楊世知劉國立

（1.中國船級社江蘇分社 南京210011；2.中國船級社總部 船舶建造檢驗管理處 北京100006）

淺談應用環(huán)保潤滑油情況下的尾管軸承高溫現象

楊世知1劉國立2

（1.中國船級社江蘇分社 南京210011；2.中國船級社總部 船舶建造檢驗管理處 北京100006）

［摘 要］美國環(huán)保署VGP 2013單方面強制生效，要求所有進入美國水域的船舶在其油水界面使用環(huán)保潤滑油（除非技術上不可行）。國內諸多船廠包括日韓船廠在使用環(huán)保潤滑油以后，多次發(fā)生尾管高溫報警，由此引發(fā)了行業(yè)對于環(huán)保潤滑油的思考。文章結合環(huán)保潤滑油的調查反饋報告，對反饋數據進行分類統(tǒng)計，在此基礎上梳理出若干種可能造成尾管高溫的因素并進行逐一剖析，最后有針對性地提出一系列實施建議，供業(yè)界參考。

［關鍵詞］環(huán)保潤滑油；VGP2013；尾管高溫

引 言

2013年12月19日，美國環(huán)保署（EPA）2013船舶通用許可（VGP）正式生效。根據VGP 2013 第2部分第2.2.9條規(guī)定：在美國水域，凡長度超過79 ft（約24 m）的所有商船在油水界面上必須使用環(huán)保潤滑油（Environmentally Acceptable Lubricants，以下簡稱EALs），除非技術上不可行。這是EPA VGP 2013對船舶正常營運中易于發(fā)生排放位置提出的最新要求。同時，美國環(huán)保署與海岸防衛(wèi)隊之間簽署備忘錄授權其監(jiān)管VGP的實施［1］。

環(huán)保潤滑油的概念早在10年前就已提出，其初衷在于緩解船舶碰撞、船舶水下維護保養(yǎng)等可能給港口等水域造成的環(huán)境污染。自VGP 2013強制生效以來，環(huán)保潤滑油在中國造船市場刮起一陣“熱潮”。伴隨EALs密集出現的船舶尾管高溫頻發(fā)現象，讓環(huán)保潤滑油熱度至今不減。業(yè)界紛紛展開尾管高溫的相關調查研究，但研究結果層出不窮，至今尚無定論。自2013年美國環(huán)保署發(fā)布VGP 2013要求以來，中國船級社即開始關注并跟蹤市場使用情況。對于高溫報警案例，有針對性地編制調查信息反饋表，在高溫報警比較集中的轄區(qū)，開展調查研究，并于2014年11月7日在江蘇南京成功召開“美國環(huán)保署環(huán)保潤滑油應用研討會”。在此背景下，本文對尾管高溫的成因進行系統(tǒng)性分析，并將有關情況總結如下。

1 EALs的適用范圍

根據VGP 2013第2.2.9條規(guī)定：EALs適用于2013年12月19日及以后進入美國水域，船長大于等于79英尺所有商船，在其油水界面必須使用EALs（除非技術上不可行）［2］。

EALs：系指“可生物降解”和“最低限度毒性”以及VGP定義的“非生物積聚”三類潤滑油。就VGP的目的而言，滿足通用許可定義的EALs包括那些通過以下認證并獲得標識的油品：

（1）German Blue Angel（藍天使）。

（2）European Eco-label（歐洲之花）。

（3）Nordic Swan（北歐天鵝）。

（4）the Swedish Standards SS 155434 and 155470（瑞典標準）。

（5）Convention for the Protection of the Marine Environment of the North-East Atlantic （OSPAR）requirements ）（《東北大西洋海洋環(huán)境保護公約》（OSPAR）要求）。

（6）EPA's Design for the Environment （DfE）（EPA的環(huán)境設計項目）。

油水界面：可調距槳、推進器液壓油及其他油水界面（明輪、尾軸管、螺旋槳軸承、減搖裝置、舵承、全回轉推進器、吊艙式推進器、浸沒的鋼絲繩和機械設備）。

技術上不可行，主要分為以下幾種情況：

（1）沒有經認可的滿足設備制造商規(guī)格書要求的EALs產品（如油封）可供使用。

（2）需預潤滑的設備（如鋼絲繩）沒有可用EALs替代產品。

（3）船舶航經港口內無法獲得滿足制造商規(guī)格書要求的EALs產品。

（4）必須等到船舶下次進干塢才能更換或使用EALs。

（5）美國水域：沿海3 n mile。

（6）商船：除私人游艇和美國軍艦以外從事商業(yè)用途的船舶。

2 EALs高溫案例分析

自2013年12月19日VGP 2013強制生效以來，環(huán)保潤滑油在中國的造船廠（特別是江蘇地區(qū)船廠）獲得廣泛應用，但環(huán)保潤滑油在使用過程中尾管高溫的現象比較明顯。部分船廠在使用環(huán)保潤滑油以后，都不同程度出現尾管高溫，甚至出現尾管軸瓦燒毀情況（如圖1所示）。

