36 500 DWT大湖船導管舵設計和建造技術分析

柳向陽，李移山

（揚帆集團船舶設計研究院，浙江舟山 316100）

36 500 DWT大湖船導管舵設計和建造技術分析

柳向陽，李移山

（揚帆集團船舶設計研究院，浙江舟山 316100）

對36 500 DWT大湖型船舶的可轉動式導管舵設計特點和建造技術進行論述和分析。重點論述該導管舵的基本參數(shù)和設計特點以及相關設計計算，特別包括該導管舵的結構建造程序和裝配焊接的工藝要點等。通過理論分析以及在實船上的安裝調(diào)試應用，論證了該船導管舵設計合理，建造工藝優(yōu)良，相應建造精度完全滿足設計和標準要求。

導管舵；穩(wěn)向葉；鑄鋼件；裝配工序；焊接工藝

36 500 DWT大湖型船的導管舵是具有特定剖面的環(huán)狀結構[1]，同螺旋槳安裝在同一軸線上，螺旋槳位于導流管最小截面處。該項目船只航行于五大湖和圣勞倫斯航道，由于吃水和航道的限制，為提高推進效率和機動能力而采用可轉動式導管舵，同普通船用舵相比，能有效改變螺旋槳尾流的方向，提高船舶的操縱性，特別是能提高低速航行時機動性能以及提高槳葉推進效率。該導管舵具有結構復雜[2-3]，安裝精度要求高等特點。

因此合理完善的設計和行之有效建造和焊接工藝是導管舵滿足設計和精度要求的基本保證[4]。導管舵在車間完成后并在船塢內(nèi)吊裝結束以及出海試驗后的各項精度數(shù)據(jù)，各項試驗均已達到或超過造船規(guī)格書或標準的設計指標[5]，獲得了船東的好評和船級社檢驗時一次性認可。

1 轉動導管舵特點

本船導管舵采用雙支點安裝形式。導流管的轉動軸線通過螺旋槳圓盤面，槳葉端部同該處導流管內(nèi)壁之間的間隙應盡可能小，通常不超過螺旋槳直徑的0.5%或1 cm，此處間隙取25 mm（5 200×0.5%）。導管內(nèi)最小直徑為D=5 250 mm。轉動導流管的剖面采用改進的非對稱剖面，如圖1，具體型值請見表1。相關參數(shù)為Dp=5 200 mm，ε=25 mm，Dn=5 250 mm，Ln/Dp= 0.6，Ln=3 120 mm，導流管長寬比Kn=5.286，穩(wěn)向葉長寬比Kf=4.952，穩(wěn)向葉寬Lf=1.05 m，穩(wěn)向葉長Hf=5.2 m，V=14 kn，轉動角度θ=35°。

圖1 導流管剖面Fig.1 The section of duct tube

表1 導流管截面型值表Tab.1 The value table of duct tube（mm）

穩(wěn)向時剖面的厚度比為其弦長的，使其后緣應足夠尖，以保證后退且導流管轉動很小時流向穩(wěn)向葉處分離，使得舵桿力矩減小。導管舵內(nèi)外側外板采用耐低溫鋼或級并與鑄鋼件焊接。導流管上的鑄鋼件由舵桿鑄鋼件和舵銷鑄鋼件組成。并與內(nèi)，外殼板，內(nèi)環(huán)形隔板和縱向筋板焊接而成的環(huán)形結構。

導流管按大湖船規(guī)范和規(guī)范進行計算和建造。導流管的穩(wěn)向葉為流線型翼，垂直設置于導流管尾端后面。處于舵桿軸線平面內(nèi)。設置穩(wěn)向葉的導流管具有提高推進效率及降低舵桿力矩等。轉動導流管的基本尺寸和參數(shù)如圖2所示。

圖2 導流管基本尺寸和參數(shù)Fig.2 The basic dimension and parameter of duct tube

為了滿足該船冰級加強要求，導流板的厚度應不小于對船艉部分的冰級加強Speed（at ice Class 1C）要求。為了防止導流管內(nèi)壁的腐蝕，在螺旋槳區(qū)域采用耐腐蝕材料SUS316，所有內(nèi)側對接焊縫應磨平。導流管的內(nèi)殼板同環(huán)形隔板的連接應采用雙面連續(xù)填角焊，外殼板應盡可能同環(huán)形隔板采用連續(xù)焊，外殼板其它區(qū)域采用開孔塞焊。

