《谈船舶焊接中的常见缺陷的成因和防止措施 》
摘 要：船舶焊接是保证船舶密性和强度的关键。本文详细介绍了船舶焊接中几种常见的缺陷原因并提出防止措施。
关键词：船舶焊接 缺陷 防止措施
船舶焊接是保证船舶密性和强度的关键，是保证船舶质量的关键，是保证船舶安全航行和作业的重要条件。如果焊接存在着缺陷，就有可能造成结构断裂、渗漏，甚至引起船舶沉没。据对船舶脆断事故调查表明，40%脆断事故是从焊缝缺陷处开始的。在乡镇船舶造船中，船舶的焊接质量问题尤为突出。在对船舶进行检验的过程中，对焊缝的检验尤为重要。因此，应及早发现缺陷，把焊接缺陷限制在一定范围内，以确保航行安全。
船舶焊接缺陷种类很多，按其位置不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。常见缺陷有气孔、夹渣、焊接裂纹、未焊透、未熔合、焊缝外形尺寸和形状不符合要求、咬边、焊瘤、弧坑等。
一、气孔
气孔是指在焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而形成的空穴。产生气孔的主要原因有：坡口边缘不清洁，有水份、油污和锈迹；焊条或焊剂未按规定进行焙烘，焊芯锈蚀或药皮变质、剥落等。此外，低氢型焊条焊接时，电弧过长，焊接速度过快；埋弧自动焊电压过高等，都易在焊接过程中产生气孔。由于气孔的存在，使焊缝的有效截面减小，过大的气孔会降低焊缝的强度，破坏焊缝金属的致密性。预防产生气孔的办法是：选择合适的焊接电流和焊接速度，认真清理坡口边缘水份、油污和锈迹。严格按规定保管、清理和焙烘焊接材料。不使用变质焊条，当发现焊条药皮变质、剥落或焊芯锈蚀时，应严格控制使用范围。埋弧焊时，应选用合适的焊接工艺参数，特别是薄板自动焊，焊接速度应尽可能小些。
二、夹渣
夹渣就是残留在焊缝中的熔渣。夹渣也会降低焊缝的强度和致密性。产生夹渣的原因主要是焊缝边缘有氧割或碳弧气刨残留的熔渣；坡口角度或焊接电流太小，或焊接速度过快。在使用酸性焊条时，由于电流太小或运条不当形成“糊渣”；使用碱性焊条时，由于电弧过长或极性不正确也会造成夹渣。进行埋弧焊封底时，焊丝偏离焊缝中心，也易形成夹渣。防止产生夹渣的措施是：正确选取坡口尺寸，认真清理坡口边缘，选用合适的焊接电流和焊接速度，运条摆动要适当。多层焊时，应仔细观察坡口两侧熔化情况，每一焊层都要认真清理焊渣。封底焊渣应彻底清除，埋弧焊要注意防止焊偏。
三、咬边
焊缝边缘留下的凹陷，称为咬边。产生咬边的原因是由于焊接电流过大、运条速度快、电弧拉得太长或焊条角度不当等。埋弧焊的焊接速度过快或焊机轨道不平等原因，都会造成焊件被熔化去一定深度，而填充金属又未能及时填满而造成咬边。咬边减小了母材接头的工作截面，从而在咬边处造成应力集中，故在重要的结构或受动载荷结构中，一般是不允许咬边存在的，或到咬边深度有所限制。防止产生咬边的办法是：选择合适的焊接电流和运条手法，随时注意控制焊条角度和电弧长度；埋弧焊工艺参数要合适，特别要注意焊接速度不宜过高，焊机轨道要平整。
四、未焊透、未熔合
焊接时，接头根部未完全熔透的现象，称为未焊透；在焊件与焊缝金属或焊缝层间有局部未熔透现象，称为未熔合。未焊透或未熔合是一种比较严重的缺陷，由于未焊透或未熔合，焊缝会出现间断或突变，焊缝强度大大降低，甚至引起裂纹。因此，在船体的重要结构部分均不允许存在未焊透、未熔合的情况。未焊透和未熔合的产生原因是焊件装配间隙或坡口角度太小、钝边太厚、焊条直径太大、电流过小、速度太快及电弧过长等。焊件坡口表面氧化膜、油污等没有清除干净，或在焊接时该处流入熔渣妨碍了金属之间的熔合或运条手法不当，电弧偏在坡口一边等原因，都会造成边缘不熔合。防止未焊透或未熔合的方法是正确选取坡口尺寸，合理选用焊接电流和速度，坡口表面氧化皮和油污要清除干净；封底焊清根要彻底，运条摆动要适当，密切注意坡口两侧的熔合情况。
五、焊接裂纹
焊接裂纹是一种非常严重的缺陷。结构的破坏多从裂纹处开始，在焊接过程中要采取一切必要的措施防止出现裂纹，在焊接后要采用各种方法检查有无裂纹。一经发现裂纹，应彻底清除，然后给予修补。
焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹。焊缝金属由液态到固态的结晶过程中产生的裂纹称为热裂纹，其特征是焊后立即可见，且多发生在焊缝中心，沿焊缝长度方向分布。热裂纹的裂口多数贯穿表面，呈现氧化色彩，裂纹末端略呈圆形。产生热裂纹的原因是焊接熔池中存有低熔点杂质(如FeS等)。由于这些杂质熔点低，结晶凝固最晚，凝固后的塑性和强度又极低。因此，在外界结构拘束应力足够大和焊缝金属的凝固收缩作用下，熔池中这些低熔点杂质在凝固过程中被拉开，或在凝固后不久被拉开，造成晶间开裂。焊件及焊条内含硫、铜等杂质多时，也易产生热裂纹。防止产生热裂纹的措施是：一要严格控制焊接工艺参数，减慢冷却速度，适当提高焊缝形状系数，尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹；二是认真执行工艺规程，选取合理的焊接程序，以减小焊接应力。
