某艦螺旋槳修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用

李建忠，周建東，劉忠強

(1.北部戰(zhàn)區(qū)海軍保障部, 山東 青島 266071；2.4808工廠 威海修船廠, 山東 威海 264200)

某艦螺旋槳修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用

李建忠1，周建東2，劉忠強2

(1.北部戰(zhàn)區(qū)海軍保障部, 山東 青島 266071；2.4808工廠 威海修船廠, 山東 威海 264200)

文章介紹了某艦螺旋槳損壞情況和修理難點，遵循相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和修理經(jīng)驗，進(jìn)行修復(fù)工藝設(shè)計，按照相關(guān)的技術(shù)要求制訂修理步驟，并成功地修復(fù)了2只損壞嚴(yán)重的螺旋槳，修后試驗和使用情況良好，取得了良好的經(jīng)濟效益。

螺旋槳；損壞；修復(fù)設(shè)計； 修復(fù)成功

Abstract:In this paper，the damage condition and the repair difficult points for some marine screw propellersare introduced。Two severely-damaged propellers are well repaired by keeping to the relevant technical standards and experience，with ideal economic efficiency after the test and using.

Keywords：screw propeller；damage；maintaining design；successful repair

某艦采用3葉螺旋槳，直徑2 010 mm，螺距2 316 mm，質(zhì)量1 490 kg， 材料為鑄造鋁黃銅ZHAl67-5-2-2。修理中發(fā)現(xiàn)2只螺旋槳損壞嚴(yán)重，并引起艦尾部異常振動，主機超負(fù)荷。螺旋槳損壞程度對照修理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已接近報廢，如果采購新螺旋槳不僅價格昂貴，還將嚴(yán)重拖延修理周期。為此，我們在總結(jié)以往修理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過分析研究和工藝試驗，制訂出一套可行的修理方法和工藝，最終使2只螺旋槳得到全面修復(fù)，保證了該艦按期完成修理任務(wù)。

1 損壞情況及修復(fù)難點

螺旋槳損壞情況如圖1所示，右槳A槳葉缺損340 mm×150 mm和170 mm×50 mm 2塊；B槳葉有2條裂紋，其中1條位于導(dǎo)邊葉根處，長280 mm，為貫穿性和重復(fù)性裂紋，另外隨邊葉稍處變形嚴(yán)重；C槳葉有2條貫穿性裂紋，長度分別為140 mm和240 mm。

左槳A槳葉有1處嚴(yán)重彎曲變形，面積約500 mm×120 mm。

檢查還發(fā)現(xiàn)2只螺旋槳螺距比圖紙設(shè)計值偏大，其中單葉螺距偏大3.6 %～5.5 %，總平均螺距偏大2.4 %～2.7 %,超出了修理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單葉螺距偏差不超過±2.0 %、總平均螺距偏差不超過±1.5 %的要求。

上述損壞情況歸納起來主要問題是缺損、裂紋、變形和螺距超標(biāo)，其修理難點：一是B槳葉葉根部位的裂紋，長度占總長近1/3，部位受力大，因此要求焊縫強度高；二是葉面矯正，鑄造鋁黃銅的延展性較差，容易產(chǎn)生裂紋，而且加熱和整形控制難度也較大。

圖1 螺旋槳損壞情況

2 修復(fù)工藝設(shè)計

螺旋槳修復(fù)應(yīng)嚴(yán)格遵循CB970—1981《軍用艦船銅合金螺旋槳補焊規(guī)則》和CB/T 3422—1992《船用螺旋槳修理技術(shù)要求》等有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制訂好科學(xué)合理的修理工藝。

2.1焊接工藝

銅合金焊接是有色金屬中焊接較困難的一種，容易產(chǎn)生氣孔、夾渣和裂紋等問題。而本螺旋槳已使用35年，長時間處在海水環(huán)境中，受到腐蝕和雜質(zhì)滲入，以及裂紋經(jīng)過多次焊接的因素，增大了焊接難度。焊接工藝設(shè)計的目的是通過分析、研究和工藝試驗，選擇正確焊接材料、焊接設(shè)備和焊接參數(shù)，制定合理的焊接方法和要求，以克服上述種種問題和困難。

