108 高普考普通考試 輪機技術 船舶輔機概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查輪機工程中「迴轉式流體機械——離心泵（Centrifugal Pump）」的維護與保養實務，命題核心聚焦於葉輪（Impeller）之失效模式、幾何公差與配合件檢修標準。

離心泵之工作原理係利用葉輪高速旋轉產生離心力將機械能轉化為流體的動能與壓力能。在船舶環境中（特別是海水冷卻泵、壓載泵、消防泵或艙底水泵），葉輪長時間處於高速流場、泥沙顆粒沖刷及電化學環境下，其檢修時涉及的核心理論與評估指標包括：

1. 流體動力學與水力損失：表面粗糙化、流道堵塞或幾何形狀變形會導致水力效率 $\eta_h$ 顯著下降。
2. 空化與氣蝕（Cavitation）機制：流體局部靜壓降至飽和蒸氣壓 $P_v$ 以下形成氣泡，氣泡於高壓區破裂產生高衝擊微射流，造成金屬表面海綿狀蜂窩坑蝕。
3. 配合公差與容積效率：葉輪進口處磨耗環（Wear Ring）間隙隨運轉擴大，導致流體回流（Internal Recirculation）漏損增大，容積效率 $\eta_v$ 銳減。一般徑向間隙通常維持於直徑的 $0.001 \sim 0.002$ 倍範圍（或參考原廠技術手冊）。
4. 轉子動力學與平衡理論：質量偏心距 $e$ 會產生不平衡離心力 $F = m \cdot e \cdot \omega^2$（其中 $m$ 為質量，$\omega$ 為角速度），引發泵軸振動、加速軸承磨損及軸封失效。

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解題方法

本題為典型的申論簡答題，切入點應依據船廠拆修工程之檢驗工序，採「由表面至內部、由幾何尺寸至旋轉動態特性」的系統性邏輯展開答題，避免雜亂無章地堆疊零件名稱。標準檢修維護應涵蓋以下五大面向：

1. 外觀與表面完整性檢驗：目視及非破壞檢測（NDT）檢查材質腐蝕、氣蝕剝落及疲勞裂紋。
2. 關鍵配合部位之磨耗與間隙測量：包含葉輪口環（磨耗環）外圓直徑、輪轂內孔及鍵槽尺寸。
3. 形位公差（幾何偏擺）測量：利用千分表（Dial Gauge）量測葉輪端面跳動與外圓跳動。
4. 流道與內部清潔檢驗：檢查流道沉積物與海生物附著情形。
5. 動力學動／靜平衡試驗：修整或配平後的旋轉平衡校驗。

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選項分析

本題為申論題（問答題），無選項分析。在國家考試評分架構中，閱卷委員主要依據考生是否精準列出專業檢測部位（如磨耗環間隙、氣蝕痕跡、鍵槽變形、偏擺度、動靜平衡）並具體寫出檢查方式及標準進行給分。

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解題技巧

1. 五字訣記憶口訣：「表、隙、擺、平、槽」

• 表：表面缺陷（氣蝕、沖刷、裂紋）。
• 隙：磨耗環徑向配合間隙（內漏控制）。
• 擺：千分表測端面與徑向偏擺（幾何變形）。
• 平：靜平衡或動平衡試驗（旋轉動力學）。
• 槽：輪轂孔與鍵、鍵槽配合（傳動與同心度）。

2. 常見答題陷阱：

• 僅回答「看有沒有壞掉或磨損」，缺乏專有名詞（如「氣蝕海綿狀空洞」、「千分表量測端面偏擺」、「磨耗環間隙」），難以取得高分。

核心觀念

低壓式板式造水機（Plate-Type Fresh Water Generator）係利用柴油主機缸套冷卻水（Jacket Cooling Water，約 $70^\circ\text{C}\sim 85^\circ\text{C}$）作為加熱介質，並藉由水射抽氣器（Air Ejector）在蒸發室建立約 $90\%\sim 93\%$ 的高真空（絕對壓力約 $7\sim 10\text{ kPa}$），使海水在 $40^\circ\text{C}\sim 45^\circ\text{C}$ 之低溫下沸騰蒸發。

