船舶艉轴腐蚀原因及船机管理方面应注意的问题

何继锋

(东海航海保障中心 温州航标处，浙江 温州 325003)

有两艘同一系列用于航标巡检补给作业的登陆船，一艘1997年建造(以下简称甲船)，另一艘2001年建造(以下简称乙船)。2013年乙船进厂坞修，发现2根艉轴轴干区域出现严重腐蚀现象，2017年甲船进厂坞修，亦发现2根艉轴腐蚀严重。

2013年，乙船按照船舶修理计划进厂修理，2根艉轴上车床光车，去掉环氧树脂保护层，然后对艉轴进行检查，发现2根艉轴轴干区域都有较大面积的锈蚀。验船师、船厂技术人员及该船轮机人员，在现场对2根艉轴进行了认真查勘：2根艉轴最大腐蚀面积120 mm×10 mm，最大腐蚀深度12 mm，如图1所示。

图1 乙船艉轴腐蚀图片

2017年，甲船进厂修理，2根艉轴最大腐蚀面积80 mm×10 mm，最大腐蚀深度6.5 mm，如图2所示。

图2 甲船艉轴腐蚀图片

1 船舶轴系的工作条件分析

船舶轴系是将主机产生的功率传递到螺旋桨，从而推动船舶前进的重要部件。轴系位于船体水线以下，其运转时不仅受到螺旋桨产生的阻力矩和推力的作用，使传动轴产生扭转应力和压应力，而且受到轴系自重、螺旋桨重力引起的弯曲应力，以及风浪中螺旋桨上下运动的惯性产生的额外弯曲应力。除此以外，轴系的安装误差，船体变形，轴系的扭转振动、横向振动、纵向振动以及螺旋桨的不均匀水动力作用等，都会在轴系中产生附加应力，上述诸力和力矩往往具有周期性变化。当船舶紧急停车、频繁倒车、转弯，或者在大风浪中剧烈摇摆时，上述情况更为严重。与此同时，当用海水做艉轴承润滑剂时，船舶轴系还会产生电化学腐蚀。

由上述分析可见，轴系的工作条件很差，经常会出现损伤，严重时甚至断裂。轴系修理需要船舶进坞，工程复杂，修理周期长，成本较大。

2 船舶轴系的构造

甲、乙两船，采用双机双轴推进系统，间接传动方式。左、右轴系对称，两轴系相距2 000 mm，分别平行布置在中纵剖面两侧，并与基线略有倾斜。每套轴系由1根艉轴、前后轴承和半联轴节组成。

艉轴采用35#优质碳钢锻造，艉轴基本轴径为85 mm，艉轴长度5 872 mm。艉轴穿过艉轴管伸出船尾，首端与主机后侧的离合器连接，尾端安装螺旋桨。艉轴法兰与离合器法兰用紧配螺栓连接，为了防止艉轴被海水腐蚀以及减少轴与轴承间的磨擦损失，在艉轴管内的轴段上装有3道铜套。艉轴轴干裸露在海水中的部分，包裹环氧树脂保护层。铜质螺旋桨与艉轴之间采用锥面结合、键连接以及螺母紧固。螺栓上螺母的旋紧方向与螺旋桨的正转方向相反，使得螺旋桨正转时螺母能够自动锁紧。由于船舶倒车工作时间较短，倒车功率较正车功率要小，因此采用止动片防松。螺母外面安装内腔充满黄油水密的流线型导流罩，它既可以减少螺旋桨的水力损失，又可以防止因海水进入螺纹和艉轴锥体部分而导致锈蚀。船舶正车时的推力靠螺旋桨与锥体紧压配合的摩擦力来传递，倒车时的拉力由紧固螺母来承受，转矩则靠键连接和紧压配合的摩擦来传递。

艉轴管装置由钢板焊接而成，由艉轴管、艉轴承、密封装置、润滑及冷却系统组成，艉轴管内侧镶嵌衬套，在衬套的内侧压入轴承材料。艉轴管首端法兰用紧配螺栓固定在尾隔舱壁上，艉轴管尾端有螺纹，用螺母将其固定在人字架毂内。艉轴管内和人字架毂内分别装有前、后两道轴承，艉轴前端采用水润滑填料函密封装置，靠牛油填料阻止舷外海水大量流入机舱，填料由填料压盖的预紧力使其与艉轴衬套紧密接触，以达到密封目的。该密封装置设有进水管，以便引入具有压力的舷外水，对艉轴及轴承进行润滑、冷却和冲走积存在里面的泥沙。这种密封装置结构简单、维护方便、工作可靠，但摩擦损失大，容易损伤艉轴轴套。

3 船舶艉轴腐蚀的机理

该类型船舶艉轴承采用海水润滑，艉轴的工作面和非工作面长期浸泡在海水中，海水是一种导电性很强的电解质溶液，海水中大量氯离子的存在，使金属表面的氧化膜遭到破坏。艉轴腐蚀过程可能是微观电池作用，也可能是宏观电池作用[1]。

1)微观腐蚀电池是指在零件金属表面上存在许多微小的电极形成的电池，又称微电池。微电池是由于零件金属表面的电化学不均匀性造成的。零件表面的电化学不均匀性主要有以下4点。

(1)金属化学成分的不均匀。工业上使用的金属材料都含有杂质、非金属夹杂物或存在着偏析，从而造成金属化学成分的不均匀。金属、杂质、非金属夹杂物的电位是不同的，当与电解质溶液接触时就会形成很多的微电池。