1)材料選擇。化驗了實物螺旋槳材料成分,結(jié)果與設(shè)計材料鑄造鋁黃銅(ZHAl67-5-2-2)基本一致,見表1。按照銅合金螺旋槳修補材料一致性原則，缺損鑲補銅塊材料即為ZHAl67-5-2-2，焊材選直徑為2 mm鋁青銅焊絲S214。

2)焊接設(shè)備和參數(shù)選擇。目前，螺旋槳焊接方法有氣焊、電焊和鎢極氬弧焊，前2種方法焊接黃銅合金時元素Zn的燒損量較大，同時容易產(chǎn)生氣孔、夾渣咬邊和未焊透缺陷。而鎢極氬弧焊熱量集中，在氬氣保護(hù)下電弧燃燒較穩(wěn)定，金屬溶滴的飛濺及焊縫中夾雜物少，焊縫強度及塑性也高，同時還具有功率大、變形小、熱影響區(qū)小和效率高的優(yōu)點，也是修理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推薦的焊接方法。本次修復(fù)采用鎢極氬弧焊，設(shè)備為WSME-500型逆變式交直流氬弧焊機，焊接參數(shù)可根據(jù)焊接厚度不同在表2范圍內(nèi)作適當(dāng)調(diào)整。

表1 螺旋槳材料ZHAl67-5-2-2成分 /%

表2 焊接參數(shù)

3) 焊接其它要求。裂紋和缺損鑲補焊接基本方法和要求如下。

(1) 缺陷清理。采用高速金屬磨頭打磨清除缺陷，在保證無缺陷的前提下打磨量盡量小，必要時采用著色法進(jìn)行確認(rèn)。重復(fù)性裂紋原焊補金屬須全部清除。

(2)焊接坡口型式。采用如圖2所示的雙U型，單面焊后背面清根，要求全熔透焊接。

(3)止裂方法。補焊過程中容易蔓延的裂紋應(yīng)鉆止裂孔。

(4)防變形方法。這條葉根裂紋最大焊接厚度約60 mm，焊接前按圖3正反面加裝馬板，焊接順序如圖4。焊接中要監(jiān)測槳轂內(nèi)孔尺寸變化和葉面變形，防止變形超過預(yù)期。其它各焊縫焊接除不需裝馬板外，其余要求照此進(jìn)行。

(5)消除焊接應(yīng)力方法。焊補過程中，除打底層和蓋面層外，其余焊層和熱影響區(qū)采用小錘錘擊消除應(yīng)力，每層每段錘擊30～50次。同時要注意控制層間溫度與預(yù)熱溫度相同。

(6)熔透性要求。全部焊縫均要求為熔透焊，堆焊要順應(yīng)葉厚形狀，較厚部位堆焊分2～3層，葉稍部位堆焊一層。多層焊相鄰二道焊層焊接方向相反，且逐層檢查清理表面缺陷和夾渣。

圖2 雙U型焊接坡口

圖3 裂紋焊接時加強

圖4 焊接順序示意圖

4)焊接工藝試驗。焊接工藝試驗是為了驗證工藝設(shè)計的正確性，檢驗焊縫強度能否滿足預(yù)期要求。試樣制作2組，每組2件，厚度分別為12 mm、17 mm，規(guī)格尺寸符合CCS規(guī)范要求，如圖5所示。每組其中一件直接進(jìn)行拉伸試驗，另一件從中間切開，按照上述工藝要求進(jìn)行對接焊接，再進(jìn)行拉伸試驗。試驗結(jié)果母材試樣和焊接試樣的抗拉強度分別達(dá)到680 MPa和742 MPa，均大于標(biāo)準(zhǔn)GB 1176—1974規(guī)定的620 MPa要求。

圖5 焊接試樣

2.2熱加工工藝

1)熱矯正方法。螺旋槳常見矯正方法有冷矯正和熱矯正，靜壓力和敲擊力。本螺旋槳材料延展性較差，槳葉變形和螺距偏差比較大，設(shè)計采用靜壓力熱矯正方法。按照鋁黃銅熱加工有關(guān)要求，熱矯正溫度定為500～800 ℃，加熱范圍為矯正部位及向周邊輻射500 mm。矯正次序遵循3個原則：先截面厚后截面薄，先變形大后變形小，先導(dǎo)邊后隨邊。截面厚和變形大處采用液壓千斤頂施力，截面薄和變形小處采用夾具和叉形撬棒施力。

