繆志程，趙華鋒

(上海船廠船舶有限公司，上海 202156)

舵系修理是船舶輪機修理的主要項目，絕大多數(shù)的舵系修理工程僅僅是對舵系易損部件進行測量更換，如舵桿-舵銷軸承，舵桿-舵銷軸套等的更換;涉及到舵桿本體的損傷修理比較少見，特別是舵桿上應(yīng)力集中部位出現(xiàn)的較深裂紋的損壞，基本上都無法修理，直接報廢。

由于舵桿形狀特殊，一般很難在短時間里找到備用的舵桿，一旦舵桿被判報廢，就必須新制舵桿。新制舵桿需要鍛制材料，做機械性能試驗，機加工等最短也需要3～5月左右的周期，對于船東來說，讓船舶停泊3～5月而無法運營，會造成較大的經(jīng)濟損失。如果能夠制定合理的焊接工藝、并利用電加熱設(shè)備進行現(xiàn)場熱處理消除焊接應(yīng)力，修復(fù)此類舵桿，對于船廠和船東來說都是“雙贏”。

1 問題的提出

近期公司承接了德國“奧登道夫”航運公司(OLDENDORFF CARRIERS GmbH＆Co.KG)的“高速快船”修理工程，該船為28 000 DWT散貨船，舵系為半懸掛舵結(jié)構(gòu)，舵桿尺寸如圖1。

圖1 舵桿圖

船舶進塢拆卸舵系時，發(fā)現(xiàn)舵桿連接法蘭的過渡圓弧處存在嚴重的裂紋 (見圖2)。裂紋沿著兩側(cè)過渡圓弧分布，有多條連續(xù)組成，最長的達到450 mm左右。舵桿拆卸進車間后，觀察連接法蘭平面后，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的裂紋幾乎已經(jīng)裂穿。

對舵桿連接法蘭平面兩側(cè)的裂紋進行仔細探傷測量后，裂紋大致形狀如圖3，圖3僅表示大致的長度和范圍，實際上是由多條裂紋組合而成的。

2 問題分析

圖2 舵桿過渡圓弧處裂紋圖

圖3 舵桿連接法蘭裂紋示意圖

根據(jù)船舶行業(yè)標準《船舶舵系舵桿修理技術(shù)要求 (CB/T 3425-92)》［1］的規(guī)定:“舵桿上不允許有橫向裂紋存在，縱向裂紋長不超過軸頸公稱尺寸的1/4，數(shù)量不超過3條且不在同一母線上，深度不超過公稱尺寸的5%”。該舵桿的各項指標已經(jīng)遠遠超過上述規(guī)定，一般被判為報廢。

對該標準分析后認為，之所以此類舵桿被船舶行業(yè)標準判為報廢，是因為舵桿產(chǎn)生了諸多裂紋后必須去除裂紋進行補焊修理;而補焊修理過程中會產(chǎn)生焊接應(yīng)力，由于舵桿的形狀復(fù)雜，在使用時又承受了整個舵葉的重量和轉(zhuǎn)舵的轉(zhuǎn)矩，同時承受著海浪的巨大沖擊力;特別是連接法蘭圓弧這樣的敏感部位一旦存在應(yīng)力，極易在外力的作用下引發(fā)新的裂紋。按照以前的工藝方法，要去除應(yīng)力必須進行舵桿整體退火處理，整體退火后還會產(chǎn)生新的變形，舵桿的軸頸，錐體、螺紋、連接法蘭等部位都需要重新加工調(diào)整，與之配合的軸套、螺母等部件也要換新，同樣工程巨大，還不如新制舵桿方便。

船東咨詢后得知，新制1根舵桿需要3～5月的周期且費用昂貴。船東也試著尋找舊舵桿改制加工后使用，但無法找到類似可改制的舊舵桿，作為營運的船舶，停航數(shù)月待修的經(jīng)濟損失也相當(dāng)大。

船東和BV船級社初步協(xié)商研究后決定，對該舵桿進行臨時性焊接修復(fù)繼續(xù)使用，待新制舵桿完工后再更換。但保險公司不接受這一方案，保險公司只能提供一次性賠付，要么舵桿換新，要么永久性焊接修復(fù)該舵桿。公司相關(guān)人員研究后認為，焊接修復(fù)該舵桿確實存在很大的風(fēng)險，類似的舵桿修理國內(nèi)無先例，但本著技術(shù)創(chuàng)新、努力為船東排憂解難的宗旨，公司決定頂住壓力，承接了舵桿的修復(fù)工程。舵桿焊接修復(fù)存在以下問題。