(2)组织结构的不均匀。在同一金属或合金内部存在着不同的组织结构，因而有不同的电极电位，在有电解质的溶液中形成微电池。

(3)物理状态的不均匀。金属材料在冷、热加工后常常造成各部分变形和所受应力不均匀，一般来说变形大和应力高的部位为阳极。

(4)金属表面膜的完整性。零件金属表面都有一层氧化膜，如果这层表面膜不完整、有空隙或破损，就不能全部覆盖金属表面，空隙或破坏处的金属电位低于表面膜而为阳极。

以上情况表明金属表面存在着物理和化学的差别，金属表面各部位的电位不同，因此构成各种腐蚀电池。

2)宏观腐蚀电池是指发生电化学腐蚀时能够形成可见电极构成的宏观大电池。

(1)异金属接触电池。两种具有不同电位的金属或合金相互接触，并处于同一电解质中，便会使较低电位的金属不断遭到腐蚀。

(2)浓差电池。同一金属的不同部位与浓度或温度不同的介质接触形成的腐蚀电池。

下面结合甲、乙两艘航标登陆船艉轴的电化学腐蚀机理作具体分析。

1)航标登陆船艉轴本身是一种包含多种元素和化合物的铁碳合金，存在着金属化学成分的不均匀，组织结构的不均匀，物理状态的不均匀以及金属表面膜的不完整性。因此，在海水电解液中形成微电池，铁元素的电位低于其它元素的电位，成为原电池的阳极，而被溶解腐蚀。

2)航标登陆船艉轴上装有前、中、后3道铜套和铜质螺旋桨，由于异金属在海水中相互接触，钢的化学活动性比铜强，钢的电位比铜低，成为原电池的阳极而被腐蚀。

3)艉轴的工作面和非工作面，轴的前端与尾端，严格来说有细微的温差，存在浓差电池的细微腐蚀。

4 艉轴腐蚀的原因

艉轴腐蚀的机理是电化学腐蚀，为了防止艉轴被海水腐蚀，艉轴轴干裸露在海水中的部分，包裹环氧树脂保护层，以阻隔轴干与海水的接触。

出现艉轴环氧树脂保护层损坏而引起腐蚀的原因如下。

1)艉轴需要包裹环氧树脂的轴干区域若除锈或清洁不彻底，易造成环氧树脂材料与轴干金属间接触不良，包裹层内存在空隙，一旦包裹层损坏，轴干会出现较大面积的腐蚀。

2)艉轴环氧树脂包裹层的厚度不够，容易出现包裹层破损。

3)艉轴包裹用的环氧树脂配方不合理以及涂刷工艺存在缺陷。

4)该艉轴属细长轴，如果轴系校中和安装质量不佳，轴系运转时会产生轴挠动，容易引起环氧树脂包裹层的损坏。

5 船机管理方面应该注意的问题

1)艉轴锻造质量。艉轴锻造应该选择有船检资质的生产厂家，锻造材料要合理选择，锻造工艺要合乎要求。

2)艉轴轴干包裹环氧树脂保护层时要注意施工工艺。

(1)艉轴包裹环氧树脂保护层前，要进行彻底除锈和清洁。

(2)包裹用的环氧树脂材料配方要合理。

(3)艉轴包裹时，玻璃布的卷向与螺旋桨正车转向相反，并从尾端向首端包裹。涂刷一层环氧树脂，卷一层玻璃布，交替进行。玻璃布的层数不少于4层，环氧树脂包裹层的总厚度要3～4 mm[2]。

(4)要特别注意环氧树脂包裹层与铜套的密封连接，确保艉轴非工作面与海水完全隔开。

3)注意轴系校中和安装质量等问题。

(1)轴系中心线弯曲度的检验。轴系中心线在理论上应该是处于直线状态，但由于安装误差、长期运转后各轴承磨损程度的不同以及船体形变影响，使轴系产生相应的形变。本系列船细长艉轴，本身就容易形变，若轴系中心线变形，工作中就更易引起艉轴环氧树脂包裹面的损坏。因此，在安装艉轴时要测量出轴与轴连接法兰上的偏中值，即偏移值和曲折值，使之符合轴系法兰校中的安装要求。

(2)艉轴与柴油机曲轴的轴心线同轴度检查。船舶由于长期运行，轴承的磨损、船体和机座的形变，致使两端轴发生偏离，影响轴系的正常运转，也会引起环氧树脂包裹面的损坏。因此，在安装艉轴时也要注意这方面的问题。

(3)艉轴弯曲检查。上车床检测艉轴的径向跳动量。对径向跳动量较大的区域进行冷压校正，以尽量减少艉轴的弯曲度。

(4)螺旋桨检测。检测螺旋桨螺距，使之符合要求；螺旋桨静平衡试验，使之符合要求。

4)船舶操纵时不应该在“转速禁区”持续运转，以免轴系扭转共振。

5)船舶平衡配载，减少船体形变。

6)定期检查环氧树脂保护层，避免艉轴因保护层损坏而遭受海水腐蚀。

[1] 满一新，李素玉.船机检修工艺:电化学腐蚀[M].北京：人民交通出版社，1989.

[2] 郭育标.沿海小型船舶艉轴腐蚀原因和建议的措施[J].航海技术，2007(S1)：60-61.