船用锚的典型缺陷分析及预防

摘要：介绍船用锚的发展历程及结构与组成，阐述船用锚成品外观检验及材料检验、坠落试验和锤击试验、拉力试验等的检验要点，分析船用锚断裂、气孔、夹杂等典型缺陷以及船走锚、断锚事故，提出预防措施，为船用锚的设计、制造、使用及改进提供参考。

关键词：船用锚；拉力试验；焊接修补；走锚

船用锚的主要功能是系泊。船舶在货物作业、PSC检查、躲风浪、等靠泊、等潮汐的状况下必须抛锚。船舶在抛锚时，通过锚在海底与海床的抓力，抵御风浪、水流等对位置的影响，将自身限定在安全范围之内。此外，船用锚也可辅助船舶操作动作，例如离靠码头和泊位，在狭窄水道进行调头及应急时的减速停船等。因此，性能良好的船用锚对船舶的安全运营具有重大意义。 

一、锚的类型与结构

 ( 一 ) 锚的发展历程

船用锚的发展是从19世纪初中期的有杆锚开始，直到19世纪末的无杆锚时代，以及20世纪中期的大抓力锚时代[1]。现今，随着有杆锚被淘汰，无杆锚和大抓力锚已被普及使用，其可分为三代：第一代是以霍尔锚为主的无杆锚，典型类型如表1所示；第二代是以无杆大抓力AC-14型锚为代表，以及斯托克斯锚、德宏锚、波尔锚等；第三代是新型的DA-1型锚，其在设计中通过改良避免了第二代锚所产生的弯曲、变形甚至断裂现象，正处于试用和推广阶段。AC-14型锚和DA-1型锚如图1所示。

表1 典型的无杆锚类型

图1 AC-14型锚和DA-1型锚

 ( 二 ) 锚部件的组成与结构

以第二代大抓力AC-14型锚为例，其主要组成部分有锚头、锚杆、卸扣，利用插销、锚头销、卸扣销等将其组合在一起，如图2所示。

图2 大抓力AC-14型锚的组成结构

 二、船用锚的检验要点

 ( 一 ) 成品外观及材料的检验要点

船用锚的铸造过程应该根据认可的制造工艺进行，成品部件出炉经抛丸、打磨处理后，对其进行外观和尺寸检查、称重等。对于有杆锚，锚杆的质量应不小于不包括锚杆在内的锚的质量的四分之一。锚的组装应该按照认可的工艺进行，卸扣与锚杆之间的间隙应该符合船级社的标准。根据卸扣销轴直径，卸扣销轴与孔的容差应符合船级社的要求。锚杆的侧向运动应不超过3度。锚的制作材料有铸钢、锻钢和轧制钢等，需要每批次、每炉批取样试验。

 ( 二 ) 坠落试验和锤击试验的要点

将每个锚头、锚杆、卸扣提升到4米的高度后，使其自由下坠到坚固的钢板上。对于锚杆和锚臂铸造为一体的有杆锚，需先将锚提升到4米的高度，同时将锚杆和锚臂处于水平位置后，自由坠落到钢板，接着再一次将锚提升到规定的高度，同时使锚冠向下投落到钢板上的二个钢块上，冲击到锚杆的中心处，而锚头不碰到钢板，此时应无裂纹、变形和其他缺陷。完成坠落试验后，用绳索将每个锚部件吊离地面，用3千克以上质量的铁锤敲击，以声音是否清脆来检查铸件的完整性。

 ( 三 ) 拉力试验的要点

在试验前，需确认锚不存在缺陷，拉力试验机应确认经过有效的校准。将锚的卸扣一端与拉力试验机的拉力机构连接固定，将锚爪从尖端量起的三分之一处与试验台接触，作为着力点，如图3所示。此后，将卸扣处锚杆上标记的某一点作为起点，将锚爪尖端某一点作为终点，并测量间距。

图3 拉力试验示意图

拉力试验时，应先施加规定试验负荷1/10的拉力，保持5分钟后计量起终点的长度，然后缓慢加载到根据锚质量确定的试验负荷，保持5分钟后逐渐卸载再次到达试验负荷的1/10时，第二次计量长度。有杆锚应无明显的残余变形，无杆锚应无超过1%标距长度的残余变形。

拉力试验后，对该试验锚进行外观检查和无损探伤，一般采用磁粉探伤MT对其表面进行探测。锚部件不允许出现如裂纹、凹坑、夹杂等降低其性能的缺陷。

 三、船用锚典型缺陷的分析及预防

 ( 一 ) 典型缺陷

在检验过程中发现船用锚的典型缺陷有：锚杆或锚头坠落后断裂或出现裂纹、重大变形；拉力试验磁粉探伤后，发现气孔、裂纹等；冒口附近出现夹杂；锚重量、尺寸、厚度不达标；锚各个部件间隙超标；浇注锚件的内部存在空虚部分；船上发生走锚、断锚事故。如图4所示。

