某輪螺旋槳損壞修理和檢驗控制分析

林 杰

(中國船級社福州分社 福州350008)

1 事故簡要經過及損壞原因分析

某5萬t級散貨船在冰區航行時主機負荷異常，原先滿載航行主機轉速為76 r/min，此時油門加到最大也只能達到42 r/min，且操左舵20°～25°才能把定航向。經水下檢查，發現螺旋槳損壞，見圖1。

圖1 槳葉變形

對槳葉進行水下局部臨時對稱切割后繼續航行，主機可以保持68 r/min，航速約10 kn，負荷低于原來的工況。該船到港卸貨后進塢，檢查螺旋槳槳葉切口平齊對稱(見圖2)，然后抽出艉軸和卸下舵桿檢查，艉軸、艉軸承(見圖3)和前后艉軸封均無明顯缺陷，外觀檢查和探傷均合格，但發現該船舵桿向右扭轉變形25°左右(見圖4)，舵葉上有兩處較深的凹坑。

該輪在冰區航行時，雖然采取了一些附加防范措施，但主要是從防凍角度去準備的，對船舶航行操縱方面考慮很少。離開港口時雖然依靠破冰船協助離開，但由于冰層較厚，碎裂的冰塊體積較大，且在低溫的情況下螺旋槳材料脆性增加，在碎裂冰塊滑行至螺旋槳附近時被吸入螺旋槳，并撞擊槳葉;因螺旋槳處于高速運轉狀態，葉梢處的線速度較大，浮冰的相對動量較大，沖擊力較大，導致槳葉折斷。

依據水下拍攝相片，槳葉折斷處殘留金屬是從吸力面向壓力面彎曲。分析認為，冰塊遭螺旋槳撞擊后，冰塊動能增加，快速撞向舵葉，本船使用電動液壓舵機系統，在冰塊快速撞擊時，液壓系統中油缸內液壓油壓力迅速升高，雖然液壓系統安全閥可以開啟，但是在極短時間內無法迅速排出油缸中高壓液壓油，這時舵葉與冰塊之間就形成了剛性碰撞，造成舵桿扭轉變形并在舵葉上留下較深的凹陷變形。

2 修理前準備

首先將螺旋槳從艉軸上卸下，清潔后對其進行外觀檢查和全面的著色探傷，測量確定損壞范圍，損壞基本，見表1，槳葉損壞情況見圖5。

表1 槳葉損壞基本數據

圖5 槳葉損壞情況

經查閱該輪船上螺旋槳圖紙資料，該螺旋槳為5葉定距槳，直徑為7 500 mm，重量23 200 kg，0.7R處螺距為5 740 mm，側斜角為22°，材料為鎳鋁青銅(Cu3)，成分見表2。

表2 螺旋槳材料成分

3 修理過程

1)搭建一個安全、防風、防雨的工作平臺，并將螺旋槳放平，吸力面朝上放置，見圖6。根據測量確定的損壞區域位置和面積制作樣板，依據樣板在制備的板材上進行焊接前的切割，并留有一定的余量，保證槳葉修理的外觀形狀。

圖6 槳葉位置

2)將原槳葉面拋光，進行全面的著色探傷，開60°V形焊接坡口，同時對坡口位置進行著色探傷。開坡口時吸力面開到底，待槳葉翻身后，壓力面朝上重新開坡口到底，中間有焊縫交叉厚度約為焊縫總厚度的1/3，見圖7。

圖7 槳葉開口

3)對制備板材開60°V形焊接坡口，并對坡口位置進行探傷，槳葉本體和焊接板材裝配時依據螺距尺寸和槳葉的線形確定相關位置，裝配定位間隙為5 mm，定位要求盡量準確并適當控制焊接時產生的變形余量。

4)焊接由專業焊工操作，并隨時測量預熱溫度和層間溫度，先焊吸力面，再焊壓力面，焊接時確保預熱溫度在100℃以上，焊接時的層間溫度不超過250℃;焊接前采用天然氣柔火氣炬對螺旋槳進行預熱，避免使用集中火炬加熱，同時防止局部過熱;焊接時采用紅外線測溫儀對焊縫位置以及周邊預熱區域進行實時測量。［1］

5)采用德國產MIG氬弧焊機燒焊，焊絲選用安博科牌Cu3焊絲，焊絲直徑1.2 mm，焊接時采用氬氣保護焊，焊絲化學成份滿足要求。焊接時層間溫度控制在250℃以內，焊接電壓24～26 V，電流為210～230 A。

6)焊接完畢后，使用保溫毯保溫，使之慢慢冷卻至室溫，進行焊縫打磨并對槳面拋光處理，再對修理區域(焊接位置)探傷。

7)如有槳葉變形，用電熱絲加熱器加熱，對變形區域及其每邊各500 mm寬的區域加熱到700～900℃后進行矯正，矯正修整后用保溫毯包裹保溫并使之緩慢冷卻至室溫。

8)槳葉矯正和槳距修正后，進行螺距測量和靜平衡試驗，并出具有關測試報告，數據符合設計圖紙后進行熱處理。

9)本次修理采用鎳鋁青銅作為填充金屬，在螺旋槳焊補和矯正后，對焊接區域和熱影響區域進行熱處理，釋放殘余應力。具體方法是以不超過100℃/h的速度加熱至500℃，保溫3～4 h，再以不超過50℃/h的速度降至室溫，見圖8。在整個熱處理過程中，對螺旋槳提供足夠的支承以減小槳葉變形。

