某舰螺旋桨修复技术研究与应用

李建忠，周建东，刘忠强

(1.北部战区海军保障部, 山东 青岛 266071；2.4808工厂 威海修船厂, 山东 威海 264200)

某舰螺旋桨修复技术研究与应用

李建忠1，周建东2，刘忠强2

(1.北部战区海军保障部, 山东 青岛 266071；2.4808工厂 威海修船厂, 山东 威海 264200)

文章介绍了某舰螺旋桨损坏情况和修理难点，遵循相关技术标准和修理经验，进行修复工艺设计，按照相关的技术要求制订修理步骤，并成功地修复了2只损坏严重的螺旋桨，修后试验和使用情况良好，取得了良好的经济效益。

螺旋桨；损坏；修复设计； 修复成功

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

某舰采用3叶螺旋桨，直径2 010 mm，螺距2 316 mm，质量1 490 kg， 材料为铸造铝黄铜ZHAl67-5-2-2。修理中发现2只螺旋桨损坏严重，并引起舰尾部异常振动，主机超负荷。螺旋桨损坏程度对照修理技术标准已接近报废，如果采购新螺旋桨不仅价格昂贵，还将严重拖延修理周期。为此，我们在总结以往修理经验的基础上，通过分析研究和工艺试验，制订出一套可行的修理方法和工艺，最终使2只螺旋桨得到全面修复，保证了该舰按期完成修理任务。

1 损坏情况及修复难点

螺旋桨损坏情况如图1所示，右桨A桨叶缺损340 mm×150 mm和170 mm×50 mm 2块；B桨叶有2条裂纹，其中1条位于导边叶根处，长280 mm，为贯穿性和重复性裂纹，另外随边叶稍处变形严重；C桨叶有2条贯穿性裂纹，长度分别为140 mm和240 mm。

左桨A桨叶有1处严重弯曲变形，面积约500 mm×120 mm。

检查还发现2只螺旋桨螺距比图纸设计值偏大，其中单叶螺距偏大3.6 %～5.5 %，总平均螺距偏大2.4 %～2.7 %,超出了修理技术标准规定的单叶螺距偏差不超过±2.0 %、总平均螺距偏差不超过±1.5 %的要求。

上述损坏情况归纳起来主要问题是缺损、裂纹、变形和螺距超标，其修理难点：一是B桨叶叶根部位的裂纹，长度占总长近1/3，部位受力大，因此要求焊缝强度高；二是叶面矫正，铸造铝黄铜的延展性较差，容易产生裂纹，而且加热和整形控制难度也较大。

图1 螺旋桨损坏情况

2 修复工艺设计

螺旋桨修复应严格遵循CB970—1981《军用舰船铜合金螺旋桨补焊规则》和CB/T 3422—1992《船用螺旋桨修理技术要求》等有关技术标准，制订好科学合理的修理工艺。

2.1焊接工艺

铜合金焊接是有色金属中焊接较困难的一种，容易产生气孔、夹渣和裂纹等问题。而本螺旋桨已使用35年，长时间处在海水环境中，受到腐蚀和杂质渗入，以及裂纹经过多次焊接的因素，增大了焊接难度。焊接工艺设计的目的是通过分析、研究和工艺试验，选择正确焊接材料、焊接设备和焊接参数，制定合理的焊接方法和要求，以克服上述种种问题和困难。

1)材料选择。化验了实物螺旋桨材料成分,结果与设计材料铸造铝黄铜(ZHAl67-5-2-2)基本一致,见表1。按照铜合金螺旋桨修补材料一致性原则，缺损镶补铜块材料即为ZHAl67-5-2-2，焊材选直径为2 mm铝青铜焊丝S214。

2)焊接设备和参数选择。目前，螺旋桨焊接方法有气焊、电焊和钨极氩弧焊，前2种方法焊接黄铜合金时元素Zn的烧损量较大，同时容易产生气孔、夹渣咬边和未焊透缺陷。而钨极氩弧焊热量集中，在氩气保护下电弧燃烧较稳定，金属溶滴的飞溅及焊缝中夹杂物少，焊缝强度及塑性也高，同时还具有功率大、变形小、热影响区小和效率高的优点，也是修理技术标准推荐的焊接方法。本次修复采用钨极氩弧焊，设备为WSME-500型逆变式交直流氩弧焊机，焊接参数可根据焊接厚度不同在表2范围内作适当调整。

表1 螺旋桨材料ZHAl67-5-2-2成分 /%

表2 焊接参数

3) 焊接其它要求。裂纹和缺损镶补焊接基本方法和要求如下。

(1) 缺陷清理。采用高速金属磨头打磨清除缺陷，在保证无缺陷的前提下打磨量尽量小，必要时采用着色法进行确认。重复性裂纹原焊补金属须全部清除。

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

(3)止裂方法。补焊过程中容易蔓延的裂纹应钻止裂孔。

(4)防变形方法。这条叶根裂纹最大焊接厚度约60 mm，焊接前按图3正反面加装马板，焊接顺序如图4。焊接中要监测桨毂内孔尺寸变化和叶面变形，防止变形超过预期。其它各焊缝焊接除不需装马板外，其余要求照此进行。