焊缝金属在冷却过程或冷却以后，在母材或母材与焊缝交界的熔合线上产生的裂纹称为冷裂纹。这类裂纹有可能在焊后立即出现，也有可能在焊后几小时、几天甚至更长时间才出现。冷裂纹产生的主要原因为：1)在焊接热循环的作用下，热影响区生成了淬硬组织；2)焊缝中存在有过量的扩散氢，且具有浓集的条件；3)接头承受有较大的拘束应力。防止产生冷裂纹的措施有：1)选用低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量；2)严格遵守焊接材料(焊条、焊剂)的保管、烘焙、使用制度，谨防受潮；3)仔细清理坡口边缘的油污、水份和锈迹，减少氢的来源；4)根据材料等级、碳当量、构件厚度、施焊环境等，选择合理的焊接工艺参数和线能量，如焊前预热、焊后缓冷，采取多层多道焊接，控制一定的层间温度等；5)紧急后热处理，以去氢、消除内应力和淬硬组织回火，改善接头韧性；6)采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，以减少焊接应力。
六、其他缺陷
焊接中还常见到一些焊瘤、弧坑及焊缝外形尺寸和形状上的缺陷。产生焊瘤的主要原因是运条不均，造成熔池温度过高，液态金属凝固缓慢下坠，因而在焊缝表面形成金属瘤。立、仰焊时，采用过大的焊接电流和弧长，也有可能出现焊瘤。产生弧坑的原因是熄弧时间过短，或焊接突然中断，或焊接薄板时电流过大等。焊缝表面存在焊瘤影响美观，并易造成表面夹渣；弧坑常伴有裂纹和气孔，严重削弱焊接强度。防止产生焊瘤的主要措施严格控制熔池温度，立、仰焊时，焊接电流应比平焊小10-15%，使用碱性焊条时，应采用短弧焊接，保持均匀运条。防止产生弧坑的主要措施是在手工焊收弧时，焊条应作短时间停留或作几次环形运条。
有些缺陷的存在对船舶安全航行是非常危险的，因此一旦发现缺陷要及时进行修正。对于气孔的修正，特别是对于内部气孔，确认部位后，应用风铲或碳弧气刨清除全部气孔缺陷，并使其形成相应坡口，然后再进行焊补；对于夹渣、未焊透、未熔合的缺陷，也是要先用同样的方法清除缺陷，然后按规定进行焊补。对于裂纹，应先仔细检查裂纹的始、末端和裂纹的深度，然后再清除缺陷。用风铲消除裂纹缺陷时，应先在裂纹两端钻止裂孔，防止裂纹延长。钻孔时采用8～12mm钻头，深度应大于裂纹深度2～3mm。用碳弧气刨消除裂纹时，应先从裂纹两端进行刨削，直至裂纹消除，然后进行整段裂纹的刨除。无论采用何种方法消除裂纹缺陷，都应使其形成相应坡口，按规定进行焊补。
对焊缝缺陷进行修正时应注意：1)缺陷补焊时，宜采用小电流、不摆动、多层多道焊，禁止用过大的电流补焊；2)对刚性大的结构进行补焊时，除第一层和最后一层焊道外，均可在焊后热状态下进行锤击。每层焊道的起弧和收弧应尽量错开；3)对要求预热的材质，对工作环境气温低于0℃时，应采取相应的预热措施；4)对要求进行热处理的焊件，应在热处理前进行缺陷修正；5)对D级、E级钢和高强度结构钢焊缝缺陷，用手工电弧焊焊补时，应采用控制线能量施焊法。每一缺陷应一次焊补完成，不允许中途停顿。预热温度和层间温度，均应保持在60℃以上。6)焊缝缺陷的消除的焊补，不允许在带压和背水情况下进行；7)修正过的焊缝，应按原焊缝的探伤要求重新检查，若再次发现超过允许限值的缺陷，应重新修正，直至合格。焊补次数不得超过规定的返修次数。
首先：声明，不是我总结的
中国的航海有着悠久的历史，对历史经济的发展也有着深远的意义。在陆上交通工具不发达的时代，船舶运输担当着主要的交通工具。从"刳木为舟，剡木为楫"到郑和下西洋，再到现代的先进的远洋技术，中国航海有着突飞猛进的发展。中国同时通过海路走向世界, 同世界各国进行经济文化交流, 发展友好关系, 共同促进人类文明的进步。
人类使用船舶作为运输工具的历史，几乎和人类文明史一样悠久。从远古的独木舟发展到现代的运输船舶，大体经历了四个时代：舟筏时代、帆船时代、蒸汽机船时代和柴油机船时代。
舟筏时代 人类以舟筏作为运输、狩猎和捕鱼的工具，至少起源于石器时代。中国1956年在浙江出土的古代木桨，据鉴定是四千年前新石器时代的遗物。说明舟筏的历史，可以追溯到史前年代。
独木舟 原始人类将巨大树干用火烧或用石斧加工成中空的独木舟，是最古老的水水上运输工具。它的踪迹遍于全世界，至今在南美洲和南太平洋群岛的居民，仍使用独木舟作为生产和交通工具。
筏 远古人类就知道将树干、竹竿、芦苇等捆扎成筏，或用兽皮做成皮筏，在水上漂行。筏较独木舟吃水浅，航行平稳，而且取材方便，制造简易。在中国东南山区溪流中，使用竹筏作为交通工具迄今仍然相当普遍。
