船舶導(dǎo)流管制造與焊接工藝研究

汪永茂，金 軍

（1.上海華潤(rùn)大東船務(wù)工程有限公司，上海 200120；2.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

當(dāng)船舶航速低、螺旋槳負(fù)荷大時(shí)，配以適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流管可使推力增大，提高推進(jìn)效率。含導(dǎo)流管的螺旋槳多用在拖船以及限制吃水的船舶上。它是由特定剖面形成的環(huán)，安裝于船舶艉部，與螺旋槳安裝在同一軸線上，并套在螺旋槳上的一個(gè)鋼制多曲面組合體上。由于在使用過(guò)程中承受載荷復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)的防腐要求高，因此對(duì)導(dǎo)流管制造工藝也提出了特殊的要求。

1 導(dǎo)流管的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)

導(dǎo)流管是由內(nèi)、外殼板、內(nèi)部環(huán)形隔板和縱向筋板焊接而成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，螺旋槳位于導(dǎo)流管最小截面處，導(dǎo)流管的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線通過(guò)螺旋槳圓盤(pán)面，槳葉端部與該處導(dǎo)流管內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)盡可能地小，通常不超過(guò)螺旋槳直徑的0.5%或1cm[1]。

根據(jù)工作狀態(tài)導(dǎo)流管分固定式和轉(zhuǎn)動(dòng)式2種，固定式導(dǎo)流管固定在船尾，通常將軸架和舵葉下支承組合在一起；轉(zhuǎn)動(dòng)式導(dǎo)流管可繞豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一般約轉(zhuǎn) 40°，并可兼作舵使用。采用轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)流管，可改變螺旋槳尾流方向，提高了船舶的操縱性，特別是低速航行時(shí)的機(jī)動(dòng)能力。

為防止導(dǎo)流管內(nèi)壁的腐蝕，螺旋槳區(qū)域內(nèi)應(yīng)采用耐腐蝕材料，所有對(duì)接焊縫應(yīng)磨平。采用耐腐蝕材料其板厚可減少15%。

2 導(dǎo)流管的作用[2]

采用導(dǎo)流管能提高推力和推進(jìn)效率的原因如下：

1)導(dǎo)流管從進(jìn)口到螺旋槳盤(pán)面處的管段過(guò)水?dāng)嗝嬷饾u收縮，水流速度在管內(nèi)逐漸加大，相當(dāng)于間接地加大了螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)，從而提高了螺旋槳的效率；

2)槳后尾流受導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)限制不能收縮，使導(dǎo)流管出口處的軸向誘導(dǎo)速變小，更有利于螺旋槳的推進(jìn)；

3)葉梢和導(dǎo)管間距很小，葉面和葉背壓力差所引起的葉梢渦流損失減少；

4)由于導(dǎo)流管內(nèi)螺旋槳的泵水作用，使管內(nèi)水流速度大于管外，形成管內(nèi)壓力小于管外壓力，其壓力的合力方向指向?qū)Я鞴苤行那移x船舶的前進(jìn)方向。將合力分解為一個(gè)徑向分力和軸向分力，因?yàn)閷?dǎo)流管是封閉的圓筒形，周?chē)膹较蚍至ハ嗟窒@樣，只剩軸向分力推動(dòng)導(dǎo)流管，有利于船舶前進(jìn)。實(shí)際上，作用于導(dǎo)流管上的軸向力還需考慮導(dǎo)流管自身受到的水流阻力消耗。

3 3530kW（4800HP）拖船導(dǎo)流管制作

該船的導(dǎo)流管是一個(gè)雙曲筒形結(jié)構(gòu)，呈喇叭口形。整個(gè)組合體包括導(dǎo)流管本體、舵鈕托架、尾軸架和導(dǎo)流管柄四部分，采用CCS（中國(guó)船級(jí)社） A，S.S316不銹鋼、鑄鋼材料，組件約重3t（單側(cè)），左右對(duì)稱，見(jiàn)圖1。因?yàn)橐c舵鈕托架相接，需考慮船體舵系的定位，這就使得導(dǎo)流管制作、焊接和安裝工藝變得更為復(fù)雜。

3.1 胎架制造

胎架是船體分段裝配與焊接的一種專用工藝裝備，必須有一定的強(qiáng)度和剛性，并且胎架型值所形成的工作面應(yīng)與結(jié)構(gòu)外形相貼合。胎架的結(jié)構(gòu)形式分為胎板、桁架、支柱3種，結(jié)合該船導(dǎo)流管的外形，需制作