蒸發器表面生成的水垢（Scale），其主要化學成分與反應機制如下：

1. 碳酸鈣水垢（$\text{CaCO}_3$，軟垢）： 海水中溶有碳酸氫根，受熱分解生成碳酸根並與鈣離子沉澱： $\text{Ca(HCO}_3)_2 \xrightarrow{\Delta} \text{CaCO}_3\downarrow + \text{CO}_2\uparrow + \text{H}_2\text{O}$
2. 氫氧化鎂水垢（$\text{Mg(OH)}_2$）： 在較高溫度或鹼性環境下，水解產生的碳酸根進一步水解產生氫氧根，與鎂離子沉澱： $\text{Mg}^{2+} + 2\text{OH}^- \rightarrow \text{Mg(OH)}_2\downarrow$
3. 硫酸鈣水垢（$\text{CaSO}_4$，硬垢）： 硫酸鈣具有逆溶解度特性（溫度愈高，溶解度愈低）。當海水濃縮倍率過高或局部壁面溫度過高時析出，質地堅硬極難清除。

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解題方法

本題屬於標準的「成因剖析與工程對策」申論題型，答題切入點應依據「熱力學狀態（溫度、真空）」、「流體力學與化學條件（鹽水濃縮度、投藥）」及「運轉與維護管理（操作海域、清潔工法）」三大維度展開：

1. 成因分析：從水垢生成速率的物理與化學驅動力出發，分析「溫度過高」、「濃縮度過高」、「水流不均引發局部乾燒」及「防垢劑失效」。
2. 改善與防止對策：針對各項成因提出具體的運轉控制參數（真空度控制、給水量與排鹽量調配）、化學處理機制（加藥處理）與維護保養標準（化學清洗注意事項）。

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選項分析

本題為國家考試輪機技術類科之申論問答題，無選擇題選項。核心評分標準著重於回答項目之完整度、專有名詞之精確度（如真空度、蒸發溫度數值、鹽水濃度比值、防垢劑名稱等）以及論述條理。

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解題技巧

1. 記憶口訣——「溫、濃、藥、域、清」：

• 溫：蒸發溫度不可超過 $45^\circ\text{C}\sim 50^\circ\text{C}$。
• 濃：鹽水濃縮度不可超過海水的 $1.5\sim 2$ 倍（即不超過 $\frac{1.5}{32}\sim \frac{2}{32}$）。
• 藥：定量且連續注入防垢劑（如聚磷酸鹽、聚合物型防垢劑）。
• 域：近岸、港內及淺水域禁止造水。
• 清：定期酸洗，嚴禁用鋼刷刷洗鈦板以免刮傷被膜。

2. 常見陷阱與扣分地雷：

• 誤將低壓造水機的沸騰溫度寫成大氣壓下的 $100^\circ\text{C}$，必須強調高真空環境下的低溫沸騰特性。
• 忽略「排鹽（Brine Ejection）」在控制水垢中的關鍵角色；若排鹽量不足，水分蒸發後鹽分急遽飽和，即使溫度低依然會結硬垢。

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【答案】

一、低壓板式造水機蒸發器水垢生成增加之主要原因

1. 真空度不足，導致蒸發沸騰溫度過高：

• 抽射泵（Ejector Pump）揚程不足、射流噴嘴磨損或積垢、抽射水溫過高，導致抽氣效率下降，真空度低於正常範圍（低於 $90\%$）。

核心觀念

往復活塞式空氣壓縮機（Reciprocating Air Compressor）在壓縮空氣時，氣體的狀態變化遵循多變壓縮（Polytropic compression）熱力學方程式：

$P v^n = \text{常數}$

其壓縮前後的絕對溫度與絕對壓力關係式為：

$T_2 = T_1 \cdot \left( \frac{P_2}{P_1} \right)^{\frac{n-1}{n}}$

其中：

• $T_1$：吸氣絕對溫度（$\text{K}$）
• $T_2$：排氣絕對溫度（$\text{K}$）
• $P_1$：吸氣絕對壓力（$\text{bar}$ 或 $\text{kPa}$）
• $P_2$：排氣絕對壓力（$\text{bar}$ 或 $\text{kPa}$）
• $\frac{P_2}{P_1}$：單級壓力比（壓縮比，$\epsilon_p$）
• $n$：多變指數（$1 < n < k$，空氣的絕熱指數 $k \approx 1.4$）

由公式可知，決定排氣溫度 $T_2$ 過高的三大核心熱力學成因：

1. 吸氣初溫 $T_1$ 過高。
2. 單級壓力比 $\frac{P_2}{P_1}$ 異常增大（吸氣壓力 $P_1$ 過低或排氣背壓 $P_2$ 過高）。
3. 多變指數 $n$ 趨近絕熱指數 $k$（冷卻不良，熱量無法及時散逸）。
4. 氣體二次壓縮（重複壓縮）：排氣閥或活塞環密封不良，使高壓高溫氣體回流混入吸氣再次壓縮，造成溫度惡性疊加。