木板船 进入青铜器时代以后，人类对木材的加工能力提高了，于是将原木加工成木板来造船。木板船可以造得比独木舟大，性能比筏好。木板平接或搭接成为船壳，内部用隔壁和肋骨以增加强度，形成若干个舱室。早期的木板船，板和板之间、船板和框架构件之间是用纤维绳或皮条绑缚起来的，后来用铜钉或铁钉连接。板和板之间则用麻布、油灰捻缝，使其水密。
桨、篙和橹 舟筏时代的船舶靠人力来推进和操纵，所用的工具为桨、篙和橹。桨不受水域深度和广度的限制，在地中海区域应用极为广泛。古罗马的划桨船，用奴隶划桨，一船桨数多至数十根甚至百余根。篙可以直接触及水底和河岸，使用轻便，主要用于浅水航道。橹是比桨先进的划船工具，效率高而不占水面，兼具推进和操纵航向的功能，在中国内河木船上广泛使用。
帆船时代 据记载，远在公元前四千年，古埃及就有了帆船。中国使用帆船的历史也可以追溯到公元以前。从15世纪到19世纪中叶，是帆船发展的鼎盛时期。15世纪初中国航海家郑和远航东非，15世纪末C.哥伦布发现新大陆，他们的船队都是由帆船组成的。在帆船发展史中，地中海沿岸地区、北欧西欧地区和中国都曾作出重大贡献。19世纪中叶美国的飞剪式快速帆船，则是帆船发展史上的最后一个高潮。不同地区的帆船，在结构、形式和帆具等方面各有特色。
地中海的古帆船 埃及出土的一件公元前四千年的陶器上绘制有最古的帆船的图象。船的前端突出向上弯曲，船的前部有一个小方帆，这种船只能顺风行驶，无法利用旁风。公元前2000～前1600年，腓尼基人、克里特岛人和希腊人都先后在地中海上行驶帆船。克里特岛人的帆船两端翘起，单桅悬一方帆，这种船型在地中海应用了几千年之久。古希腊和古罗马的帆船备有桨，只在进出港口和调度时才使用。古希腊帆船干舷高，耐波性好，单桅上挂方帆，船尾两侧有巨大的尾桨，起舵的作用。船首伸出的桅桁上增一小帆便于操纵。单桅横桁上边增设三角顶帆。古罗马的帆船又有改进，增设前后三角帆，船的操纵性能得到改善。
北欧和西欧帆船 公元9～11世纪北欧的维京人,是当时世界上优秀的航海民族，航迹远达格陵兰和北美。他们用当地出产的橡木造出了适航性能良好的帆船。这种帆船长约30米，宽约6米，首尾形状接近对称,有龙骨和首尾柱。外壳板搭接并用铁钉相连。船上树单桅，装有支桅索,挂一面方帆，能在横风下行驶。船形瘦削,耐波性优于地中海帆船。
1492年，C.哥伦布率领西班牙船队到达西印度群岛。他所乘坐的“圣玛丽亚”号，是一艘长28米、排水量约200吨的三桅帆船。1497年，V.da.伽马率领葡萄牙船队绕过好望角发现通往印度的航路。1519～1522年，F.麦哲伦率领的西班牙船队完成了环球航行。这一系列地理上的发现，大大刺激了欧洲航海和造船事业的发展。16世纪以后,欧洲帆船的排水量逐渐增大到500～600吨,帆具日益复杂，三桅船渐趋普遍，帆面不断增大。大桅上增装了顶桅和顶帆，主帆下装了底帆，桅的支索上张了三角帆,船上整个空间都张满了帆,航速得到提高。1800年前后，英国继葡萄牙、西班牙之后成为最大的海上强国。英国及其殖民地拥有海上帆船达5000艘。
飞剪式帆船 这是起源于美国的一种高速帆船。前期的飞剪式帆船，可以1833年建造的“安·玛金”号为代表，排水量为493吨。飞剪式帆船船型瘦长,前端尖锐突出,航速快而吨位不大。19世纪40年代,美国人用这种帆船到中国从事茶叶和鸦片贸易。以后美国西部发现金矿而引起的淘金热，使飞剪式帆船获得迅速发展。1853年建造的“大共和国”号，长93米，宽16.2米,深9.1米，排水量3400吨，主桅高61米,全船帆面积3760平方米,航速每小时12～14海里，横越大西洋只需13天，标志着帆船的发展达到顶峰。19世纪70年代以后，作为当时海上运输主要工具的帆船，被新兴的蒸汽机船迅速取代。
中国帆船 中国帆船也有二千多年的历史。据《史记·秦始皇本纪》记载，秦王朝曾派徐福携带童男童女及工匠人等数千人，乘船出海。三国时代东吴太守万震所著《南洲异物志》中，有关于访问今日的柬埔寨、越南等地所乘大船的记述。唐代与日本文化交往频繁。中国当时的帆船已能驶侧向逆风，有较好的耐波性。唐贞观年间，从今温州至日本，仅需6天；以后能以3天时间从中国镇海驶抵日本。宋代造船和航海事业均有显著进步。当时所造海船能载500～600人，并已使用指南针罗盘，航程远及波斯湾和东非沿海地区。1974年在福建省泉州湾出土一艘宋代海船残骸，船体瘦削，具有良好的速航性能和耐波性，船内有12道水密隔壁，船侧外壳板由三层杉木板组成，结构坚固，估计船全长约35米，载重量200吨以上。明朝初年,郑和曾率领庞大的船队于公元1405～1433年间七次远航，遍历东南亚、印度洋各地，远达非洲东海岸。据记载,郑和所乘“宝船”长44丈,宽18丈，有12帆，是当时世界上首屈一指的优秀帆船。
中国帆船的构造和欧洲帆船不同。欧洲帆船两端尖而上翘，中国帆船则两端用木板横向封闭而形成平底的长方形盒子。舵位于尾部中心线上，尾部造成楼形高台，以防止上浪。船内有多道水密隔壁，结构坚固。中国帆船的帆是横向用竹竿加强的“硬篷”。这种平衡纵帆，操作灵便,能承受各个方向的风力。15世纪时,中国帆船无论在尺度和性能上都处于领先地位。16世纪以后，欧洲帆船才逐渐超过中国帆船。