圖8 熱處理溫度變化示意

10)對焊縫、原槳葉和新鑄槳葉部分進行硬度測量，槳葉再一次全面探傷，確認無缺陷后，出具硬度測試報告和槳葉探傷報告。

4 修理過程質量控制及檢驗

1)根據螺旋槳圖紙資料，確定槳葉側斜角，并據此審核相應工藝是否合適。該槳葉側斜角為22°，應為低側斜角螺旋槳［2］，且根據損壞預檢情況(見圖5)可知，槳葉折斷部分均在0.7R以外區域，該區域屬于C區［3］。依據相關規范要求，可以采用焊接修補方式。

2)在焊補前，應對螺旋槳進行全面著色探傷，包括坡口處探傷，以此來確認螺旋槳本體是否還有其它缺陷。該槳葉經全面探傷后，發現有2處微小裂紋存在，經打磨處理，發現裂紋并不深，采用打磨至無裂紋后焊補再打磨的方法去除，至探傷無缺陷。

3)對原材料及新制備材料進行化學成分分析，并對焊接標準試塊進行機械強度試驗和酸蝕試驗等?；瘜W成分分析結果見表3、表4，新制備槳葉材料與原槳材料的成份都在規范允許的范圍之內，說明可以進行焊接，對焊接標準試塊進行拉伸試驗時，抗拉強度為535 MPa，最終斷裂于原槳葉材料處，說明新制備槳葉材料及焊縫材料(填充金屬)的抗拉強度高于原材料，滿足焊補要求。

表3 原槳葉材料

表4 新制備槳葉材料

4)吸力面、壓力面開坡口以及焊接后，均應對坡口及焊縫部位進行探傷，防止出現坡口及焊縫缺陷，導致后續工作的失敗，在焊接時應保持焊接坡口干凈和干燥，在焊下一道前應清除熔渣、咬邊及其它缺陷。

5)在銑削加工時，應隨時測量螺距及槳葉厚度，防止銑削過度。銑削完成后，再次測量螺距及厚度，并根據原圖紙進行校核，保證銑削完成后相關參數滿足原設計圖紙要求;銑削完成后，進行熱處理。熱處理后，應再次進行槳葉全面探傷，最終確認螺旋槳焊補修復后，整個槳葉無缺陷。

6)螺旋槳硬度測試，本體、新板材硬度基本相近，焊縫硬度略高于本體和新板材，滿足相關要求。

7)靜平衡試驗。螺旋槳是大質量周向運動件，平衡的好壞對于軸系及其附件的影響非常大。根據船舶圖紙資料，原槳的靜平衡允許誤差為17.4 kg，制造時不平衡量為9.2 kg，本次修復后，螺旋槳靜平衡試驗不平衡量為6.5 kg，見圖9，靜平衡滿足要求后，根據船舶圖紙資料相關要求裝復螺旋槳(見圖10)，經檢驗合格。據船上反饋，本船螺旋槳及軸舵系在第一航次海上航行中工作正常。

5 槳葉修補注意事項

1)需根據不同修理部位采取不同的修理工藝。螺旋槳槳葉分為高側斜角與低側斜角槳，螺旋槳的最大側斜角為:在槳葉的正投影圖上，從葉尖到槳軸中線的直線和從軸中線作出與螺旋槳的槳葉截面弦長中點連線相切的直線的夾角，高側斜螺旋槳的側斜角大于25°，低側斜螺旋槳的側斜角不大于25°，并據此將槳葉劃分為不同的危險區域，不同的危險區域應力不同，對不同的危險區域的修理工藝及檢測要求也大不相同。因此，在槳葉修補前，必須首先確定槳葉的側斜角，并據此劃分槳葉的危險區域，再根據槳葉擬修補的不同部位在危險區域內的分布情況，制訂不同的修理工藝和檢測要求，這一點尤為重要;

2)根據相對應的通過焊接試驗驗證過的焊接工藝進行施焊，不同的焊接工藝對應不同的焊接要求，其中的電流和電壓，以及焊接層間溫度有嚴格的控制要求，需要切實滿足相應要求，并注意時刻保證各個數據滿足焊接工藝要求;

3)在各個關鍵節點上必須充分認識探傷的重要性，并注重探傷的層次性。如在修理前要進行全槳探傷，以發現所有肉眼不易察覺的裂紋和隱性缺陷，不留安全隱患。例如，本次就發現兩處微小裂紋，經修理后探傷至無缺陷，避免了潛在的安全隱患;在修理過程中，吸力面、壓力面開坡口以及焊接后，均應對坡口及焊縫部位進行探傷，防止出現坡口及焊縫缺陷，導致后續工作的失敗;銑削加工完成并經熱處理后，應再次進行槳葉全面探傷，以確認螺旋槳焊補修理所有工序全部完成后整個槳葉無缺陷;

4)退火處理的必要性，螺旋槳焊補后，新老材料之間存在殘余應力，需要重新作相應的熱處理消除其中殘余應力。

6 結論

1)本船在發現主機負荷異常后，船員采取了比較恰當的處理措施，降低主機轉速，從而降低了螺旋槳不平衡對軸系的影響，減小了對軸系及主機的損害，且在損壞后時刻關注艉軸承及中間軸承的溫度變化情況，保持各溫度在正常范圍之內，隨后在水下進行螺旋槳切割，雖然減小了螺旋槳的水力效果，但卻使螺旋槳重新恢復了平衡，使主機在低速下運轉，將軸系的損傷降低到最小程度。

2)槳葉修補過程中，注意了有關事項，保證了槳葉的修復質量。

［1］中國船級社上海規范所.材料與焊接規范(2009)［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］中國船舶工業綜合技術經濟研究院.船舶軸系修理勘驗技術要求CB/T 3416-92［S］.北京:船舶標準信息咨詢中心，1992.

［3］中國船級社上海規范所.船舶焊接檢驗指南(2008)［S］.北京:人民交通出版社，2008.