“高速快船”舵杆修理工艺研究

缪志程，赵华锋

(上海船厂船舶有限公司，上海 202156)

舵系修理是船舶轮机修理的主要项目，绝大多数的舵系修理工程仅仅是对舵系易损部件进行测量更换，如舵杆-舵销轴承，舵杆-舵销轴套等的更换;涉及到舵杆本体的损伤修理比较少见，特别是舵杆上应力集中部位出现的较深裂纹的损坏，基本上都无法修理，直接报废。

由于舵杆形状特殊，一般很难在短时间里找到备用的舵杆，一旦舵杆被判报废，就必须新制舵杆。新制舵杆需要锻制材料，做机械性能试验，机加工等最短也需要3～5月左右的周期，对于船东来说，让船舶停泊3～5月而无法运营，会造成较大的经济损失。如果能够制定合理的焊接工艺、并利用电加热设备进行现场热处理消除焊接应力，修复此类舵杆，对于船厂和船东来说都是“双赢”。

1 问题的提出

近期公司承接了德国“奥登道夫”航运公司(OLDENDORFF CARRIERS GmbH＆Co.KG)的“高速快船”修理工程，该船为28 000 DWT散货船，舵系为半悬挂舵结构，舵杆尺寸如图1。

图1 舵杆图

船舶进坞拆卸舵系时，发现舵杆连接法兰的过渡圆弧处存在严重的裂纹 (见图2)。裂纹沿着两侧过渡圆弧分布，有多条连续组成，最长的达到450 mm左右。舵杆拆卸进车间后，观察连接法兰平面后，发现两侧的裂纹几乎已经裂穿。

对舵杆连接法兰平面两侧的裂纹进行仔细探伤测量后，裂纹大致形状如图3，图3仅表示大致的长度和范围，实际上是由多条裂纹组合而成的。

2 问题分析

图2 舵杆过渡圆弧处裂纹图

图3 舵杆连接法兰裂纹示意图

根据船舶行业标准《船舶舵系舵杆修理技术要求 (CB/T 3425-92)》［1］的规定:“舵杆上不允许有横向裂纹存在，纵向裂纹长不超过轴颈公称尺寸的1/4，数量不超过3条且不在同一母线上，深度不超过公称尺寸的5%”。该舵杆的各项指标已经远远超过上述规定，一般被判为报废。

对该标准分析后认为，之所以此类舵杆被船舶行业标准判为报废，是因为舵杆产生了诸多裂纹后必须去除裂纹进行补焊修理;而补焊修理过程中会产生焊接应力，由于舵杆的形状复杂，在使用时又承受了整个舵叶的重量和转舵的转矩，同时承受着海浪的巨大冲击力;特别是连接法兰圆弧这样的敏感部位一旦存在应力，极易在外力的作用下引发新的裂纹。按照以前的工艺方法，要去除应力必须进行舵杆整体退火处理，整体退火后还会产生新的变形，舵杆的轴颈，锥体、螺纹、连接法兰等部位都需要重新加工调整，与之配合的轴套、螺母等部件也要换新，同样工程巨大，还不如新制舵杆方便。

船东咨询后得知，新制1根舵杆需要3～5月的周期且费用昂贵。船东也试着寻找旧舵杆改制加工后使用，但无法找到类似可改制的旧舵杆，作为营运的船舶，停航数月待修的经济损失也相当大。

船东和BV船级社初步协商研究后决定，对该舵杆进行临时性焊接修复继续使用，待新制舵杆完工后再更换。但保险公司不接受这一方案，保险公司只能提供一次性赔付，要么舵杆换新，要么永久性焊接修复该舵杆。公司相关人员研究后认为，焊接修复该舵杆确实存在很大的风险，类似的舵杆修理国内无先例，但本着技术创新、努力为船东排忧解难的宗旨，公司决定顶住压力，承接了舵杆的修复工程。舵杆焊接修复存在以下问题。