蒸汽机船时代 18世纪蒸汽机发明后，许多人都试图将蒸汽机用于船上。1807年，美国人R.富尔顿首次在“克莱蒙脱”号船上用蒸汽机驱动装在两舷的明轮，在哈德逊河上航行成功。从此机械力开始代替自然力，船舶的发展进入新的阶段。
早期的蒸汽机船 19世纪上半叶是由帆船向蒸汽机船过渡的时期。早期的蒸汽机船装有全套帆具，蒸汽机只是作为辅助动力。1819年美国人M.罗杰斯建造的“萨凡纳”号蒸汽机帆船，用了27天时间横渡大西洋，在整个航程中只有60小时是使用蒸汽机推进，其余时间仍用风力。在早期，蒸汽机安装在甲板上，驱动装在两舷的巨大明轮。1839年，第一艘装有螺旋桨推进器的“阿基米德”号船建成，船长38米，主机功率80马力。早期蒸汽机是安装在木帆船上的。1850年以后，逐渐用铁作为造船材料。1880年以后，钢很快代替铁作为造船材料。1876年英国建造的新船只有8％用钢材建造,而到1890年，则只有8％是铁船了。
“大东方”号蒸汽机船 1854～1858年英国人I.K.布鲁内尔建造的“大东方”号铁船被认为是造船史上的奇迹。布鲁内尔第一个将关于梁的力学理论应用于造船，在船体建造上首创了纵骨架结构和格栅式双层底结构。双层底向两舷延伸直到载重水线以上，形成了双层船壳。上甲板也用同样结构以增加船体强度。“大东方”号长207米(680英尺),排水量27000吨,比当时的大型船大6倍。船内部用纵横舱壁分隔成22个舱室。船上安装两台蒸汽机,一台驱动直径56英尺的明轮,另一台驱动直径24英尺的螺旋桨，蒸汽机总功率8300马力，最高航速每小时16海里。船上有6根桅，帆总面积8747平方米（85000平方英尺）。它能载客4000人，装货6000吨。直到半个世纪以后才出现比它更大的船。“大东方”号尽管经营失败，但在造船理论和技术方面，却为现代钢船开辟了道路。
蒸汽机船的完善 早期蒸汽机船驱动明轮用的蒸汽机是单缸摇臂式，汽压也很低。19世纪80年代出现了三涨式蒸汽机，汽压提高到10.5千克力/厘米2。此时明轮已为螺旋桨所代替，三涨式蒸汽机配合螺旋桨成为典型的动力装置。19世纪末，蒸汽机已发展到四涨式六汽缸，蒸汽压力提高到 13.6千克力/厘米2，功率达到1万马力。高压水管锅炉也逐渐取代了苏格兰式火管锅炉。20世纪初，货船一般是用三涨式蒸汽机作主机，功率约2000马力，航速约每小时10海里，载重量增大到6000吨。航行于大西洋上的大型远洋客船,以往复式蒸汽机为动力,单机功率达到2万马力。
汽轮机船、柴油机船的问世 1896年，英国人C.帕森斯将他发明的反作用式汽轮机成功地应用于船上；同年，瑞典人C.迪拉瓦尔发明了冲击式汽轮机。进入20世纪以后,船用汽轮机不断改进,因为重量轻,功率大,旋转均匀和无往复运动部件等，普遍应用于大型高速船。至今,某些大功率船仍用汽轮机作为推进动力。1892年,德国人R.狄塞尔发明压燃式内燃机，即柴油机，20世纪初开始应用于船上。柴油机热效率高、油耗低，因而得到广泛应用。40年代末，柴油机船的吨位即已超过蒸汽机船。
油船和散货船的出现 早期的杂货船承揽一切货种的运输，包括散装的煤炭、谷物等和桶装的油类。1886年开始出现具有现代油船特征的船，也就是将货油直接装在分隔的油密舱室内并用泵和管系进行装卸。进入20世纪后，对石油的需求日增，油船逐渐形成一支专用船队。1944年最大的油船载重量为 23000吨。散货船略早于油船出现，但在20世纪上半叶由于港口装卸效率不高，发展缓慢,最大的载重量只有1万吨左右。第二次世界大战后，各工业国经济恢复，原料需求剧增，油船和散货船都向大型化发展。
大型远洋客船的兴起 19世纪70年代以前，运输船舶都是客货混装的。1870年，英国人S.丘纳德和T.伊士梅创办丘纳德汽船公司和白星汽船公司，在英国和北美之间航线上开辟旅行条件舒适的客船航班,豪华客船“海洋”号航行成功。此后各国相继建造大型豪华客船,航行于大西洋航线和东方航线上。80年代，已有载客千人以上，载重万吨以上，航速每小时超过20海里的豪华客船。20世纪30年代，大型远洋客船的建造达到高潮，如著名的“玛丽皇后”号、“伊丽莎白皇后”号和“诺曼第”号都是在这个时期建造的。它们的载重量都在 8万吨以上，主机为汽轮机，功率16万马力，航速每小时超过30海里。第二次世界大战以后，这一势头又恢复了，到60年代，因远程喷气客机的兴起才停止下来。大型远洋客船的建造，对造船科学技术的发展起了重要的推动作用，同时也使某些保障航行安全的法规逐步建立和完善。例如1912年“泰坦尼克”号海难事件导致了后来国际海上人命安全公约的签订。
