噴水推進裝置復雜流道結構制造與安裝工藝

柏君勵，李小榮，汪劍，謝銳，熊志超

(武昌船舶重工集團有限公司，武漢 430060)

噴水推進裝置主要由進口流道、推進泵和操舵機構組成。進口流道的作用是將船底部的水導流進入推進泵，水流經過加速后，從操舵機構出口噴射出來，達到推進船舶效果。流道結構一般有較復雜的線型，其進水口設置在船底，形狀近似為橢圓形，出水口設置在船體尾封板上，形狀為圓形，其圓心與軸系中心線保持一致。對于小型的流道結構，可采用鑄造的方式制造，并通過法蘭與船體結構連接。而對于大型流道結構，由于其尺寸大、線型復雜，整體鑄造難度大，一般需采用焊接的方式制造。大型流道在運行時受到的水流沖擊和振動很大，采用法蘭連接不滿足強度要求，需通過焊接的方式與船體結構連接。流道的制造精度與噴水推進裝置的推進效率密切相關，流道的安裝精度則影響軸系的安裝精度。因此，如何實現大型復雜流道結構的精確制造和安裝，是船舶建造中的重要課題。為此，對大型復雜流道結構制造與安裝問題進行分析，提出分段制造和分步安裝的新工藝方法，并將其應用于某型艇的流道制造安裝過程中。

1 進口流道結構介紹

某鋼制艦艇配有兩臺噴水推進裝置，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

流道三維結構見圖2，整個流道結構貫穿尾部分段，其內表面為流水光順面，外表面通過縱橫結構進行加強，在流道結構中部區域設有艉軸管。流道及周圍船體和加強結構均采用L907A高強鋼制造。

圖2 流道及周圍船體結構

該流道線性復雜，流道入口與船體分段接口處采用小圓弧板進行連接，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、線型復雜，同時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

流道結構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，模具制造復雜，鑄造難度較大，不滿足生產進度需要，非最佳選擇。目前國內船廠對于大型流道結構通常采用焊接的方式進行制造。對幾種焊接制造和安裝的工藝方案進行對比如下。

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

①胎架制造復雜。整體制造時，無論采用正造、側造或反造，由于流道線型復雜、線型變化大，胎架結構的設計與制造均比較復雜。

②安裝精度難以控制。流道整體安裝時，流道入口端與船體分段的接口范圍大，對接時二者間的精度難以保證；流道在分段整體安裝時，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構施工空間不足，焊接難度大；其次，在分段上拼裝流道結構時精度不易控制,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流道劃分成進口段、嵌補段和出口段3個分段分別制造，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分別在不同的建造階段進行安裝。對于線型復雜的進口段，將其劃分為多個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。結構規則的出口段在內場完成整體制造，在分段上預埋并初定位，在船臺舾裝階段整體安裝。而中間的嵌補段則在內場完成整體制造后在船臺舾裝階段再進行安裝。

3 流道的分段制造與分步安裝工藝

3.1 流道進口段的內場加工及上分段拼裝

流道進口段由多個不規則的雙曲面板組成，壁厚為8 mm。進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。

根據進口段的線型合理布置板縫位置，通過三維放樣將流道進口段劃分為多個小零件。根據安裝位置特點，對于分段接口處、曲率較大處或其他復雜區域的零件，須預留30 mm的加工余量，便于上分段拼裝時現場調整。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，通過樣板檢驗零件形狀。

零件內場加工完畢后再上分段拼裝。拼裝前，檢查分段上結構安裝的正確性，將各零件板縫位置和安裝基準線刻劃到分段上。零件安裝順序為先裝焊大尺寸零件后裝焊小尺寸零件，先安裝頂部零件(因為分段在胎架上反造)，然后安裝側部零件和底部零件，最后安裝與分段接口的圓弧形零件。完工后的流道進口段見圖4，線型光順，精度控制良好。

圖4 流道進口段實物

3.2 流道出口段的內場制造及上船臺安裝

流道出口段由上至下依次為壁厚8 mm的首端圓環、壁厚34 mm的加厚板圓環、壁厚8 mm的錐面以及壁厚12 mm的尾端圓環。其中加厚板圓環為流道最關鍵的部分，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行嚴格的精度控制。