1)舵杆采用锻钢制造，焊接修理需要知道详细的化学成分。

2)锻钢件焊接，厚度达到100 mm以上，采用多道焊接，必须制定详细的焊接工艺。

3)焊接过程中产生的应力，可能使得连接法兰产生变形，无机加工修正余量。

4)焊接过程中产生的应力，如何去除，并保证不影响轴颈和锥体。

3 制定焊接工艺，做好工艺评定

3.1 确定舵杆材质

焊接修理首先需要知道舵杆的材质。经查阅船方图纸，该舵杆由大连船厂制造。原设计图 (图号:DCY433-231-002)注明:“本锻件材料的化学成分及机械性能应符合现行美国ABS规范第2部分 (材料与焊接)第一节及ASTM A668 B级材料的有关要求及规定”，查阅资料得知ASTM A668 B级材料的化学成分和机械性能如表1、表2。图纸上没有明确的含碳量，又查阅了舵杆制作的检验报告，根据舵杆的化学成分分析应该是20Mn，查阅《机械设计手册》，其化学成分见表3。

3.2 编写PWPS

对于20 Mn这样的低碳合金钢锻件的焊接，必须取得相关船级社认可方能进行施工。此次焊接修补以对接焊为主，焊接形式为横焊和立焊。舵杆连接法兰厚度为100 mm，但圆弧处厚度增加，最厚处有120 mm。根据BV规范，对于多道焊接，工艺评定覆盖范围是试板厚度的0.5～2倍，因此选取试板厚度为60 mm。

表1 ASTM A668 B级材料的化学成分

表2 ASTM A668 B级材料的机械性能

由我公司船研所根据BV的相关要求编写PWPS，材料为20Mn，采取J507手工焊，焊前预热，焊后通过电加热做热处理消除应力。PWPS得到了BV船级社的认可。

3.3 做焊接工艺评定

PWPS获得船级社通过后，安排做试板工艺评定，严格按照要求操作，试板的焊接坡口采用机械加工，见图4。

试板焊接完全按照PWPS的要求，对横焊和立焊分别进行，安排有资格证书的焊工进行焊接，焊接完成做热处理去除应力。冷却后在BV验船师的监督下做焊缝超声波探伤检查，根据要求制作试棒做机械性能试验，各项参数均符合要求，获得了BV船级社的WPQR证书。

4 实际修理过程控制

为了确保周期，舵杆的修理工作与工艺评定同步进行。先对舵杆的裂缝进行彻底探伤检查，找出两边圆弧处的裂纹，做好标记。根据舵杆裂缝分布情况，舵杆裂纹的修补范围见图5，由于舵杆连接法兰形状特殊，尺寸较大，决定修理分2步进行。由于圆弧为应力集中区，我们第一步先修理圆弧区，第二部修理法兰平面，修理前先钻好止裂孔。

图5 舵杆焊接修理示意图

4.1 连接法兰圆弧处焊接修理

为了防止圆弧处焊接产生拉应力，影响连接法兰面与舵杆中心线垂直度，修理前先在法兰平面焊接3块定位工艺板，见图6。

图6 舵杆连接法兰平面加焊定位板图

为了提高焊接质量，采用机械加工的方式去除裂纹，并开设焊接坡口。由于舵杆圆弧处位置特殊，镗床无法加工坡口，采用先机械钻孔，再人工磨削的方式加工圆弧处的焊接坡口，见图7。

图7 舵杆两侧圆弧磨削成型的坡口图

焊接坡口加工完成后进行焊接，用电加热板，非石棉保温材料包裹连接法兰，由电加热设备先预热至150℃以上再进行焊接，焊接由2名工人在两侧焊缝同时进行，既能提高速度，还能减少对称施焊变形。焊接过程中派工人测量焊缝温度，以符合工艺要求。焊接是连续进行的，晚上焊接室温低于5℃时会影响焊接质量，采用红外线灯光照射，以提高施工环境温度。

焊接完成后，进行热处理，逐步加热至580～620℃，保温1 h后缓慢冷却，释放应力。热处理完成，打开保温布，检查焊缝，对焊缝进行打磨。然后做探伤检查，检查合格，第一步焊接修理完成。