柴油机船时代 柴油机船问世后，发展很快，逐渐取代了蒸汽机船。第二次世界大战结束后，工业化国家经济的迅速恢复和发展，国际贸易的空前兴旺，中东等地石油的大量开发，促使运输船舶迅速发展。1982年同1948年相比，船舶艘数增长了1.6倍，总吨位增长了4.3倍（见世界商船队）。船舶普遍采用柴油机推进。第二次世界大战期间，为了适应战时运输的需要，美国建造的2610艘自由轮（万吨级使用燃油锅炉和蒸汽机的杂货船）是最后建造的一批往复式蒸汽机远洋运输船舶。为了提高船舶运输的经济效益，船舶出现了大型化、专业化、高速化、自动化和内燃机化的多种趋势。
船舶大型化 首先是油船吨位的增长和油船的大型化。1930年的世界商船队中，油船吨位只占总吨位1/10，1980年上升为1/2。1983年初,各种油船的载重量达到3.3亿吨。油船吨位的剧增主要在于油船大型化。50年代，3～4万吨的油船已被认为是 “超级油船”。60年代中期，就出现了20万吨以上的超大油船和30万吨以上的特大油船。70年代又出现了50万吨以上的大油船。石油危机发生和苏伊士运河恢复通航后,这种趋势已经停止,许多大型油船正面临拆毁的命运。在油船大型化的同时，也出现了装运煤炭、矿砂、谷物等的干散货船的大型化。60年代末，大型散货船的载重量超过10万吨，最大的已达17万吨。从50年代后期起，建造了能兼装原油和干散货的兼用船，如油散船和油散矿船等。
船舶专业化 第二次世界大战以后，各种专用船发展很快。杂货船用途广泛,适应性强,在艘数上至今仍占首位。典型的杂货船都以低速柴油机为动力，载重量不超过2万吨,航速每小时15海里左右。中国设计的“风”字号和“阳”字号货船都是典型的杂货船。为了提高杂货船运输多种货物的能力，近年制造出多用途船，除载运普通件杂货外，还能载运集装箱、重货、冷藏货和散货等。
水路集装箱运输于50年代中期兴起，1957年出现第一艘集装箱船。这是件杂货运输形式的重大变革。这种运输形式在货物包装、装卸工艺、码头管理和水陆联运等方面都有所突破。采用集装箱运输，可以大大缩短船舶停港时间,节约人力,保证货运质量和实现“门到门”运输。20多年来集装箱船发展很快。1982年全世界已有全集装箱船718艘,1294万总吨，分别占世界商船总数的1％和总吨数的3％。这种船船型瘦削，航速高，货舱内有导轨，甲板上有缚固设备，一般不设装卸设备，而是依靠港口专用设备进行装卸。
第二次世界大战后得到发展的重要专用船还有：装运液化天然气和液化石油气的液化气船；船上设有跳板，能使牵引车、叉车载货自驶上下的滚装船（又称开上开下船）；以驳船作为运输单元，不需要停靠码头进行装卸而能实现江海直达运输的载驳船等。
远洋客船自从被喷气客机取代后，客船的性质已发生变化。60年代以来，旅游事业兴起，出现了一批定期、定航线,甚至环球航行的旅游船,为旅游者提供旅游、疗养、文化娱乐、社会活动以至海洋天文教育等综合性的服务。与此同时，在重要的短程航线上，还出现了一种吨位较小、除载客外还能携带旅客自备汽车的汽车客船。
船舶高速化 自50年代起，航运界为了加快船舶周转，一度掀起船舶高速化的热潮。普通杂货船航速提高到每小时18海里,集装箱船航速在每小时20海里以上,美国建造的“SL-7”型高速集装箱船,以两台6万马力汽轮机为主机，最高航速达每小时33海里。但从石油危机以来，燃料费在运输成本中的比重直线上升。迫使营运中的高速船纷纷减速行驶，新造船舶的航速也出现下降趋势。但是非排水型的高速客船，如水翼船和气垫船已应用于短途客运航线上，并日益发展。
船舶自动化 60年代初期以来，各国航运企业为了减少船员人数、改善船员劳动条件和提高船舶营运的经济效益，逐步实现了轮机、导航和舣装三个方面的自动化。如60年代中期造出机舱定期无人值班的船舶，已得到各国船级社的承认。
船舶内燃机化 船舶内燃机化是指船舶普遍采用柴油机为主机。柴油机同蒸汽机比较，具有热效率高、油耗低、占地小等优点。自从1911年造出第一艘柴油机海船以来，采用柴油机为主机的货船和客船日益增多。但到第二次世界大战结束时止，世界商船队中蒸汽机船仍占多数。战后，低速大功率柴油机由于增压技术的进步，单机功率不断提高,最大已达5万马力。过去必须安装汽轮机的大型高速船也能应用柴油机。另一方面柴油机对燃用劣质油的适应性也不断改善，这样在经济上便具有优越性。对于机舱空间受限制的滚装船、集装箱船、汽车渡船等,则可以选用体积小、重量轻的中速柴油机,通过减速箱来驱动螺旋桨。油耗低、能燃用劣质油的不同功率的柴油机现在几乎占领了船用发动机的全部市场。因此，第二次世界大战后的运输船舶发展阶段被称为柴油机船时代。
这个你要结合你所学的知识点和结合你熟悉的方向去选择最好。
最好多选几个，然后选个自己最合适的。范围能缩小就缩小。
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在写机械专业论文时，首先面临的问题就是题目如何拟定?题目的选择，关系着论文的成败，因此决定论文题目时，必须经过审慎的考虑。下面我给大家带来2021机械专业论文题目_机械论文题目选题，希望能帮助到大家!