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解題方法

本題為輪機專業申論題。解題時切忌雜亂條列，應採取**「熱力學成因對應機械系統實務」**的分類架構，將故障原因系統化歸納為四大面向：

1. 氣閥與密封系統失效（內部重複壓縮）
2. 冷卻系統效能不足（散熱不良）
3. 進排氣流路受阻（壓力比異常）
4. 潤滑油問題與機械摩擦

透過邏輯分明的結構，完整涵蓋從零組件損壞到操作環境的各項可能成因。

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選項分析

（本題為問答申論題，非選擇題。以下依系統化分類逐項深入剖析排氣溫度過高的具體成因）：

一、 氣閥與內部密封失效（造成「二次壓縮」）

1. 排氣閥（Discharge Valve）洩漏或損壞：

• 機制：閥片積碳、磨損、變形或閥彈簧疲勞斷裂，導致排氣閥無法緊密關閉。
• 結果：上一循環已壓縮的高溫高壓氣體，在吸氣行程中倒流回汽缸內部，與新吸入的新鮮空氣混合後被「二次重複壓縮」，使得排氣溫度急劇飆升（此為船上最常見且最危險的主因）。

2. 吸氣閥（Suction Valve）密封不良：

• 機制：吸氣閥關閉延遲或漏氣，壓縮行程時部分氣體反向竄回吸氣腔，造成排氣量不足、壓縮效率低落，並擾亂各級間的壓力比平衡。

3. 活塞環與汽缸套磨損（Blow-by / 竄氣）：

• 機制：活塞環磨損、斷裂、彈性疲乏，或在環槽內被積碳卡死（Stuck ring），造成汽缸密封失效。
• 結果：高溫高壓氣體向曲軸箱或低壓側嚴重竄氣，形成重複循環加熱，並因高溫氣體沖刷缸壁破壞油膜，加劇摩擦生熱。

二、 冷卻系統效能不足（冷卻不良使多變指數 $n$ 上升）

1. 汽缸水套（Water Jacket）冷卻不良：

• 氣缸水套內水垢（Scale）沉積過厚或泥沙淤積，造成熱傳導熱阻增加。

核心觀念

本題旨在測驗考生對於船舶機艙「管系工程（Marine Piping Systems）」現場安裝、維護標準與船級檢驗規範的通盤整合能力。機艙管路錯綜複雜（涵蓋燃油、潤滑油、海水冷卻、淡水冷卻、壓縮空氣、蒸汽及艙底水等管系），其安裝良窳直接影響航行安全與機艙運轉效率。

本題涉及之法規依據與技術準則（以命題當年民國 108 年法規為準）：

1. 法規依據：國際海上人命安全公約（SOLAS Ch. II-1 與 Ch. II-2）、我國《船舶設備規則》第三編「主機、輔機及蒸氣鍋爐」有關管系之規定，以及各船級協會（如 CR 中國驗船中心、DNV、ABS）之鋼船建造規範。
2. 核心工程要素：

• 安全與防火原則：防止易燃油料噴濺高溫熱源（Flash point < $60^\circ\text{C}$ 之防護）、穿越水密艙壁之水密維持。
• 力學與位移補償原則：船舶船體變形（Sagging/Hogging）、熱膨脹應力補償與機組運轉震動之隔離。
• 水力特性與流動原則：防範氣阻（Air lock）、氣蝕（Cavitation）與管路阻力極小化。
• 人因與維護性原則：閥件操作動線、管路識別標誌、零組件吊裝與大修空間裕度。
• 材料與電化學防蝕原則：抗海水腐蝕與異種金屬電位差防護。

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解題方法

解答此類工程原則申論題，若僅零星列舉零散措施，難以獲取高分。應採取「系統工程生命週期與防護構面」切入，由宏觀至微觀，將安裝原則歸納為五大維度進行論述：

1. 安全性與法規符合性（Safety & Statutory Compliance）：首重防火、防漏、防爆及水密完整性。
2. 結構應力、熱補償與抗震動（Structural, Expansion & Vibration）：考量溫度梯度熱膨脹、機組震動及船體變形。
3. 水力流動與功能性佈置（Hydraulic & Functional Layout）：考量水頭損失、自流坡度與排氣/疏水功能。
4. 空間動線與運轉維護性（Operation & Maintainability）：考量人員通行、閥門人體工學及設備吊修拆裝。
5. 材質相容與電化學防蝕（Material Compatibility & Corrosion Protection）：考量流體性質相容度與異種金屬接觸防腐。