2 轉動導管舵系統(tǒng)的設計

2.1 導管舵所受的側向力和彎矩計算

根據(jù)規(guī)范，分別計算出正車和倒車時，導管舵所受的側向力和彎矩，計算結果見表2和表3。

表2 正車規(guī)范計算結果Tab.2 A head Calculation according to the rules

表2中：An為導流管面積；Af為穩(wěn)向葉面積；Pn為導流管的側向力；Pf為穩(wěn)向葉的側向力；P為導管舵的總側向力；Mn為導流管扭矩；Mf為穩(wěn)向葉的扭矩；Mr為導流舵的總扭矩。

表3 倒車規(guī)范計算結果Tab.3 A stern Calculation according to the rules

表3中：Pna為倒車狀態(tài)時，導流管的側向力；Pfa為倒車裝態(tài)時，穩(wěn)向葉的側向力；Mna為倒車狀態(tài)時，導流管扭矩；Mfa為倒車裝態(tài)時，穩(wěn)向葉扭矩；Mra為倒車狀態(tài)時，導流舵總扭矩。

2.2 舵機選擇

工作扭矩為1 000 kN·m，最大工作扭矩為1 250 kN·m（在安全釋放壓力21.3 MPa），舵桿直徑為680 mm，舵銷直徑為450 mm。

2.3 導流管結構

螺旋槳區(qū)域的導流管板厚：T=10+3KaS(N/f1)0.5=28 mm(實取32 mm)。在區(qū)域I內(nèi)，導流管板厚不小于0.7T=22.5 mm，實取25 mm（此處S=0.75 m）；在區(qū)域II內(nèi)，導流管板厚不小于0.7T=21.5 mm，實取24 mm（此處S=0.7 m），在導流管外部，區(qū)域II延伸并超過最后一塊環(huán)形隔板；在區(qū)域III內(nèi)，導流管板厚不小于0.6T=18.5 mm，實取20 mm（此處S=0.7 m）。

環(huán)形隔板和前后隔板的厚度不小于（考慮導流管內(nèi)徑為大于4 m）。因此取為24 mm。具體請詳見圖3～4：

圖3 縱向隔板Fig.3 Longitudinal partition

圖4 環(huán)形隔板Fig.4 Circular partition

舵桿與導管舵采用法蘭連接，采用8顆螺栓固定，舵銷與導管舵采用無鍵連接形式，舵銷與導管舵的錐形聯(lián)接（液壓裝配），舵銷推入量：0.3～1 mm。

3 導流管制造概述

3.1 導管舵鋼板與鑄鋼件組合件焊接而成，主尺度為3 120 mm×6 350 mm，重量約t，舵桿垂直回轉的軸中心要與艉軸螺旋槳轉動中心線相交，導管舵的內(nèi)孔圍繞螺旋槳外徑按操舵指令的要求隨舵角回轉，因此本設備各零部件的制作精度要求很高,建造難度較高，如圖5。

圖5 導流管鋼結構件制作示意圖Fig.5 The sketch of duct tube steel structure

3.2 導管舵內(nèi)外側曲板的成型

導管舵的馬鞍型雙曲外殼板其型線和結構，決定了其無法用一塊整板加工而成，考慮到鋼模的制作成本以及焊縫線的分布,決定將前、后馬鞍型曲面板均分割成塊。鋼模的設計和制作，不能簡單的依據(jù)所成型的曲面板的曲率形狀進行制作，需將鋼模的曲率略小于工件曲率，這樣可以保證成型的零件更接近理論尺寸。另需制作檢驗樣箱，以便檢測鋼板加工后的線型誤差。

3.3 裝配工藝和要求

在胎架上按板號裝配導管舵內(nèi)側板，內(nèi)側板與胎架依靠的工藝板連接點焊點位，不銹鋼板（）定位的工藝板需與不銹鋼材質(zhì)相同，不應將內(nèi)側板和胎架模板直接焊接。