一特殊的專用胎架，為支柱和胎板混合形式，見(jiàn)圖2。

圖1 導(dǎo)流管組合

圖2 胎架外形

根據(jù)導(dǎo)流管內(nèi)側(cè)板型值，徑向設(shè)置 12塊曲線模板，保證導(dǎo)流管馬鞍形曲面板的外形。并在上下做兩個(gè)水平的假平臺(tái)，見(jiàn)圖3。為確保該胎架的剛性，其水平胎板厚12mm，徑向胎板厚10mm。各徑向和水平胎板皆用數(shù)控下料，水平胎板可分?jǐn)?shù)塊上胎架合攏，胎架合攏需對(duì)角拉線復(fù)對(duì)同心，且保證同一水平高度。各徑向胎板按尺寸要求開(kāi)缺口，間隙0.5mm，方便水平加強(qiáng)筋的嵌入安裝。并在距胎架基線1325mm高度處噴水平線和板縫斷線，徑向胎板分中安裝理論線與導(dǎo)流管徑向肋板一致，并在1325mm水平線處打定位點(diǎn)方便結(jié)構(gòu)定位安裝。

3.2 導(dǎo)流管各部件的組合

導(dǎo)流管筒體在胎架上裝配定位，待導(dǎo)流管內(nèi)側(cè)板、徑向肋板、環(huán)向肋板定位焊后裝上下圓鋼，然后安裝舵鈕托架和導(dǎo)流管柄，導(dǎo)流管筒體內(nèi)部各結(jié)構(gòu)按焊接方法和次序燒焊結(jié)束再封外側(cè)板，見(jiàn)圖 4。根據(jù)舵鈕托架中心線位置、最前端距下圓鋼底端距離 500mm，距中1241mm。整個(gè)托架上平面與筒體相切，即該平面豎直向下，利用線錘定位，確定舵鈕托架位置。導(dǎo)流管柄需單獨(dú)組裝一體，包括上封板下的襯墊板焊接，但上封板暫不焊。

導(dǎo)流管柄定位之前，內(nèi)側(cè)板外側(cè)在導(dǎo)流管柄區(qū)域應(yīng)做好導(dǎo)管中心線的標(biāo)記，將圓鋼與內(nèi)側(cè)板先焊接好，再根據(jù)距胎架中心線2203mm、導(dǎo)流管柄的中間縱向隔板的FR-1位置（距導(dǎo)流管水平中心線距離39mm），定位導(dǎo)流管柄。在導(dǎo)流管不銹鋼內(nèi)側(cè)壁打上十字定位點(diǎn)，以備上船安裝定位用。

3.3 制造要求

1)徑向胎板垂直度1/1000；

2)徑向胎板與胎架平臺(tái)理論劃線偏差±1mm；

3)水平胎板高度與理論高度尺寸±1mm；

4)徑向和水平胎板位置偏差≤2.0mm；

5)水平胎板的彎曲度≤2mm（在700mm范圍內(nèi)）；

6)導(dǎo)流管內(nèi)側(cè)板上胎架與徑向和水平胎板復(fù)合間隙≤0.5mm；

7)導(dǎo)流管中心線處直徑與實(shí)際尺寸2480mm的偏差±2mm。

3.4 焊接要求

1)內(nèi)殼板同環(huán)形隔板的連接采用雙面連續(xù)填角焊，外殼板應(yīng)盡可能采用與環(huán)形隔板連續(xù)焊，開(kāi)槽焊要求[3]環(huán)形隔板焊孔長(zhǎng)度≥90mm，寬度≥2t (t為導(dǎo)流管殼板厚度)，最大30mm，間距≤150mm，孔內(nèi)焊縫的最小焊喉厚度為0.7t；

2)焊條牌號(hào)為A302（相當(dāng)于AWS E309-16），并具有質(zhì)保書(shū)。焊條應(yīng)經(jīng)烘干后使用，烘焙溫度為200～250℃，保溫1h。焊工應(yīng)具有CCS或其他船級(jí)社的焊工合格證書(shū)，并在產(chǎn)品焊接之前由CCS船檢師認(rèn)可后方可進(jìn)行產(chǎn)品焊接；

