船舶艉軸腐蝕原因及船機(jī)管理方面應(yīng)注意的問題

何繼鋒

(東海航海保障中心 溫州航標(biāo)處，浙江 溫州 325003)

有兩艘同一系列用于航標(biāo)巡檢補(bǔ)給作業(yè)的登陸船，一艘1997年建造(以下簡稱甲船)，另一艘2001年建造(以下簡稱乙船)。2013年乙船進(jìn)廠塢修，發(fā)現(xiàn)2根艉軸軸干區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，2017年甲船進(jìn)廠塢修，亦發(fā)現(xiàn)2根艉軸腐蝕嚴(yán)重。

2013年，乙船按照船舶修理計(jì)劃進(jìn)廠修理，2根艉軸上車床光車，去掉環(huán)氧樹脂保護(hù)層，然后對艉軸進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)2根艉軸軸干區(qū)域都有較大面積的銹蝕。驗(yàn)船師、船廠技術(shù)人員及該船輪機(jī)人員，在現(xiàn)場對2根艉軸進(jìn)行了認(rèn)真查勘：2根艉軸最大腐蝕面積120 mm×10 mm，最大腐蝕深度12 mm，如圖1所示。

圖1 乙船艉軸腐蝕圖片

2017年，甲船進(jìn)廠修理，2根艉軸最大腐蝕面積80 mm×10 mm，最大腐蝕深度6.5 mm，如圖2所示。

圖2 甲船艉軸腐蝕圖片

1 船舶軸系的工作條件分析

船舶軸系是將主機(jī)產(chǎn)生的功率傳遞到螺旋槳，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)的重要部件。軸系位于船體水線以下，其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不僅受到螺旋槳產(chǎn)生的阻力矩和推力的作用，使傳動(dòng)軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和壓應(yīng)力，而且受到軸系自重、螺旋槳重力引起的彎曲應(yīng)力，以及風(fēng)浪中螺旋槳上下運(yùn)動(dòng)的慣性產(chǎn)生的額外彎曲應(yīng)力。除此以外，軸系的安裝誤差，船體變形，軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及螺旋槳的不均勻水動(dòng)力作用等，都會在軸系中產(chǎn)生附加應(yīng)力，上述諸力和力矩往往具有周期性變化。當(dāng)船舶緊急停車、頻繁倒車、轉(zhuǎn)彎，或者在大風(fēng)浪中劇烈搖擺時(shí)，上述情況更為嚴(yán)重。與此同時(shí)，當(dāng)用海水做艉軸承潤滑劑時(shí)，船舶軸系還會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

由上述分析可見，軸系的工作條件很差，經(jīng)常會出現(xiàn)損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至斷裂。軸系修理需要船舶進(jìn)塢，工程復(fù)雜，修理周期長，成本較大。

2 船舶軸系的構(gòu)造

甲、乙兩船，采用雙機(jī)雙軸推進(jìn)系統(tǒng)，間接傳動(dòng)方式。左、右軸系對稱，兩軸系相距2 000 mm，分別平行布置在中縱剖面兩側(cè)，并與基線略有傾斜。每套軸系由1根艉軸、前后軸承和半聯(lián)軸節(jié)組成。

艉軸采用35#優(yōu)質(zhì)碳鋼鍛造，艉軸基本軸徑為85 mm，艉軸長度5 872 mm。艉軸穿過艉軸管伸出船尾，首端與主機(jī)后側(cè)的離合器連接，尾端安裝螺旋槳。艉軸法蘭與離合器法蘭用緊配螺栓連接，為了防止艉軸被海水腐蝕以及減少軸與軸承間的磨擦損失，在艉軸管內(nèi)的軸段上裝有3道銅套。艉軸軸干裸露在海水中的部分，包裹環(huán)氧樹脂保護(hù)層。銅質(zhì)螺旋槳與艉軸之間采用錐面結(jié)合、鍵連接以及螺母緊固。螺栓上螺母的旋緊方向與螺旋槳的正轉(zhuǎn)方向相反，使得螺旋槳正轉(zhuǎn)時(shí)螺母能夠自動(dòng)鎖緊。由于船舶倒車工作時(shí)間較短，倒車功率較正車功率要小，因此采用止動(dòng)片防松。螺母外面安裝內(nèi)腔充滿黃油水密的流線型導(dǎo)流罩，它既可以減少螺旋槳的水力損失，又可以防止因海水進(jìn)入螺紋和艉軸錐體部分而導(dǎo)致銹蝕。船舶正車時(shí)的推力靠螺旋槳與錐體緊壓配合的摩擦力來傳遞，倒車時(shí)的拉力由緊固螺母來承受，轉(zhuǎn)矩則靠鍵連接和緊壓配合的摩擦來傳遞。