軸向（前后）隔板的安裝是由中間向艏艉端順序吊裝，隔板吊裝時必須控制其位置的正確以及其外側面的線型與鑄鋼件連接區(qū)域的線型一致性。環(huán)向隔板的安裝應檢測與軸向隔板上側面的線型一致性和直線度要求；上下鑄鋼件采用拉鋼絲進行定位，舵中心線位置距圓管底端位置為2 028 mm，上舵桿鑄鋼件為一平面豎直向下距軸中心線為為，舵銷鑄鋼件的下平面距軸中心線為（扣除機加工余量），利用線錐定位保證斷面的垂直度，確定定位托架位置；塞焊孔外側蓋板吊裝前應檢測軸向、環(huán)向隔板襯墊板線型的一致性，其安裝時必須保證外緣線型的和順，無板厚差變化；在上述導管舵裝焊工作中必須隨機檢測舵桿中心線。存在問題立即反饋并立即采取措施妥善處理。完工后應在鑄鋼件端面劃出十字中心線并敲上洋沖印，如圖6。

4 導管舵的焊接工藝要求

圖6 制作胎架外形圖Fig.6 The contour picture of making jig

導管舵的焊接采用手工電弧焊及CO2氣體保護焊，焊接材料為低氫型焊條J507，CO2焊絲TWE-711/ 81-K2系列和不銹鋼焊條 A022及不銹鋼焊絲 E316LT1-1/ SW309L。焊條在焊前需經(jīng)350～400℃烘焙1～2 h，并保溫使用。焊條在使用中不得受潮，否則嚴禁使用。內(nèi)部結構的角焊縫可以用CO2氣體保護焊代替手工電弧焊；導管舵的構件在焊接前應根據(jù)“結構圖”上的具體要求開好焊接坡口及塞焊孔；導管舵上凡是鑄鋼件的所有焊接區(qū)域在焊接前應預熱到150～250℃，焊接時層間溫度不得低于預熱溫度。焊后立即用保溫材料包好保溫冷卻。焊接坡口及兩側30 mm范圍內(nèi)應打磨干凈，不得有鐵銹、毛刺、油污、水分等雜質(zhì)；導管舵焊接時除鑄鋼件外，其余結構的焊接均采用CO2氣體保護焊，角焊縫的焊喉厚度應嚴格控制在要求的范圍內(nèi)，不得過高，以減少導管舵的焊接變形；焊接舵葉鑄鋼件與其結構的對接縫和角焊縫時，應采用手工電弧焊，在位置狹小時可采用CO2襯墊焊，在焊縫坡口反面加裝加強馬板以防止變形，焊接時采用多層多道焊，控制層間溫度在100℃以下。焊后將馬腳打磨干凈；為保證導流罩的圓度，必須在焊接順序上加以控制，實際工作中，采取對稱焊接的工藝，先焊平角焊，后燒立角焊。對于平角焊，由對稱的焊工對稱燒焊，從中間向兩邊燒焊即可，對于立角焊，如圖7。

圖7 導管包板焊接順序Fig.7 The welding sequence of duct tube plate

焊接鑄鋼件時，應由雙數(shù)焊工同時進行對稱焊接，焊速應盡量均勻一致。在焊接過程中，應有質(zhì)檢員予以配合，每焊完一道焊縫，檢測一次舵桿孔中心精度，若有異常變形情況，應立即采取適當工藝，及時調(diào)整焊接程序或焊接速度予以解決。鑄鋼件焊完后，以防止其焊后快速冷卻；采用單面焊接時，打底焊道若采用手工焊時須采用φ3.2焊條，對接縫應保證根部焊透。每道焊縫的焊接接頭要錯開，焊下道焊縫前，徹底清除焊渣、飛濺等。打磨清潔后方可進行下道焊接。每道焊道宜連續(xù)焊完。焊縫中不能有氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，否則要將缺陷消除后方可繼續(xù)焊接；不得在不銹鋼上隨意引熄弧，無論是對接焊縫定位焊還是角焊縫內(nèi)定位焊，引熄弧均需在引熄弧板上或焊縫內(nèi)進行，且定位焊藥渣必須清除。在于不銹鋼板與異種鋼焊接時，第一道焊須靠異種鋼一側先打底焊作為過渡，然后再對過渡層與不銹鋼進行焊接，以此類推。