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選項分析

本題為申論問答題，無客觀選項。針對閱卷評分重點與常見遺漏點進行構面比較分析：

評分評估構面	優秀答題重點（得分點）	常見薄弱寫法（失分點）
安全防火	明確點出高壓油管防濺屏障（Jacketed piping / Screening）、避開高溫排氣管與配電盤、艙壁穿艙水密座（Bulkhead penetration piece）。	僅籠統寫出「管子要鎖緊不能漏油」、「注意防火」。
力學補償	提及膨脹接頭（Expansion joint）、彎管補償（Expansion loops）、固定支架與滑動支架的搭配、防震軟管。	僅寫「管路要用夾子固定牢固」，忽略熱脹冷縮與機械震動破裂機制。
流體水力	闡述吸入管避免急彎以防氣蝕、蒸汽管疏水坡度、排水與冷凝液收集設計。	完全未考慮管內流體物理特性與重力疏水坡度問題。
運轉維修	提及法蘭拆卸段預留、閥手輪高度、管路色彩識別（依 ISO 14726 或 CNS 規範）。	忽視現場維修吊裝空間與識別標示。
防蝕防電	指出海水管選材、防蝕鋅塊（Zinc anodes）、異種金屬絕緣接頭（Dielectric fittings）。	漏失耐蝕與電化學腐蝕考量。

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解題技巧

1. 口訣記憶法：以五字訣**「安、震、流、修、腐」**記憶五大構面：

• 安（安全防火）：避開高溫、水密貫穿、防濺套管。
• 震（應力震動）：膨脹補償、減振軟管、剛性/滑動支撐。
• 流（水力流向）：曲率平緩、防汽蝕、疏水坡度。
• 修（維修動線）：操作高度、拆卸裕度、色碼標示。
• 腐（防蝕相容）：介質適配、異種金屬絕緣、鋅塊保護。

2. 得分關鍵字：作答時務必寫出專業工程術語，如「膨脹接頭（Expansion Joint）」、「防濺罩（Splash Shield）」、「水密貫穿件（Bulkhead Piece）」、「電化學腐蝕（Galvanic Corrosion）」。
3. 陷阱提示：切忌只側重單一系統（如全篇只談燃油管）。輔機管路包含海水、冷凝水、蒸氣與壓縮空氣，需涵蓋各類流體之特殊考量（例如蒸汽管路必須強調「防止水錘與坡度疏水」）。

核心觀念

本題測驗「電氣液壓舵機（Electro-hydraulic Steering Gear）」之追隨機構（Follow-up System）與閉迴路伺服反饋控制（Closed-loop Feedback Control）的運作原理，以及輪機英文專業術語之標準中文轉譯能力。

控制迴路之運作核心在於**舵角偏差（Deviation / Error Signal）**的消除：

1. 偏差偵測：將操舵命令的「預定舵位（Desired rudder position）」與舵葉回授的「實際舵位（Actual rudder position）」進行比對。
2. 方向閥換向：當兩者存在差值時，控制器輸出「左舵（Port）」或「右舵（Starboard）」電氣控制信號驅動電氣方向控制閥（Solenoid/Electrical directional-control valve）動作。
3. 液壓動力傳遞：方向閥換向導引液壓油進出舵機液壓缸（Chambers），推動轉舵機構使舵葉偏轉。
4. 追隨閉環：此推舵動作持續進行，直到實際舵位與預定舵位一致（偏差消除至零），方向閥回中，轉舵停止。

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解題方法

本題為專業英文翻譯題，切入點採「句法結構拆解」搭配「輪機工程標準術語對齊」，依技術動作因果時序進行流暢轉譯：

1. 第一句拆解：

• 條件狀語：At deviations between actual rudder position and the desired rudder position（當實際舵位與預定舵位之間產生偏差時）
• 主句：a port or starboard signal is given to the electrical directional-control valve（系統會傳送左舵或右舵信號至電氣方向控制閥）
• 邏輯串聯：輸入端比對出差值後，發送信號給執行控制閥。

2. 第二句拆解：

• 並列主句一：The control valve changes its position（該控制閥變換其閥位）
• 並列主句二：and hydraulic oil is led in and out of the respective chambers at the steering gear（且液壓油被導入與導出舵機之各相應油室）
• 分詞片語（伴隨結果）：shifting the rudder angle towards the desired position（推移舵角朝向預定位置）