艉軸管裝置由鋼板焊接而成，由艉軸管、艉軸承、密封裝置、潤滑及冷卻系統(tǒng)組成，艉軸管內(nèi)側(cè)鑲嵌襯套，在襯套的內(nèi)側(cè)壓入軸承材料。艉軸管首端法蘭用緊配螺栓固定在尾隔艙壁上，艉軸管尾端有螺紋，用螺母將其固定在人字架轂內(nèi)。艉軸管內(nèi)和人字架轂內(nèi)分別裝有前、后兩道軸承，艉軸前端采用水潤滑填料函密封裝置，靠牛油填料阻止舷外海水大量流入機(jī)艙，填料由填料壓蓋的預(yù)緊力使其與艉軸襯套緊密接觸，以達(dá)到密封目的。該密封裝置設(shè)有進(jìn)水管，以便引入具有壓力的舷外水，對艉軸及軸承進(jìn)行潤滑、冷卻和沖走積存在里面的泥沙。這種密封裝置結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、工作可靠，但摩擦損失大，容易損傷艉軸軸套。

3 船舶艉軸腐蝕的機(jī)理

該類型船舶艉軸承采用海水潤滑，艉軸的工作面和非工作面長期浸泡在海水中，海水是一種導(dǎo)電性很強(qiáng)的電解質(zhì)溶液，海水中大量氯離子的存在，使金屬表面的氧化膜遭到破壞。艉軸腐蝕過程可能是微觀電池作用，也可能是宏觀電池作用[1]。

1)微觀腐蝕電池是指在零件金屬表面上存在許多微小的電極形成的電池，又稱微電池。微電池是由于零件金屬表面的電化學(xué)不均勻性造成的。零件表面的電化學(xué)不均勻性主要有以下4點(diǎn)。

(1)金屬化學(xué)成分的不均勻。工業(yè)上使用的金屬材料都含有雜質(zhì)、非金屬夾雜物或存在著偏析，從而造成金屬化學(xué)成分的不均勻。金屬、雜質(zhì)、非金屬夾雜物的電位是不同的，當(dāng)與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)就會形成很多的微電池。

(2)組織結(jié)構(gòu)的不均勻。在同一金屬或合金內(nèi)部存在著不同的組織結(jié)構(gòu)，因而有不同的電極電位，在有電解質(zhì)的溶液中形成微電池。

(3)物理狀態(tài)的不均勻。金屬材料在冷、熱加工后常常造成各部分變形和所受應(yīng)力不均勻，一般來說變形大和應(yīng)力高的部位為陽極。

(4)金屬表面膜的完整性。零件金屬表面都有一層氧化膜，如果這層表面膜不完整、有空隙或破損，就不能全部覆蓋金屬表面，空隙或破壞處的金屬電位低于表面膜而為陽極。

以上情況表明金屬表面存在著物理和化學(xué)的差別，金屬表面各部位的電位不同，因此構(gòu)成各種腐蝕電池。

2)宏觀腐蝕電池是指發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)能夠形成可見電極構(gòu)成的宏觀大電池。

(1)異金屬接觸電池。兩種具有不同電位的金屬或合金相互接觸，并處于同一電解質(zhì)中，便會使較低電位的金屬不斷遭到腐蝕。

(2)濃差電池。同一金屬的不同部位與濃度或溫度不同的介質(zhì)接觸形成的腐蝕電池。

下面結(jié)合甲、乙兩艘航標(biāo)登陸船艉軸的電化學(xué)腐蝕機(jī)理作具體分析。

1)航標(biāo)登陸船艉軸本身是一種包含多種元素和化合物的鐵碳合金，存在著金屬化學(xué)成分的不均勻，組織結(jié)構(gòu)的不均勻，物理狀態(tài)的不均勻以及金屬表面膜的不完整性。因此，在海水電解液中形成微電池，鐵元素的電位低于其它元素的電位，成為原電池的陽極，而被溶解腐蝕。

2)航標(biāo)登陸船艉軸上裝有前、中、后3道銅套和銅質(zhì)螺旋槳，由于異金屬在海水中相互接觸，鋼的化學(xué)活動(dòng)性比銅強(qiáng)，鋼的電位比銅低，成為原電池的陽極而被腐蝕。