2)加熱及預(yù)熱保溫和退火方法。螺旋槳常用加熱方法有焦碳爐、遠(yuǎn)紅外和火焰噴搶等，根據(jù)實際經(jīng)驗和工廠條件，本次采用氧乙炔火焰加熱。

焊接前預(yù)熱和焊接中保溫應(yīng)控制在150～250 ℃。預(yù)熱和保溫應(yīng)貫通焊接處整個截面厚度，范圍從焊接部位向周邊輻射300 mm，溫度梯度不超過每300 mm降低55 ℃，同時應(yīng)避免局部過熱。

焊后局部退火方法：退火溫度控制在500～550 ℃，保溫的分鐘數(shù)大于該處截面厚度的毫米數(shù)，然后用石棉布包覆緩冷。

2.3槳葉修正工藝

槳葉缺損和裂紋焊補以及變形矯正后，外輪廓線和葉面形狀需修正，修正采用切割和打磨的方法。因為本螺旋槳資料不全，修復(fù)部位尺寸和形狀的確定方法如下。

1) 外輪廓線型值確定。選擇一完好無損葉面，按與修正區(qū)域相同位置和相同尺寸打上網(wǎng)格，如圖6所示，把完好無損葉面的外輪廓線移植到需修正的區(qū)域即可。

2)葉面形狀確定。同樣選擇一完好無損葉面，按其形狀做出各半徑樣板，間隔約30 mm,用此樣板將正確的形狀移植到需修正的葉面上。

圖6 槳葉修正示意圖

3 修理步驟及有關(guān)要求

本次螺旋槳修復(fù)涉及內(nèi)容較多，既有非常規(guī)項目：裂紋焊接、缺損鑲補、變形和螺距矯正；又有常規(guī)項目：測量螺距、靜平衡測量和校正，以及最后的表面光順。各項目交集在一起既各自獨立又相互關(guān)聯(lián)影響,分析和梳理后制訂出先后次序和步驟如下。

1)槳葉矯正。矯正槳葉變形缺陷和螺距超差，矯正后檢查矯正區(qū)域不應(yīng)有新增裂紋。初步測量螺距，控制單個槳葉螺距不超過±1.5 %。

2)裂紋和缺損焊補。焊補槳葉裂紋和缺損，焊補后進(jìn)行探傷檢查，確認(rèn)無裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷。

3)退火處理。矯正和焊補后按要求進(jìn)行局部退火處理。

4)修正打磨。焊縫和修補處分2次進(jìn)行修磨，第一遍留1～1.5 mm的余量，對修磨后露出的小缺陷及時進(jìn)行補焊，再作第二遍精細(xì)修磨，要求焊縫和修補處與周邊平順，無明顯凹凸。

5)測量螺距。測量螺距，要求單葉螺距偏差不大于±2.0 %，總平均螺距偏差不大于±1.5 %。

6)光順和拋光。螺距符合要求后，槳葉作最后的光順和表面拋光，半徑在0.3R以內(nèi)表面粗糙度為1.6 μm, 半徑在0.3R之外表面粗糙度為0.8 μm。

7) 靜平衡檢查。螺旋槳靜平衡允許偏差G≤0.034 kg。

8) 槳轂內(nèi)孔修研。螺旋槳焊補修復(fù)后，槳轂內(nèi)孔多少會有點變形，修研內(nèi)孔使錐體接觸面積達(dá)到75 %，大小端均應(yīng)有分散接觸點。

4 結(jié)束語

螺旋槳修復(fù)后，檢測螺距、直徑、靜平衡等參數(shù)各技術(shù)參數(shù)全部符合規(guī)定要求，探傷無缺陷，表面完整光順，外觀煥然一新，見圖7。

圖7 修復(fù)后螺旋槳

裝艦試驗艦尾異常振動消失，主機各項熱工參數(shù)符合要求，爆發(fā)壓力和排氣溫度都有所下降，排氣煙度有明顯好轉(zhuǎn)，航速達(dá)到規(guī)定要求。試航后對兩槳進(jìn)行水下探查，槳葉表面無裂紋、缺損和變形等情況。目前該艦已出廠使用一年多，螺旋槳工作正常。

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.010

李建忠(1963-)，男，山東安丘人，高級工程師，本科，主要從事艦船裝備修理工作。

2017-07-31