1)舵桿采用鍛鋼制造，焊接修理需要知道詳細的化學(xué)成分。

2)鍛鋼件焊接，厚度達到100 mm以上，采用多道焊接，必須制定詳細的焊接工藝。

3)焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，可能使得連接法蘭產(chǎn)生變形，無機加工修正余量。

4)焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，如何去除，并保證不影響軸頸和錐體。

3 制定焊接工藝，做好工藝評定

3.1 確定舵桿材質(zhì)

焊接修理首先需要知道舵桿的材質(zhì)。經(jīng)查閱船方圖紙，該舵桿由大連船廠制造。原設(shè)計圖 (圖號:DCY433-231-002)注明:“本鍛件材料的化學(xué)成分及機械性能應(yīng)符合現(xiàn)行美國ABS規(guī)范第2部分 (材料與焊接)第一節(jié)及ASTM A668 B級材料的有關(guān)要求及規(guī)定”，查閱資料得知ASTM A668 B級材料的化學(xué)成分和機械性能如表1、表2。圖紙上沒有明確的含碳量，又查閱了舵桿制作的檢驗報告，根據(jù)舵桿的化學(xué)成分分析應(yīng)該是20Mn，查閱《機械設(shè)計手冊》，其化學(xué)成分見表3。

3.2 編寫PWPS

對于20 Mn這樣的低碳合金鋼鍛件的焊接，必須取得相關(guān)船級社認可方能進行施工。此次焊接修補以對接焊為主，焊接形式為橫焊和立焊。舵桿連接法蘭厚度為100 mm，但圓弧處厚度增加，最厚處有120 mm。根據(jù)BV規(guī)范，對于多道焊接，工藝評定覆蓋范圍是試板厚度的0.5～2倍，因此選取試板厚度為60 mm。

表1 ASTM A668 B級材料的化學(xué)成分

表2 ASTM A668 B級材料的機械性能

由我公司船研所根據(jù)BV的相關(guān)要求編寫PWPS，材料為20Mn，采取J507手工焊，焊前預(yù)熱，焊后通過電加熱做熱處理消除應(yīng)力。PWPS得到了BV船級社的認可。

3.3 做焊接工藝評定

PWPS獲得船級社通過后，安排做試板工藝評定，嚴格按照要求操作，試板的焊接坡口采用機械加工，見圖4。

試板焊接完全按照PWPS的要求，對橫焊和立焊分別進行，安排有資格證書的焊工進行焊接，焊接完成做熱處理去除應(yīng)力。冷卻后在BV驗船師的監(jiān)督下做焊縫超聲波探傷檢查，根據(jù)要求制作試棒做機械性能試驗，各項參數(shù)均符合要求，獲得了BV船級社的WPQR證書。

4 實際修理過程控制

為了確保周期，舵桿的修理工作與工藝評定同步進行。先對舵桿的裂縫進行徹底探傷檢查，找出兩邊圓弧處的裂紋，做好標記。根據(jù)舵桿裂縫分布情況，舵桿裂紋的修補范圍見圖5，由于舵桿連接法蘭形狀特殊，尺寸較大，決定修理分2步進行。由于圓弧為應(yīng)力集中區(qū)，我們第一步先修理圓弧區(qū)，第二部修理法蘭平面，修理前先鉆好止裂孔。

圖5 舵桿焊接修理示意圖

4.1 連接法蘭圓弧處焊接修理

為了防止圓弧處焊接產(chǎn)生拉應(yīng)力，影響連接法蘭面與舵桿中心線垂直度，修理前先在法蘭平面焊接3塊定位工藝板，見圖6。

圖6 舵桿連接法蘭平面加焊定位板圖

為了提高焊接質(zhì)量，采用機械加工的方式去除裂紋，并開設(shè)焊接坡口。由于舵桿圓弧處位置特殊，鏜床無法加工坡口，采用先機械鉆孔，再人工磨削的方式加工圓弧處的焊接坡口，見圖7。

圖7 舵桿兩側(cè)圓弧磨削成型的坡口圖

焊接坡口加工完成后進行焊接，用電加熱板，非石棉保溫材料包裹連接法蘭，由電加熱設(shè)備先預(yù)熱至150℃以上再進行焊接，焊接由2名工人在兩側(cè)焊縫同時進行，既能提高速度，還能減少對稱施焊變形。焊接過程中派工人測量焊縫溫度，以符合工藝要求。焊接是連續(xù)進行的，晚上焊接室溫低于5℃時會影響焊接質(zhì)量，采用紅外線燈光照射，以提高施工環(huán)境溫度。

焊接完成后，進行熱處理，逐步加熱至580～620℃，保溫1 h后緩慢冷卻，釋放應(yīng)力。熱處理完成，打開保溫布，檢查焊縫，對焊縫進行打磨。然后做探傷檢查，檢查合格，第一步焊接修理完成。