机械论文题目
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37、现代机械制造及加工技术分析
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轮机工程技术论文范文篇二
燃气轮机在热电联产工程中的应用状况分析
摘要：
燃气轮机是21世纪乃至更长时间内能源高效转换与洁净利用系统的核心动力装备.介绍了燃气轮机的发展现状及其在热电联产工程中的应用，简述了联合循环和简单循环燃气轮机电厂的基本组合方式，并列举了目前应用在热电联产工程中的几种主要的燃气轮机.阐述了燃气轮机相对于常规火电机组的优点，分析了影响燃气轮机在热电联产工程中推广的因素，并对我国燃气轮机的发展前景进行了展望.
关键词：
燃气轮机; 联合循环电厂; 热电联产
中图分类号： TK 479文献标志码： A
Analysis of the application of gas turbines in heat and
power cogeneration projects
SUN Peifeng， JIANG Zhiqiang
(1. China United Engineering Corporation， Hangzhou 310022， China;
2. China Huadian Corporation， Beijing 100031， China)
Abstract：
The gas turbine is the core equipment of highefficiency clean energy systems in the 21st century and even longer period of time. The current situation of gas turbine development and its application in heat and power cogeneration projects were showed in this paper. Two types of application of gas turbines in heat and power cogeneration projects were briefly introduced， namely， the simple cycle gas turbine power plant and the combined cycle power plant， and gas turbines widely used at present in heat and power cogeneration plants were enumerated. The advantages of the gas turbine plant compared with conventional coalfired power units were described and factors which could influence the application of the gas turbine were analyzed. In addition， the prospects for the development of gas turbines in China were evaluated.
Key words：
gas turbine; combined cycle power plant; heat and power cogeneration
燃气轮机由压气机、燃烧室、透平、控制系统和辅助设备组成.燃气轮机的设计是基于布莱顿循环.压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气送入燃烧室，与喷入的天然气混合，并点火燃烧;燃烧后产生的高温烟气随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平带动压气机叶轮一起旋转.加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因此，透平在带动压气机的同时，还有余功作为燃气轮机的输出功输出.
由于燃气轮机的工质是高温烟气而不是水蒸气，故可省去锅炉、冷凝器、给水处理等大型设备.因此，燃气轮机电厂附属设备较少，系统简单，占地面积较少.
燃气轮机可分为重型燃气轮机、工业型燃气轮机和航改型燃气轮机三类.重型燃气轮机的零件较为厚重，大修周期长，寿命可在10万h以上，主要用于满足城市公用电网需求，例如日立的H25和H80系列燃气轮机、通用电气的F级燃气轮机、西门子的SGT-8000系列燃气轮机、三菱的M701系列燃气轮机和阿尔斯通的GT系列重型燃气轮机等.工业型燃气轮机的结构紧凑，所用材料一般较好，燃气轮机的效率较高，例如索拉的T130燃气轮机和西门子SGT-800燃气轮机，常用于热电联产工程.航改型燃气轮机是由航空发动机改装而成的燃气轮机，在航空领域运用较多，但也有应用于发电及相关工业领域，例如通用电气的 LM 系列航改型燃气轮机等.航改型燃气轮机的结构最紧凑，最轻巧，效率最高，但寿命较短[1-2].
燃气轮机自上世纪30年代诞生以来发展迅速.当今国际上最新型的G型燃气轮机和H型燃气轮机，单机功率已达到292～334 MW，发电热效率已达到39.5%.其中，由G型燃气轮机组成的联合循环单机功率可达489 MW，发电热效率可达58.7%;由H型燃气轮机组成的联合循环机组的发电热效率可达60%[3-5].H型燃气轮机组成的联合循环机组是目前已掌握的热-功循环效率最高的大规模商业化发电方式.不仅如此，燃气轮机与以煤为燃料的蒸汽轮机相比，它具有重量轻、体积小、效率高、污染少、启停灵活等优点.燃气轮机发电机组能在无外界电源的情况下迅速启动，机动性好.在电网中用它带动尖峰负荷和作为紧急备用电源，还能携带中间负荷，能较好地保障电网的安全运行，所以得到广泛应用[6].
国内外科技界与产业界已经认识到燃气轮机将是21世纪乃至更长时期内能源高效转换与洁净利用系统的核心动力装备. 1燃气轮机在热电联产工程中的应用方式
燃气轮机在热电联产工程中的应用形式主要有两种：一种是燃气轮机联合循环热电厂;另一种是燃气轮机简单循环热电厂.
燃气轮机联合循环热电厂由燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机(背压式、抽背式或者抽凝式)和发电机共同组成.燃气轮机排出的做功后的高温烟气通过余热锅炉回收烟气中的热量而得到高温水蒸气，水蒸气注入蒸汽轮机发电.蒸汽轮机的排汽或者部分在蒸汽轮机中做功后的抽汽用于供热，形式有：燃气轮机、蒸汽轮机同轴推动一台发电机的单轴联合循环;燃气轮机、蒸汽轮机推动各自的发电机的多轴联合循环.单轴的燃气轮机联合循环电厂规模较大，例如通用电气的9F系列机组.而多轴的联合循环机组常见于中小型的燃气轮机联合循环电厂.因此，对于电厂规模相对较小的热电联产工程来说，常选择多轴的燃气轮机联合循环机组.
燃气轮机简单循环热电厂由燃气轮机和余热锅炉组成.该类型燃气轮机热电厂不配置蒸汽轮机，通过余热锅炉直接对外供热.因此该类型燃气轮机热电厂发电热效率相对联合循环燃气轮机热电厂较低，约为30%～35%之间;热电比和供热成本的指标方面，简单循环燃气轮机热电厂也低于联合循环燃气轮机热电厂[7].