為保證流道出口段的制造精度，設計出口段內場制造的工裝胎架，見圖5。胎架由4塊垂向模板和水平加強槽鋼組成，在胎架下口標出各基準線，在胎架上口中心處拉出中心線。

圖5 流道出口段及內場制造胎架

流道出口段尾端圓環制造時須留20 mm船臺安裝余量，便于精確安裝時進行調整。加厚板圓環制造時，在其內徑單面留4 mm機加工余量，后端面留6 mm機加工余量，便于后期對其進行鏜孔加工以滿足軸系安裝需要。各圓環(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(錐)，最后焊接形成完整的出口段結構，同時在內部用十字結構進行加強。

流道出口段在內場制造完畢后，在船體分段制造階段，將出口段預埋進分段，初定位后再點焊固定，然后在船臺施工階段再進行裝焊。出口段由于與軸系和噴水推進泵直接關聯，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3天測量，結果應穩定。

4)應在溫度、濕度變化不大的環境條件下施工。

在船臺施工階段，根據軸線切割船體結構上支撐流道出口段的肋板結構的余量，對流道的垂向及左右位置進行定位。然后，進一步調整流道出口段縱向位置，使其加厚板圓環后端面與船體加強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，對出口段進行精確定位。出口段精確定位完成后進行焊接，焊接時需雙數焊工對稱施焊，在焊接過程中監控出口段的徑向和軸向偏差，發現超差及時調整焊接順序，焊完后將焊縫表面打磨光滑。兩段安裝現場見圖7。

圖7 流道進口段和出口段在分段制造階段安裝現場

3.3 流道嵌補段的內場制造及上船臺安裝

流道嵌補段由兩個直徑為800 mm的圓環組成，壁厚8 mm。兩個圓環在內場分別進行制造，不形成整體，并留出30 mm的安裝余量，再在船臺上分別與流道出口段和入口段裝焊，見圖8。

圖8 流道嵌補段在船臺階段安裝實物

裝焊時以流道出口段進行定位，依次完成兩個嵌補段的裝焊。焊接時在流道內部貼陶瓷襯墊，通過雙數焊工、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行打磨光順，并用樣板檢查流道線型光順度。

3.4 流道加強結構及附體結構裝焊

流道裝焊完畢后，再依次安裝圖2中的各加強結構以及犧牲陽極基座等附體結構。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

流道線型復雜，需對內場制造和各階段的安裝過程進行精度控制，以滿足相應的精度要求。流道零件內場制造精度要求如下。

1)板材對接錯邊量≤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。

流道在分段和船臺階段裝焊精度要求如下：

1)進口段零件分段裝配精度要求±2.0 mm，出口段船臺裝配精度±2.0 mm。

2)出口段加厚板圓環后端面距離加強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，通過在加厚板圓環內徑單面留4 mm余量保證安裝焊接精度，加厚板的內徑(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、焊接等工序進行控制，尤其是對出口段的裝焊精度進行控制。

1)焊接之前應采用較小直徑的焊條進行點焊，增加焊件剛性，減小焊接變形；

2)出口段內場制造焊接時，應由雙數焊工左右、前后對稱施焊，以保證結構均勻收縮。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，需用“米”字形工裝進行加強，焊接時先焊接內側焊縫再焊接外側焊縫。

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

5)在船臺焊接時由雙數焊工進行對稱施焊，先焊流道板自身對接焊縫，再焊與艙壁的角焊縫，最后焊接流道結構上的角焊縫。

6)出口段在船臺定位時向上放3 mm焊接收縮量。

7)焊接過程中按圖紙上的要求嚴格控制焊腳尺寸，焊后對焊縫進行打磨光順處理。

5 防腐防漏

流道結構位于水線以下，對于防腐防漏有嚴格要求。在防腐方面，流道裝焊完畢后，需對表面結構按照設計水線以下涂裝配套進行涂裝，并在流道壁上安裝鋅塊作為犧牲陽極以避免電化學腐蝕。在防漏方面，對流道所在的艉部艙室進行整體氣密試驗，艙室氣體在0.03 MPa的壓力下穩定時間不少于1 h。受檢部位的肥皂液不產生氣泡，且艙內壓力降不超過規定壓力的3%。

為便于流道檢修和維護保養，在每個流道頂端設置兩個觀察孔蓋，觀察孔蓋采用法蘭和橡皮密封，防止漏水漏氣。

6 結論

針對復雜鋼質流道的制造安裝問題，結合流道各部分的特點，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點。

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行安裝，更容易保證安裝精度，同時設置嵌補段有助于進一步修正安裝誤差，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段的制造前移至內場進行，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內孔的鏜孔工作量，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、高效地完成了多個流道結構的制造和安裝工作。所制造的流道結構型線光順，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。