導管舵需先焊接內(nèi)側的縱向板縫，再焊上下內(nèi)側板與不銹鋼的環(huán)縫，該焊縫采用十字交叉逐步退焊法，焊接時注意采用小電流；表面焊縫焊完后，反面焊縫清根必須用批鏟清除，嚴禁采用碳刨。為避免仰焊，環(huán)向肋板與內(nèi)測板的焊接下部分角焊位置，必需在所有軸向、環(huán)向（除仰焊部分）均焊接完成后，翻身定位，再焊接；焊后打磨完整報驗。

5 精度要求

保證槳葉與導管舵內(nèi)壁表面間隙達到理論值，而導管舵的結構焊接量非常大，為此制作胎架及零件放樣需加放收縮余量：內(nèi)圈中板內(nèi)徑5 250 mm加放2 mm余量放樣，制作胎架時所有內(nèi)徑同時加放2 mm；導管舵前后方向按1 mm/m加放余量。

胎架制作要求：軸向胎板與導管舵軸向肋板對應，在距胎架基線mm高度處噴水平線和板縫斷線，并在2 092 mm水平線處打定位點方便結構定位安裝。具體精度要求如下：軸向胎板垂直直度；軸向胎板與胎架平臺理論劃線偏差±1 mm；水平胎板高度與理論高度尺寸±1 mm；軸向和水平胎板位置偏差≤2.0 mm；導管舵最小直徑處與實際尺寸偏差±2 mm。

裝配工序流程:導管舵環(huán)向肋板與軸向肋板先預制，先裝焊后火工校正。因?qū)Ч芏嫱鈧葹殄F形，環(huán)向肋板面板裝配時需有一定角度及弧度，以保證外錐筒與大、小圓鋼的線型光順。裝配和焊接工藝，以及焊接完畢導管舵需測量數(shù)據(jù)并記錄,導管舵制造檢驗除按船體部件檢驗標準檢查外觀和焊縫質(zhì)量外，導管舵的制作還需滿足相關中國船舶建造質(zhì)量標準。

6 結論

大湖散貨船的導管舵成功設計和順利建造，重點解決了大型轉動導管舵在設計和建造過程中所面臨的設計重點和難點,得到了船東的稱贊。該項目船導流管的提前完工并進塢安裝，加快了船塢內(nèi)的周期，使項目船能按期下水。同時船廠對復雜導流管等舵系舾裝的建造水平也得以進一步的提高，完善和提高了船廠建造水平和焊接工藝，并取得了良好的經(jīng)濟效益，對后續(xù)船舶的設計和建造積累了寶貴經(jīng)驗。

[1]《船舶設計實用手冊》編委會.船舶設計實用手冊:總體分冊[M].北京:中國交通科技出版社,2007.

[2]中國造船工程學會,中國船舶工業(yè)集團公司,中國船舶重工集團公司.船舶設計實用手冊:舾裝分冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013.

[3]黃 浩.船體工藝手冊[M].第3版.北京:國防工業(yè)出版社,2013.

[4]勞氏船級社.船舶入級規(guī)范和規(guī)則[S].勞氏船級社(亞洲)上海代表處,譯.2004.

[5]CSA 2001.Load Line Regulation:Part 2 diamond load line[S].2003.

The Design and Construction Analysis of 36 500 DWT Great Lakes Ship Rudder

LIU Xiang-yang,LI Yi-shan
(Yangfan Group Ship Design and Research Institute,Zhoushan 316100,China)

The discourse and analysis of 36 500 DWT great lakes ship rotary rudder design characteristics and construction technology.The paper focused on the basic parameter,design characteristics and relative design calculation of ship rudder,including the construction procedure and assembly welding technology. Through theoretical analysis and installation on ship,the analysis verified reasonable design of the ship rudder, fine construction technology and the construction accuracy fully meet the requirements of design and standard.

duct rudder;stable leaf;steel casting;assembly procedure;welding technology

U664.36

A

1008-830X(2016)04-0337-05

2016-05-10

浙江省科技廳重大科技專項重點社會發(fā)展項目（2013C13003）

柳向陽（1978-），男，浙江景寧人，工程師，研究方向：船舶結構設計.