圖1 艉管高溫造成尾軸承燒傷

業(yè)界對于尾管高溫成因眾說紛紜、莫衷一是，軸系設計、安裝工藝、校中工藝、精度控制以及油品特性等都有可能造成尾管高溫。根據初步掌握的高溫報警情況，我分社全面梳理可能影響尾管高溫的主要因素，以調查報告的形式發(fā)至轄區(qū)各船廠。根據反饋情況，調查報告中重點保留以下三個方面，供后續(xù)進一步分析（統(tǒng)計結果截止至2014年12月1日）：

（1）尾軸支撐型式（有無尾管前軸承）。

（2）高溫時船舶狀態(tài)（螺旋槳附加彎矩），例如系泊擬或試航，螺旋槳是否全浸沒、是否全回轉階段、螺旋槳轉速。

（3）環(huán)保潤滑油特性。例如：粘度、牌號、尾管高溫報警時是否乳化（水溶性問題）。注：調查反饋滑油均無乳化，保留粘度等級進行分析。

2.1 尾軸支撐型式

尾軸支撐型式分單支撐（無尾管前軸承）和雙支撐（設尾管前軸承）。考慮到單支撐的受力、軸系載荷分布同雙支撐不一致，且兩者之間安裝、校中工藝要求存在細微變化。因此，在調查報告中，重點對于尾軸支撐型式作了統(tǒng)計分析。尾管高溫多出現在單支撐（無尾管前軸承）的情況。統(tǒng)計結果如表1所示。

表1 調查報告統(tǒng)計a（尾軸支撐型式）

據不完全的現有統(tǒng)計結果來看，尾管高溫案例中單支撐情況居多。于是，我們提出疑問：單支撐和雙支撐之間有何區(qū)別，如何在兩者之間進行合理選擇？研究表明：在無尾管前軸承的情況下，尾管后軸承局部載荷加大，則會同時要求船廠提高施工工藝精度。表2詳細對比了兩者之間的優(yōu)勢和劣勢。

表2 尾管支撐形式優(yōu)劣勢對比

建議：

在軸系頂升階段，如果船廠工藝能夠做到不需要調整中間軸承，推薦采用無前軸承的布置。因為這種布置對于船體梁變形的適應性更強。

如果不能保證船廠工藝，則可能需要調整中間軸承。為安全起見，推薦采用前軸承的設計。因為頂升階段對于中間軸承的調整，無前軸承的設置對尾管后軸承與軸的相對傾角影響很大；稍有不慎，就可能造成邊緣負荷過大。此外，軸系校中計算書對于船體梁變形量（特別是校中階段的船體梁狀態(tài)）以及主機和中間軸承的支撐區(qū)域結構變形情況無法準確估計。對于此種情況，建議采用尾管前軸承的設計方案［3］。

2.2 螺旋槳附加彎矩

據統(tǒng)計分析，軸承損壞大多出現在尾管后部。于是在調查反饋表中，特別添加船舶高溫時的狀態(tài)，例如系泊階段、全回轉階段、螺旋槳是否全浸沒等。

表3 調查報告統(tǒng)計2（螺旋槳附加彎矩分析）

從現有統(tǒng)計結果來看，系泊階段和高速操舵全回轉階段為尾管高溫現象多發(fā)階段，其中系泊階段高溫問題居多，其次為右滿舵全回轉階段（右旋槳）?？赡茉蚍治鋈缦拢?/p>

（1）系泊階段螺旋槳非全浸沒，軸系校中計算書一般要求為螺旋槳50%浸沒。此時，螺旋槳轉動產生推力，推力直接作用在螺旋槳下部，產生附加彎矩，使得尾管后軸承負荷加大，軸-軸承相對傾角增大，尾部軸系間隙變小，油膜較難建立。