3)艉軸的工作面和非工作面，軸的前端與尾端，嚴(yán)格來說有細(xì)微的溫差，存在濃差電池的細(xì)微腐蝕。

4 艉軸腐蝕的原因

艉軸腐蝕的機(jī)理是電化學(xué)腐蝕，為了防止艉軸被海水腐蝕，艉軸軸干裸露在海水中的部分，包裹環(huán)氧樹脂保護(hù)層，以阻隔軸干與海水的接觸。

出現(xiàn)艉軸環(huán)氧樹脂保護(hù)層損壞而引起腐蝕的原因如下。

1)艉軸需要包裹環(huán)氧樹脂的軸干區(qū)域若除銹或清潔不徹底，易造成環(huán)氧樹脂材料與軸干金屬間接觸不良，包裹層內(nèi)存在空隙，一旦包裹層損壞，軸干會出現(xiàn)較大面積的腐蝕。

2)艉軸環(huán)氧樹脂包裹層的厚度不夠，容易出現(xiàn)包裹層破損。

3)艉軸包裹用的環(huán)氧樹脂配方不合理以及涂刷工藝存在缺陷。

4)該艉軸屬細(xì)長軸，如果軸系校中和安裝質(zhì)量不佳，軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生軸撓動(dòng)，容易引起環(huán)氧樹脂包裹層的損壞。

5 船機(jī)管理方面應(yīng)該注意的問題

1)艉軸鍛造質(zhì)量。艉軸鍛造應(yīng)該選擇有船檢資質(zhì)的生產(chǎn)廠家，鍛造材料要合理選擇，鍛造工藝要合乎要求。

2)艉軸軸干包裹環(huán)氧樹脂保護(hù)層時(shí)要注意施工工藝。

(1)艉軸包裹環(huán)氧樹脂保護(hù)層前，要進(jìn)行徹底除銹和清潔。

(2)包裹用的環(huán)氧樹脂材料配方要合理。

(3)艉軸包裹時(shí)，玻璃布的卷向與螺旋槳正車轉(zhuǎn)向相反，并從尾端向首端包裹。涂刷一層環(huán)氧樹脂，卷一層玻璃布，交替進(jìn)行。玻璃布的層數(shù)不少于4層，環(huán)氧樹脂包裹層的總厚度要3～4 mm[2]。

(4)要特別注意環(huán)氧樹脂包裹層與銅套的密封連接，確保艉軸非工作面與海水完全隔開。

3)注意軸系校中和安裝質(zhì)量等問題。

(1)軸系中心線彎曲度的檢驗(yàn)。軸系中心線在理論上應(yīng)該是處于直線狀態(tài)，但由于安裝誤差、長期運(yùn)轉(zhuǎn)后各軸承磨損程度的不同以及船體形變影響，使軸系產(chǎn)生相應(yīng)的形變。本系列船細(xì)長艉軸，本身就容易形變，若軸系中心線變形，工作中就更易引起艉軸環(huán)氧樹脂包裹面的損壞。因此，在安裝艉軸時(shí)要測量出軸與軸連接法蘭上的偏中值，即偏移值和曲折值，使之符合軸系法蘭校中的安裝要求。

(2)艉軸與柴油機(jī)曲軸的軸心線同軸度檢查。船舶由于長期運(yùn)行，軸承的磨損、船體和機(jī)座的形變，致使兩端軸發(fā)生偏離，影響軸系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也會引起環(huán)氧樹脂包裹面的損壞。因此，在安裝艉軸時(shí)也要注意這方面的問題。

(3)艉軸彎曲檢查。上車床檢測艉軸的徑向跳動(dòng)量。對徑向跳動(dòng)量較大的區(qū)域進(jìn)行冷壓校正，以盡量減少艉軸的彎曲度。

(4)螺旋槳檢測。檢測螺旋槳螺距，使之符合要求；螺旋槳靜平衡試驗(yàn)，使之符合要求。

4)船舶操縱時(shí)不應(yīng)該在“轉(zhuǎn)速禁區(qū)”持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以免軸系扭轉(zhuǎn)共振。

5)船舶平衡配載，減少船體形變。

6)定期檢查環(huán)氧樹脂保護(hù)層，避免艉軸因保護(hù)層損壞而遭受海水腐蝕。

[1] 滿一新，李素玉.船機(jī)檢修工藝:電化學(xué)腐蝕[M].北京：人民交通出版社，1989.

[2] 郭育標(biāo).沿海小型船舶艉軸腐蝕原因和建議的措施[J].航海技術(shù)，2007(S1)：60-61.