船用錨的典型缺陷分析及預防

常 寧

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

一、錨的類型與結構

（一）錨的發展歷程

船用錨的發展是從19世紀初中期的有桿錨開始，直到19世紀末的無桿錨時代，以及20世紀中期的大抓力錨時代[1]。現今，隨著有桿錨被淘汰，無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桿錨，典型類型如表1所示；第二代是以無桿大抓力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，其在設計中通過改良避免了第二代錨所產生的彎曲、變形甚至斷裂現象，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 典型的無桿錨類型

圖1 AC-14型錨和DA-1型錨

（二）錨部件的組成與結構

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型錨的組成結構

二、船用錨的檢驗要點

（一）成品外觀及材料的檢驗要點

船用錨的鑄造過程應該根據認可的制造工藝進行，成品部件出爐經拋丸、打磨處理后，對其進行外觀和尺寸檢查、稱重等。對于有桿錨，錨桿的質量應不小于不包括錨桿在內的錨的質量的四分之一。錨的組裝應該按照認可的工藝進行，卸扣與錨桿之間的間隙應該符合船級社的標準。根據卸扣銷軸直徑，卸扣銷軸與孔的容差應符合船級社的要求。錨桿的側向運動應不超過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。

（二）墜落試驗和錘擊試驗的要點

將每個錨頭、錨桿、卸扣提升到4米的高度后，使其自由下墜到堅固的鋼板上。對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定的高度，同時使錨冠向下投落到鋼板上的二個鋼塊上，沖擊到錨桿的中心處，而錨頭不碰到鋼板，此時應無裂紋、變形和其他缺陷。完成墜落試驗后，用繩索將每個錨部件吊離地面，用3千克以上質量的鐵錘敲擊，以聲音是否清脆來檢查鑄件的完整性。

（三）拉力試驗的要點

在試驗前，需確認錨不存在缺陷，拉力試驗機應確認經過有效的校準。將錨的卸扣一端與拉力試驗機的拉力機構連接固定，將錨爪從尖端量起的三分之一處與試驗臺接觸，作為著力點，如圖3所示。此后，將卸扣處錨桿上標記的某一點作為起點，將錨爪尖端某一點作為終點，并測量間距。

圖3 拉力試驗示意圖

拉力試驗時，應先施加規定試驗負荷1/10的拉力，保持5分鐘后計量起終點的長度，然后緩慢加載到根據錨質量確定的試驗負荷，保持5分鐘后逐漸卸載再次到達試驗負荷的1/10時，第二次計量長度。有桿錨應無明顯的殘余變形，無桿錨應無超過1%標距長度的殘余變形。

拉力試驗后，對該試驗錨進行外觀檢查和無損探傷，一般采用磁粉探傷MT對其表面進行探測。錨部件不允許出現如裂紋、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防

（一）典型缺陷

在檢驗過程中發現船用錨的典型缺陷有：錨桿或錨頭墜落后斷裂或出現裂紋、重大變形；拉力試驗磁粉探傷后，發現氣孔、裂紋等；冒口附近出現夾雜；錨重量、尺寸、厚度不達標；錨各個部件間隙超標；澆注錨件的內部存在空虛部分；船上發生走錨、斷錨事故。如圖4所示。

（二）錨部件墜落后斷裂的分析及預防

在墜落試驗、敲擊試驗后，若錨部件發生斷裂或不完整現象，應拒收該部件，不允許做修補處理。錨部件表面的先天缺陷（裂紋、氣孔等）會引發斷裂。出現斷裂、裂紋、重大變形的本質原因在于錨部件整個澆注過程偏離了工藝要求，應徹查并及時更正澆注過程中與工藝要求偏離的步驟。

（三）氣孔的分析及預防

氣孔是鑄造過程中較為常見的缺陷，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 錨檢驗過程中發現的典型缺陷

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

（四）冒口等部位夾雜的分析及預防

錨部件表面發現裂紋，打磨后里面經常發現型砂或非金屬夾雜。從化學成分來看，非金屬有硫化物、氧化物、氮化物等[3，4]，是裂紋產生的重要原因，其主要來自兩方面：一為內生夾雜物，通常顆粒細小，分布均勻；二為外來夾雜物，一般尺寸較大，外形無規則，分布不均勻。

配置不當的鋼包下水口也會成為導致夾雜的重要因素。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。在澆注過程中，鋼水溫度每分鐘會下降2 ℃，需要30分鐘之內澆注完畢。若采用小口徑的下水口，會造成澆注時間增加20分鐘，鋼水溫度降低40 ℃，流動性降低，部分鋼水無法流到冒口，導致冒口附近出現鋼包渣。

錨部件冒口補縮設計的正確性，也是決定冒口質量的重要因素。被補縮部分的凝固時間應小于冒口的凝固時間，同時必須確保充足的補縮液，以滿足錨部件補縮的需要，即滿足式（1）的要求：

其中：Vc、Vr為鑄件和冒口的體積；η為冒口的補縮效率；ε為凝固體收縮率。對于鑄鐵件，式（1）的ε應該用補縮率Fr替代。補縮率是動態的，不單和ε相關，還和鑄件的結構、澆注的條件、澆冒口的位置、鑄型的冷卻特性及硬度相關。冷鐵、補貼、保溫等方法的采用，可以增加有效補縮距離，并延長一定的補縮時間[5]。

（五）錨事故的分析及預防

錨泊中的船經常發生走錨事故，其主要原因有海底底質差導致錨爪抓地力不牢，風浪、海浪增大及偏蕩導致錨泊船受沖擊過大，船員拋錨方法不當，錨鏈長度不夠或者纏繞，以及錨自身重量不足等。走錨現象危險性大，嚴重時會導致錨泊船觸礁、擱淺、碰撞甚至翻沉。因此，提高船員拋錨技術與技能、加強值班船員值好錨更的責任意識，可有效、及時地避免走錨。此外，選擇在底質良好、水深適當及有遮蔽處拋錨，也是預防走錨行之有效的方法。

斷錨事故的原因比較復雜，除操作不當導致錨受力過大而斷外，錨質量也是不可忽略的因素。船級社規范中允許在發現錨缺陷后根據缺陷的大小、種類進行一定的焊接修補，該焊補必須嚴格執行認可的焊接工藝規程。若焊補質量差則會導致焊接殘余應力和疲勞裂紋產生，疲勞裂紋擴展后導致桿件斷裂。斷裂橫截面在局部放大至25微米后，觀察其微觀結構可發現焊補痕跡，在錨鑄件上焊補后的區域也會觀察到嚴重的塑性變形。因此，良好的工藝、合格的焊工、嚴格執行規程是預防錨部件焊補缺陷的著力點。

四、結語

本文基于船舶錨的類型和結構，通過對典型缺陷的介紹及原因分析，提出相應的預防措施，為船用錨的設計、制造及改進提供參考。