由此可见，燃气轮机联合循环可大大提高发电厂整体发电热效率.即使只有燃气轮机和余热锅炉组成的不配置蒸汽轮机的简单循环燃气轮机发电厂，其发电效率也高于常规的小型燃煤热电厂.
2热电联产工程中燃气轮机机型选择
热电联产工程遵循“以热定电”原则，首先满足外界对蒸汽负荷的需求，一般对发电量的需求相对较少.因此，对于热电联产工程来说，大功率的重型燃气轮机使用相对较少，常配置一些中小型的燃气轮机.
世界主要的中小型燃气轮机有：索拉的T130燃气轮机;日立的H25和H80燃气轮机;通用电气的6F和LM系列的航改型燃气轮机;西门子的SGT-800燃气轮机.各机型的主要技术参数如表1(见下页)所示(表中数据来自各个燃气轮机厂家产品宣传手册，且会因计算的天然气热值等参数变化而发生微小的变化).
表1各中小型燃气轮机相关性能参数
Tab.1
Performance parameters of some gas turbines
表1中，H25，H80 和6F为重型燃气轮机;SGT-800和T130为工业型燃气轮机;LM6000为航改型燃气轮机.从表1可知，工业型和航改型燃气轮机单机发电热效率相对重型燃气轮机的单机发电效率明显更高，但燃气轮机的排烟温度相对较低.由于排到余热锅炉的高温烟气所包含的热量相对较少，因此对于整个联合循环热电厂，工业型和航改型燃气轮机联合循环热电厂的整体发电热效率反而低些[8-9].简单循环的燃气轮机热电厂若选择工业型燃气轮机及航改型燃气轮机，其热电厂发电热效率会较高.
对于配置蒸汽轮机的燃气轮机联合循环，重型燃气轮机因其排烟温度较工业型燃气轮机和航改型燃气轮机高，排到余热锅炉的高温烟气所包含的热量相对较多，余热锅炉产出的供蒸汽轮机发电用的高温高压的蒸汽也更多.因此，重型燃气轮机联合循环整体发电热效率比工业型燃气轮机和航改型燃气轮机联合循环的发电热效率高.燃气轮机联合循环热电厂中大多选择重型燃气轮机.
从能量的充分利用和逐级利用角度讲，相比于燃气轮机简单循环热电厂，燃气轮机联合循环热电厂更具有优势.目前我国燃气轮机热电联产工程中，大多选择重型燃气轮机组成的联合循环燃气轮机热电厂，如浙江省的某热电厂，采用6F级燃气轮机匹配余热锅炉和蒸汽轮机组成燃气轮机联合循环机组对外供热供电，燃气轮机联合循环热电厂整体发电热效率约60%.
但是对于某些对占地面积有严格要求的场合，如海上油气平台井等，一般可选择结构紧凑、效率高的工业型燃气轮机或者航改型燃气轮机机.
具体燃气轮机机型的选择可根据各工程的实际情况进行分析、计算、确定，如热电厂的对外供热参数和供热量、装机容量、机组数量、占地面积、整体热效率等.
3燃气轮机联合循环热电联产工程相对于常规火力发电热电联产的优势[10]
相对于常规燃煤的小型火力发电的热电联产电厂，燃气轮机联合循环热电厂的优势主要有：
(1) 高效：燃气轮机联合循环的发电热效率已经达到甚至突破60%，这是一般常规火电机组无法比拟的，甚至高于目前最先进的超超临界机组而稳居各类火电机组之首.
(2) 单位造价低：燃气轮机联合循环机组单位容量造价约400美元·kW-1，而常规火电机组造价为600～1 000美元·kW-1;若我国国产燃气轮机的制造加工水平进一步提升，燃气轮机联合循环机组单位容量造价还有非常大的下降空间.
(3) 低排放：燃气轮机联合循环不排放SO2以及飞灰和灰渣;NOx的排放量也非常低，一般都可以达到49.20 mg·m-3以下，甚至可以根据需要达到小于30.75 mg·m-3的水平，CO2的排放量可以做到11.25 mg·m-3;环保性能居于现有各种火电机组之上.
(4) 节水：燃气轮机联合循环机组以燃气轮机发电为主，燃气轮机发电机功率占总容量的70%，联合循环机组所需用水量约为常规燃煤机组的1/3.这在某些缺水的地区显得尤为重要.若选择燃气轮机和余热锅炉配置的简单循环，整个电厂对机组冷却水量的需求相对于常规火电厂的冷却水量更是大幅度减少.
(5) 省地：燃气轮机联合循环机组因附属设备较少，无需储煤场、输煤设施，占地面积仅为加脱硫装置的常规火电厂的1/3.这在城市边缘及城区的供热电厂显得尤为重要. (6) 建设工期短：燃气轮机联合循环机组最适合模块化设计，燃气轮机各部件模块可工厂化生产，运至现场吊装，因而大大缩短了燃气轮机电厂的建设工期.
(7) 调峰性能好：通过余热锅炉的旁路烟囱，不运行蒸汽轮机及发电机组的情况下，一般在20 min 内就能达到燃气轮机及发电机组的100%负荷，而燃气轮机及其发电机组负荷占整个燃气轮机联合循环电厂额定负荷的70%左右，这保证了燃气轮机联合循环的良好调控性能，实现机组的日启夜停和调峰功能.
(8) 操作运行和维护人员少：因为燃气轮机联合循环电厂自动化程度高，采用先进的控制系统，电厂对员工数量的需求大幅下降.一般情况下占同容量常规燃煤电厂人员的20%～25%就足够了.