3)構(gòu)架件安裝定位焊時(shí)，應(yīng)采用A302焊條焊接，焊條直徑≤4mm。定位焊長(zhǎng)度≥50mm，焊縫應(yīng)具有足夠的厚度，并盡可能填滿弧坑；

4)采用直流反接（DCEP）的電源極性，其焊波寬度不大于焊條直徑的2.5倍，立焊不大于焊條直徑的3倍；

5)角焊縫推薦焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 A302焊條不同焊接位置的焊接參數(shù)

(6)角焊縫焊腳應(yīng)≥6mm，焊接速度不宜過(guò)慢，焊縫與基體金屬應(yīng)熔合良好，焊趾整齊，單道角焊縫兩側(cè)焊腳的偏差應(yīng)≤2mm。嚴(yán)格控制道間溫度，每一焊道焊接前，角焊縫施焊?jìng)?cè)溫度應(yīng)控制在100℃以下。

7)不得在不銹鋼上隨意引擦弧，無(wú)論是對(duì)接縫定位焊還是角接縫內(nèi)定位焊，引熄弧均需在引熄弧板上或焊縫內(nèi)進(jìn)行，且定位焊藥渣必須清除。

8)表面焊縫焊完后，反面焊縫清根必須用批鏟清除，嚴(yán)禁采用碳刨。

9)多層焊時(shí)，每焊完一層需徹底清除熔渣，對(duì)焊縫仔細(xì)檢查，當(dāng)無(wú)缺陷時(shí)并等前一層焊縫冷卻到60℃以下再焊下一層，在不銹鋼板與異種鋼焊接時(shí)，第一道焊須靠異種鋼一側(cè)先打底焊作為過(guò)渡，然后再對(duì)過(guò)渡層與不銹鋼進(jìn)行焊接，以此類(lèi)推。

10)導(dǎo)流管軸轂鑄鋼與尾軸架的焊接必須對(duì)焊道預(yù)熱到規(guī)定的溫度。

4 控制變形措施

為控制導(dǎo)流管周向的焊接變形，避免完工后尺寸有偏差影響螺旋槳的安裝，除了對(duì)導(dǎo)流管各零件的下料、加工、焊接等工序做到精確，在施工中還需采取必要的防范措施。

為確保導(dǎo)流管的同心圓尺寸，除了采用傳統(tǒng)的“米”字形工裝加強(qiáng)，還需加裝幾層環(huán)形假平臺(tái)來(lái)控制導(dǎo)流管的變形。

胎架半徑留有1mm反變形補(bǔ)償值，制作完畢后筒體需測(cè)量上下口直徑及導(dǎo)流管中心線處實(shí)際尺寸，并記錄，上下口要求加強(qiáng)才能脫離胎架。

導(dǎo)流管焊接次序?yàn)橄群附觾?nèi)側(cè)板的縱向板縫，再焊上下內(nèi)側(cè)板與不銹鋼的環(huán)縫，該環(huán)縫采用十字交叉逐步退焊法，焊接時(shí)注意用小電流，小直徑焊條，見(jiàn)圖5。

圖5 焊接次序

5 防腐及密性要求[4]

導(dǎo)流管是水下裝置，要求結(jié)構(gòu)密閉，耐腐蝕，因此在制作過(guò)程中，除了板材前期需噴砂除銹涂底漆外，在封板前還要對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)刷一層瀝青漆，并在導(dǎo)流管體外設(shè)置鋅塊作為犧牲陽(yáng)極以達(dá)到導(dǎo)流管的電化學(xué)防腐要求。而密性，要求整體機(jī)構(gòu)充入惰性氣體后，內(nèi)部氣體在0.05MPa的壓力上保壓至少5min，若整體無(wú)氣體泄漏，方為合格。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)胎板精確放樣，胎架按線型制作，并制定嚴(yán)格的焊接要求及焊接順序，經(jīng)過(guò)一系列的工藝措施保證，在3530kW拖輪導(dǎo)流管的制造上達(dá)到了理想的效果，為后續(xù)上船的精確安裝和使用起到關(guān)鍵作用，同時(shí)，也為今后此類(lèi)型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流管制作與焊接提供切實(shí)可行的參考方法。

[1] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)舾裝分冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

[2] 童復(fù)興.淺談導(dǎo)流管的作用、損壞原因和修理工藝[J].航海技術(shù)，1992, (5): 47-48.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[4] 曾小磊.船舶導(dǎo)流管組件制造工藝的要點(diǎn)分析[N].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011, (14): 76-77.