 ( 二 ) 锚部件坠落后断裂的分析及预防

在坠落试验、敲击试验后，若锚部件发生断裂或不完整现象，应拒收该部件，不允许做修补处理。锚部件表面的先天缺陷 ( 裂纹、气孔等 ) 会引发断裂。出现断裂、裂纹、重大变形的本质原因在于锚部件整个浇注过程偏离了工艺要求，应彻查并及时更正浇注过程中与工艺要求偏离的步骤。

 ( 三 ) 气孔的分析及预防

气孔是铸造过程中较为常见的缺陷，有单一存在的，也有聚集性存在的，其大小不等，形状各异，且孔壁光滑。

锚部件在浇注过程中受到气流、温度等诸多因素的影响，内部和表层会受到侵害。在对船用废品锚进行表面无损探伤 ( 一般为磁粉MT探伤 ) 后发现，气孔的78%为侵入型，13%为卷入型，9%为析出型。对侵入型气孔的预防措施为，严格控制型砂质量，确保型砂干燥过程充分，排出大量气体[2]。对卷入型气孔预防的措施为，调整锚部件的排气功能，选择元素合适的原材料，以避免锈蚀现象，同时防止氧化物的形成或含氢量较多而影响综合质量。对析出型气孔缺陷的预防措施为，调控锚部件浇注过程中内部与外部的压力差，以控制型壳内部气体的析出。

 ( 四 ) 冒口等部位夹杂的分析及预防

锚部件表面发现裂纹，打磨后里面经常发现型砂或非金属夹杂。从化学成分来看，非金属有硫化物、氧化物、氮化物等[3，4]，是裂纹产生的重要原因，其主要来自两方面：一为内生夹杂物，通常颗粒细小，分布均匀；二为外来夹杂物，一般尺寸较大，外形无规则，分布不均匀。

配置不当的钢包下水口也会成为导致夹杂的重要因素。直径40毫米的下水口的流速只有直径50毫米下水口流速的65%左右。在浇注过程中，钢水温度每分钟会下降2 ℃，需要30分钟之内浇注完毕。若采用小口径的下水口，会造成浇注时间增加20分钟，钢水温度降低40 ℃，流动性降低，部分钢水无法流到冒口，导致冒口附近出现钢包渣。

锚部件冒口补缩设计的正确性，也是决定冒口质量的重要因素。被补缩部分的凝固时间应小于冒口的凝固时间，同时必须确保充足的补缩液，以满足锚部件补缩的需要，即满足式 ( 1 ) 的要求：

（Vc+Vr）ε≤Vrη   ( 1 )

其中：Vc、Vr为铸件和冒口的体积；η 为冒口的补缩效率；ε为凝固体收缩率。对于铸铁件，式 ( 1 ) 的ε 应该用补缩率Fr 替代。补缩率是动态的，不单和ε 相关，还和铸件的结构、浇注的条件、浇冒口的位置、铸型的冷却特性及硬度相关。冷铁、补贴、保温等方法的采用，可以增加有效补缩距离，并延长一定的补缩时间[5]。

 ( 五 ) 锚事故的分析及预防

锚泊中的船经常发生走锚事故，其主要原因有海底底质差导致锚爪抓地力不牢，风浪、海浪增大及偏荡导致锚泊船受冲击过大，船员抛锚方法不当，锚链长度不够或者缠绕，以及锚自身重量不足等。走锚现象危险性大，严重时会导致锚泊船触礁、搁浅、碰撞甚至翻沉。因此，提高船员抛锚技术与技能、加强值班船员值好锚更的责任意识，可有效、及时地避免走锚。此外，选择在底质良好、水深适当及有遮蔽处抛锚，也是预防走锚行之有效的方法。

断锚事故的原因比较复杂，除操作不当导致锚受力过大而断外，锚质量也是不可忽略的因素。船级社规范中允许在发现锚缺陷后根据缺陷的大小、种类进行一定的焊接修补，该焊补必须严格执行认可的焊接工艺规程。若焊补质量差则会导致焊接残余应力和疲劳裂纹产生，疲劳裂纹扩展后导致杆件断裂。断裂横截面在局部放大至25微米后，观察其微观结构可发现焊补痕迹，在锚铸件上焊补后的区域也会观察到严重的塑性变形。因此，良好的工艺、合格的焊工、严格执行规程是预防锚部件焊补缺陷的着力点。

 四、结语

本文基于船舶锚的类型和结构，通过对典型缺陷的介绍及原因分析，提出相应的预防措施，为船用锚的设计、制造及改进提供参考。

参考文献：

[1]徐翔.锚的史话[J].中国海事,2008(11):68-69.

[2]张凯,李洋,赵菲.V法铸钢件的缺陷及防治[J].科技经济导刊,2018(29):73.

[3]GUPTA A,SHARAD G,PADMANABHAN K A,et. Inclusions in steel:Micro-macro modelling approach to analyses the effects of inclusions on the properties of steel[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2015,77(1/4):565-572．

[4]张少坤.浅谈常见焊接缺陷的成因分析及对策[J].工程技术,2016(6):287.

[5]陈淑惠.铸件冒口设计的原则及方法[J].科技创新导报,2008(27):100-102.

作者简介：

常宁，日本船级社 ( 中国 ) 有限公司，工程师。

 本文刊发于《世界海运》2020年第11期，转发须注明作者和原文出处。

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