4.2 連接法蘭平面處焊接修理

第一步圓弧處焊接修理完成后，拆除連接法蘭平面的3塊定位板。為了防止連接法蘭平面焊接時，產(chǎn)生拉應(yīng)力，影響連接法蘭面與舵桿中心線垂直度，我們在舵桿兩側(cè)圓弧處焊接6塊三角定位工藝板 (見圖8)。

圖8 舵桿兩側(cè)圓弧處加焊定位三角板圖

舵桿連接法蘭平面的坡口可以直接在鏜床上加工。焊接坡口加工完成后進行焊接，同樣用電加熱板和非石棉保溫材料包裹連接法蘭，由電加熱設(shè)備預(yù)熱至150℃以上再進行焊接，焊接由2名工人在兩側(cè)焊縫同時進行對稱施焊，既能提高速度，還能減少變形。

焊接完成后，進行熱處理，逐步加熱至580～620℃，保溫1 h后緩慢冷卻，釋放應(yīng)力，見圖9。熱處理完成，打開保溫布，檢查焊縫。上鏜床對焊縫粗加工方便做探傷。然后做超聲波探傷檢查，檢查確定焊接合格。

圖9 舵桿連接法蘭平面焊接后熱處理圖

如果探傷發(fā)現(xiàn)某些部位存在缺陷，應(yīng)鏜削修補層至缺陷去除，然后重新做預(yù)熱、焊接和熱處理、再探傷檢查，直至全部合格為止。至此第二步焊接修理也完成。

4.3 機加工修理

裂縫焊接修理完成，拆除所有三角板，上平板劃線，按照舵桿中心線劃出連接法蘭平面加工線，加工連接法蘭平面，見圖10。此次焊接修理雖然焊接修補量很大，由于先前做好了防變形措施，焊接后平面偏差得到了控制，鏜除6 mm后就符合了垂直度要求，根據(jù)船舶行業(yè)標準《船舶舵系舵桿修理技術(shù)要求 (CB/T 3425)》的規(guī)定:“舵桿連接法蘭在修理后，允許厚度減少的極限是設(shè)計尺寸的10%”。該舵桿連接法蘭設(shè)計為100 mm，減少6 mm在允許范圍內(nèi)。

圖10 舵桿連接法蘭平面機加工圖

舵桿連接法蘭與舵葉法蘭平面，原設(shè)計中間部分有2 mm透空不接觸，見圖11。設(shè)計成法蘭平面中間不接觸，是為了防止平面加工后出現(xiàn)中間凸起，造成四周接觸不良，但中間透空也會減少平面接觸面積，使得傳遞轉(zhuǎn)矩全靠法蘭四周的摩擦力。鑒于此次修理過程中減小了連接法蘭的厚度，為了提高舵桿平面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩的能力，取消了法蘭中間的透空部分;為了防止平面中間凸起導(dǎo)致四周接觸不良，采用人工拂磨的方法分別對舵桿和舵葉的連接法蘭平面進行拂平，整個接觸面要求為每645 mm2(每平方英寸)≥2～3點。

圖11 舵葉法蘭平面圖

舵葉、舵桿連接法蘭平面拂配后將舵葉舵桿在車間進行預(yù)裝，加工6個連接鉸制螺栓孔，新配鉸制螺栓。舵系各部件加工完成后吊船安裝 (見圖12)，操舵試驗合格，“高速快船”順利出廠。

5 結(jié)束語

圖12 舵桿、舵葉安裝完工圖

“高速快船”的舵桿修理工程，公司相關(guān)工程技術(shù)人員、生產(chǎn)管理人員和操作人員一起，會同船東、船檢大膽創(chuàng)新，突破了舵桿應(yīng)力集中部位貫穿裂縫焊接修復(fù)的禁區(qū)。相關(guān)人員在整個修理過程中認真細致、一絲不茍，嚴格按照工藝要求操作，精益求精、力求完美，最終順利解決這一難題。船舶出廠后進行質(zhì)量跟蹤，船東反饋舵桿使用正常。

在修理過程中，公司也積累了大型低碳合金鍛鋼件的焊接、探傷和熱處理控制等經(jīng)驗，并獲得BV船級社30～120 mm的20 Mn鍛鋼焊接工藝認可證書 (WPQR)，今后將在大型鍛制舵桿、舵軸等損壞修復(fù)領(lǐng)域繼續(xù)探索。

［1］CB/T 3425-92，船舶舵系舵桿修理技術(shù)要求 ［S］.

［2］機械設(shè)計手冊聯(lián)合編寫組.機械設(shè)計手冊 ［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1978.