(5)消除焊接应力方法。焊补过程中，除打底层和盖面层外，其余焊层和热影响区采用小锤锤击消除应力，每层每段锤击30～50次。同时要注意控制层间温度与预热温度相同。

(6)熔透性要求。全部焊缝均要求为熔透焊，堆焊要顺应叶厚形状，较厚部位堆焊分2～3层，叶稍部位堆焊一层。多层焊相邻二道焊层焊接方向相反，且逐层检查清理表面缺陷和夹渣。

图2 双U型焊接坡口

图3 裂纹焊接时加强

图4 焊接顺序示意图

4)焊接工艺试验。焊接工艺试验是为了验证工艺设计的正确性，检验焊缝强度能否满足预期要求。试样制作2组，每组2件，厚度分别为12 mm、17 mm，规格尺寸符合CCS规范要求，如图5所示。每组其中一件直接进行拉伸试验，另一件从中间切开，按照上述工艺要求进行对接焊接，再进行拉伸试验。试验结果母材试样和焊接试样的抗拉强度分别达到680 MPa和742 MPa，均大于标准GB 1176—1974规定的620 MPa要求。

图5 焊接试样

2.2热加工工艺

1)热矫正方法。螺旋桨常见矫正方法有冷矫正和热矫正，静压力和敲击力。本螺旋桨材料延展性较差，桨叶变形和螺距偏差比较大，设计采用静压力热矫正方法。按照铝黄铜热加工有关要求，热矫正温度定为500～800 ℃，加热范围为矫正部位及向周边辐射500 mm。矫正次序遵循3个原则：先截面厚后截面薄，先变形大后变形小，先导边后随边。截面厚和变形大处采用液压千斤顶施力，截面薄和变形小处采用夹具和叉形撬棒施力。

2)加热及预热保温和退火方法。螺旋桨常用加热方法有焦碳炉、远红外和火焰喷抢等，根据实际经验和工厂条件，本次采用氧乙炔火焰加热。

焊接前预热和焊接中保温应控制在150～250 ℃。预热和保温应贯通焊接处整个截面厚度，范围从焊接部位向周边辐射300 mm，温度梯度不超过每300 mm降低55 ℃，同时应避免局部过热。

焊后局部退火方法：退火温度控制在500～550 ℃，保温的分钟数大于该处截面厚度的毫米数，然后用石棉布包覆缓冷。

2.3桨叶修正工艺

桨叶缺损和裂纹焊补以及变形矫正后，外轮廓线和叶面形状需修正，修正采用切割和打磨的方法。因为本螺旋桨资料不全，修复部位尺寸和形状的确定方法如下。

1) 外轮廓线型值确定。选择一完好无损叶面，按与修正区域相同位置和相同尺寸打上网格，如图6所示，把完好无损叶面的外轮廓线移植到需修正的区域即可。

2)叶面形状确定。同样选择一完好无损叶面，按其形状做出各半径样板，间隔约30 mm,用此样板将正确的形状移植到需修正的叶面上。

图6 桨叶修正示意图

3 修理步骤及有关要求

本次螺旋桨修复涉及内容较多，既有非常规项目：裂纹焊接、缺损镶补、变形和螺距矫正；又有常规项目：测量螺距、静平衡测量和校正，以及最后的表面光顺。各项目交集在一起既各自独立又相互关联影响,分析和梳理后制订出先后次序和步骤如下。

1)桨叶矫正。矫正桨叶变形缺陷和螺距超差，矫正后检查矫正区域不应有新增裂纹。初步测量螺距，控制单个桨叶螺距不超过±1.5 %。

2)裂纹和缺损焊补。焊补桨叶裂纹和缺损，焊补后进行探伤检查，确认无裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷。

3)退火处理。矫正和焊补后按要求进行局部退火处理。

4)修正打磨。焊缝和修补处分2次进行修磨，第一遍留1～1.5 mm的余量，对修磨后露出的小缺陷及时进行补焊，再作第二遍精细修磨，要求焊缝和修补处与周边平顺，无明显凹凸。

5)测量螺距。测量螺距，要求单叶螺距偏差不大于±2.0 %，总平均螺距偏差不大于±1.5 %。

6)光顺和抛光。螺距符合要求后，桨叶作最后的光顺和表面抛光，半径在0.3R以内表面粗糙度为1.6 μm, 半径在0.3R之外表面粗糙度为0.8 μm。

7) 静平衡检查。螺旋桨静平衡允许偏差G≤0.034 kg。

8) 桨毂内孔修研。螺旋桨焊补修复后，桨毂内孔多少会有点变形，修研内孔使锥体接触面积达到75 %，大小端均应有分散接触点。

4 结束语

螺旋桨修复后，检测螺距、直径、静平衡等参数各技术参数全部符合规定要求，探伤无缺陷，表面完整光顺，外观焕然一新，见图7。

图7 修复后螺旋桨

装舰试验舰尾异常振动消失，主机各项热工参数符合要求，爆发压力和排气温度都有所下降，排气烟度有明显好转，航速达到规定要求。试航后对两桨进行水下探查，桨叶表面无裂纹、缺损和变形等情况。目前该舰已出厂使用一年多，螺旋桨工作正常。

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.010

李建忠(1963-)，男，山东安丘人，高级工程师，本科，主要从事舰船装备修理工作。

2017-07-31