4影响燃气轮机在热电联产工程中推广的主要因素
燃气轮机联合循环电厂在国外已经得到了普遍发展，近几年已占据美国电力市场的重要地位，欧洲的燃气轮机联合循环电厂也获得了长足的发展.目前我国燃气轮机联合循环电厂能否获得大力推广和发展，主要受制于如下三个因素：
(1) 我国能提供多少天然气资源供燃气轮机发电工业使用;当前国内已有部分燃气轮机联合循环电厂因受制于燃料供应，每年运行的时间远远少于常规燃煤机组.
2012年，随着“西气东输”二线最后几条干线的建成投产，整个输气管道实现每年输气300亿m3.未来中国甚至有可能规划修建“四线”或者“五线”，进一步便于西部地区的天然气输送到东部地区开发利用.
另外，海上(东海、南海)天然气的开发、沿海港口城市液化天然气(LNG)的进口，也为联合循环发电扩充了气源供应条件.国内已经探明了华北、东北、西北三大煤层气资源储量，并将逐步开采.
随着天然气来源渠道的扩大，燃气轮机联合循环电厂的应用范围将大大突破西气东输管网和海上天然气所能影响的地区.
(2) 如何合理确定天然气价格，使燃气轮机联合循环发电成本能够与严重污染的以煤为燃料的常规火电相竞争.
必须指出，天然气的价格对燃气轮机及联合循环的运行成本有着决定性的影响.在燃气轮机三项发电成本的组成中(设备折旧成本、机组运行维护成本、燃料成本)，燃料成本的比例高达60%～65%，即使在天然气的产地，运输过程费用大为降低，天然气价格相对东南沿海地区更加便宜，其成本占燃气轮机发电成本的比例仍然是非常高的[4].在天然气价格居高不下的今天，燃料成本高已经成为制约燃气轮机发电大力推广的一个关键性因素.
当前，作为工业企业及城市基础设施的重要组成部分的许多中小型燃煤热电厂，通常地处城市之中或者城市郊区，因此不可避免地会对当地大气环境质量产生很大影响.中小型燃煤热电厂改造为燃气轮机联合循环热电厂，对当地环境质量的改善效果非常明显，也最容易得到人民群众的接受和支持.
热电厂的燃料从煤炭改造为天然气，虽然合理调整了能源结构，提高了能源利用效率，减少了煤炭运输环节的损失和浪费，但是对燃气轮机联合循环热电厂来说，燃料成本必然要增加，能源代价必然会提高，因此争取群众和企业的理解和参与，合理分担部分天然气成本因素，是解决天然气市场和成本关系的一条合理途径.
政府在制定燃气轮机联合循环热电厂上网电价和外供蒸汽价格时，应考虑到燃气轮机的环境效益，适当提高上网电价和外供蒸汽价格，这也是对天然气成本过高的一种消化.
(3) 从长远的角度看，我国燃气轮机整体行业水平的提高是决定我国燃气轮机及联合循环电厂能否大力推广的一个重要因素.
燃气轮机的发展水平代表着一个国家的重大装备制造业的总体水平.当前我国的燃气轮机技术水平与世界先进水平之间的差距还很大，燃气轮机的核心部件依赖于进口，燃气轮机的每次大修花费很大.若某些燃气轮机的大修只能运回美国等发达国家进行，则其费用更大.
近年来，为了推动燃气轮机工业的发展，按照“市场换技术”的原则，我国对规划批量建设的燃气轮机发电站工程项目采取“打捆”式招标采购模式，由国外先进燃气轮机制造企业与国内制造企业相互结合组成联合体，进行燃气轮机联合循环电站工程项目的竞争投标，以吸收和引进国外先进技术.在这一过程中，我国同时引进了世界三大动力集团(通用电气、西门子、三菱)的F级重型燃气轮机.在实现燃气轮机设备制造本土化和国产燃气轮机技术开发方面都取得了良好的成果.在吸收和引进国外先进燃气轮机技术的基础上，逐步实现了燃气轮机联合循环电站设备研发和制造的国产化、本地化和知识产权自主化[11-12].
2008年，我国具有完全自主知识产权的110 MW级R0110燃气轮机进行了点火及实验验证，其性能已经接近于目前国际上先进的F级燃气轮机，对我国的燃气轮机设计、制造和加工的整体水平是一个巨大的提升[13-14].
目前，我国燃气轮机技术水平与国际先进水平之间的差距正在不断缩小，我国的燃气轮机自主研发、生产制造等方面取得了重大进展.2012年9月12日，上海市科委重大专项课题“高温合金叶片制造技术研究”通过专家验收，这标志着我国在燃气轮机核心部件国产化、自主化生产的道路上迈出了坚实的一步.
从制约燃气轮机联合循环电厂发展的三个因素及我国目前的相应情况可知，我国大力发展燃气轮机联合循环的条件已经具备，燃气轮机联合循环电厂的快速发展在近期将成为可能.
5总结
实现节能减排，提高能源利用率是我国能源结构调整的目标.随着我国天然气资源的开发、利用及液化天然气资源的引进，我国燃气轮机联合循环机组将不断增加.燃气轮机联合循环以其高效、清洁和灵活的特点，必将成为我国未来大力发展的电厂类型.
目前可用于热电联产的中小型燃气轮机容量和整个热电厂供热能力与我国广泛使用的蒸汽轮机热电机组的规格十分接近，因而可在不改变外部系统，不增加发电容量和不间断供热、发电的前提下，以较短的时间、较低的投资和较合理的电、热成本实现对热电厂以气代煤的改造.这也是燃气轮机联合循环热电厂可获得大力推广的现实条件.
总之，燃气轮机联合循环机组在我国电力工业中的作用将逐渐增强，发展燃气轮机联合循环热电厂任重而道远，但是前景是非常光明的.
参考文献：
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