右、前后對稱施焊，以保證結(jié)構(gòu)均勻收縮。出口段制造的焊接順序見圖9。

圖9 流道出口段焊接順序

3)出口段在胎架上制造時(shí)，需用“米”字形工裝進(jìn)行加強(qiáng)，焊接時(shí)先焊接內(nèi)側(cè)焊縫再焊接外側(cè)焊縫。

4)出口段在船臺(tái)定位時(shí)，需用槽鋼等工裝對出口段上、下、左、右進(jìn)行加強(qiáng)，按圖紙要求控制好坡口間隙。

5)在船臺(tái)焊接時(shí)由雙數(shù)焊工進(jìn)行對稱施焊，先焊流道板自身對接焊縫，再焊與艙壁的角焊縫，最后焊接流道結(jié)構(gòu)上的角焊縫。

6)出口段在船臺(tái)定位時(shí)向上放3 mm焊接收縮量。

7)焊接過程中按圖紙上的要求嚴(yán)格控制焊腳尺寸，焊后對焊縫進(jìn)行打磨光順處理。

5 防腐防漏

流道結(jié)構(gòu)位于水線以下，對于防腐防漏有嚴(yán)格要求。在防腐方面，流道裝焊完畢后，需對表面結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)水線以下涂裝配套進(jìn)行涂裝，并在流道壁上安裝鋅塊作為犧牲陽極以避免電化學(xué)腐蝕。在防漏方面，對流道所在的艉部艙室進(jìn)行整體氣密試驗(yàn)，艙室氣體在0.03 MPa的壓力下穩(wěn)定時(shí)間不少于1 h。受檢部位的肥皂液不產(chǎn)生氣泡，且艙內(nèi)壓力降不超過規(guī)定壓力的3%。

為便于流道檢修和維護(hù)保養(yǎng)，在每個(gè)流道頂端設(shè)置兩個(gè)觀察孔蓋，觀察孔蓋采用法蘭和橡皮密封，防止漏水漏氣。

6 結(jié)論

針對復(fù)雜鋼質(zhì)流道的制造安裝問題，結(jié)合流道各部分的特點(diǎn)，提出了“分段制造及分步安裝”的工藝方案，這種新的工藝方法有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)與整體制造安裝方案相比，該工藝把流道分為3段，入口段和出口段分別進(jìn)行安裝，更容易保證安裝精度，同時(shí)設(shè)置嵌補(bǔ)段有助于進(jìn)一步修正安裝誤差，降低精度控制的難度，提高流道制造和安裝的效率。

2)與全散件拼裝方案相比，該工藝將出口段及嵌補(bǔ)段的制造前移至內(nèi)場進(jìn)行，借助工裝胎架降低了制造難度，可提高制造精度。

3)該工藝中流道出口段單獨(dú)定位安裝，能夠更好地保證出口段中心與軸系的同軸度，從而可減少出口段中加厚板圓環(huán)內(nèi)孔的鏜孔工作量，縮短軸系施工的周期。

在某艇的批量建造中，采用“分段制造及分步安裝”的工藝，順利、高效地完成了多個(gè)流道結(jié)構(gòu)的制造和安裝工作。所制造的流道結(jié)構(gòu)型線光順，安裝精度滿足軸系安裝的要求。采用該工藝提高了施工效率，降低了建造難度，取得了很好的工程效益。