4.2 连接法兰平面处焊接修理

第一步圆弧处焊接修理完成后，拆除连接法兰平面的3块定位板。为了防止连接法兰平面焊接时，产生拉应力，影响连接法兰面与舵杆中心线垂直度，我们在舵杆两侧圆弧处焊接6块三角定位工艺板 (见图8)。

图8 舵杆两侧圆弧处加焊定位三角板图

舵杆连接法兰平面的坡口可以直接在镗床上加工。焊接坡口加工完成后进行焊接，同样用电加热板和非石棉保温材料包裹连接法兰，由电加热设备预热至150℃以上再进行焊接，焊接由2名工人在两侧焊缝同时进行对称施焊，既能提高速度，还能减少变形。

焊接完成后，进行热处理，逐步加热至580～620℃，保温1 h后缓慢冷却，释放应力，见图9。热处理完成，打开保温布，检查焊缝。上镗床对焊缝粗加工方便做探伤。然后做超声波探伤检查，检查确定焊接合格。

图9 舵杆连接法兰平面焊接后热处理图

如果探伤发现某些部位存在缺陷，应镗削修补层至缺陷去除，然后重新做预热、焊接和热处理、再探伤检查，直至全部合格为止。至此第二步焊接修理也完成。

4.3 机加工修理

裂缝焊接修理完成，拆除所有三角板，上平板划线，按照舵杆中心线划出连接法兰平面加工线，加工连接法兰平面，见图10。此次焊接修理虽然焊接修补量很大，由于先前做好了防变形措施，焊接后平面偏差得到了控制，镗除6 mm后就符合了垂直度要求，根据船舶行业标准《船舶舵系舵杆修理技术要求 (CB/T 3425)》的规定:“舵杆连接法兰在修理后，允许厚度减少的极限是设计尺寸的10%”。该舵杆连接法兰设计为100 mm，减少6 mm在允许范围内。

图10 舵杆连接法兰平面机加工图

舵杆连接法兰与舵叶法兰平面，原设计中间部分有2 mm透空不接触，见图11。设计成法兰平面中间不接触，是为了防止平面加工后出现中间凸起，造成四周接触不良，但中间透空也会减少平面接触面积，使得传递转矩全靠法兰四周的摩擦力。鉴于此次修理过程中减小了连接法兰的厚度，为了提高舵杆平面传递转矩的能力，取消了法兰中间的透空部分;为了防止平面中间凸起导致四周接触不良，采用人工拂磨的方法分别对舵杆和舵叶的连接法兰平面进行拂平，整个接触面要求为每645 mm2(每平方英寸)≥2～3点。

图11 舵叶法兰平面图

舵叶、舵杆连接法兰平面拂配后将舵叶舵杆在车间进行预装，加工6个连接铰制螺栓孔，新配铰制螺栓。舵系各部件加工完成后吊船安装 (见图12)，操舵试验合格，“高速快船”顺利出厂。

5 结束语

图12 舵杆、舵叶安装完工图

“高速快船”的舵杆修理工程，公司相关工程技术人员、生产管理人员和操作人员一起，会同船东、船检大胆创新，突破了舵杆应力集中部位贯穿裂缝焊接修复的禁区。相关人员在整个修理过程中认真细致、一丝不苟，严格按照工艺要求操作，精益求精、力求完美，最终顺利解决这一难题。船舶出厂后进行质量跟踪，船东反馈舵杆使用正常。

在修理过程中，公司也积累了大型低碳合金锻钢件的焊接、探伤和热处理控制等经验，并获得BV船级社30～120 mm的20 Mn锻钢焊接工艺认可证书 (WPQR)，今后将在大型锻制舵杆、舵轴等损坏修复领域继续探索。

［1］CB/T 3425-92，船舶舵系舵杆修理技术要求 ［S］.

［2］机械设计手册联合编写组.机械设计手册 ［M］.北京:化学工业出版社，1978.