（2）系泊試驗階段，主機低速運轉，油膜尚未完全建立。

（3）全回轉階段，特別是高速操舵全回轉階段，螺旋槳尾流場不均勻，導致螺旋槳產生不定常的附加彎矩；尤其在惡劣海況（螺旋槳可能出現飛車現象），容易造成尾管高溫。

（4）右滿舵全回轉時，尾管溫度一般均略有上升，其原因是右旋槳的推力中心一般集中在第一象限（右上角），右滿舵時，受舵葉影響，螺旋槳第一象限尾流場壓力增大，同螺旋槳推力呈疊加效應，因此，右旋槳在右滿舵全回轉時，容易高溫。

注：部分船級社建議，附加彎矩區(qū)間限定在螺旋槳扭矩的-15% ～ 40%之間。由建議值可見，對于負值要求相對嚴格得多。

圖2 螺旋槳作用在尾軸承上附加彎矩

建議：

（1）優(yōu)化軸系設計，盡量降低尾軸承載荷，提高尾軸承可承受載荷冗余度。

（2）盡量避免螺旋槳非全浸沒下高速運轉。低速運轉試驗時，在滿足我社要求的前提下，盡量選擇油品提供商提供的建議轉速區(qū)間。

（3）主機盡量避免在惡劣工況下（特別是螺旋槳飛車時）高速運轉。

2.3 EALs粘度等級

調查結果分析：

（1）據目前掌握情況，有船廠先采用礦物油做系泊試驗，然后在試航后期更換成環(huán)保油，特別是提高滑油粘度至150等級后獲得較好效果，但也有失敗案例發(fā)生。

（2）從現場反饋來看，滑油粘度等級提高以后，異常高溫現象相對減少。

油品提供商指出：試驗數據表明，環(huán)保潤滑油和礦物油相比在粘度等級、冷卻、耐壓、流動性等特性上無較大差異，有關粘度問題部分船廠也通過后期化驗得以驗證。因此對于尾密封廠家推薦的油品清單中不包括150粘度等級的情況，油品提供商不建議船廠單方面更改滑油粘度等級。

表4 調查報告統(tǒng)計3（EALs粘度等級）

3 尾管高溫的成因分析

從目前掌握的情況來看，每個船廠使用的環(huán)保潤滑油品質可能存在差異。不同的船型設計、船廠施工工藝、施工隊伍精度控制都存在差異，具體到每一個案例可能形成尾管高溫的原因也各不相同。因此，形成尾管高溫具有多方面因素，很難單方面歸罪于某種因素，準確地說，是多種因素綜合起來共同導致尾管高溫現象頻發(fā)。就目前統(tǒng)計來看，可能情況歸納為：無尾管前軸承設置，導致尾軸承負荷整體增大；同時對于施工工藝精度要求增高，造成軸-軸承之間相對轉角過大；軸瓦受力不均；形成較大的邊緣負荷；軸瓦較難形成足夠厚度油膜；在邊緣負荷較大的情況下，EALs相對礦物油更難形成足夠厚度油膜，最終導致尾管高溫。

4 建議與措施

盡管尾管高溫由多方面因素造成，但任何單個因素的改進也可能較大程度地避免高溫現象的發(fā)生。因此，我們提出以下建議：

（1）盡可能采用技術成熟、粘度等級相對較高的環(huán)保潤滑油產品。

（2）優(yōu)化軸系載荷布置，盡量降低尾管后軸承上的比壓和相對傾角（雙斜度尾管）。視情況考慮增加前軸承方案（可以考慮抬高前軸承或后軸承斜鏜孔情況而不取消前軸承）。

（3）為降低尾軸相對傾角和比壓，可以視情況考慮適當加大軸承位移量。

（4）優(yōu)化軸系校中計算，充分考慮可能影響船體變形的因素。充分考慮螺旋槳附加彎矩的影響。

（5）完善施工工藝，確保施工精度。無前軸承布置時，在軸系頂升階段，盡量避免對中間軸承的調整。如無法避免，則盡量減少其對于尾軸相對傾角的影響，例如在軸系校中計算書中，對尾軸位置進行適當標定，從而有效判斷中間軸承的調整是否對尾軸存在過大影響。

（6）如能確保EALs置換充分，可先采用礦物油開展系泊試驗和試航，然后再更換成環(huán)保潤滑油試驗，以消除磨合期的影響；或在操舵試驗、全回轉試驗等高速運轉之前，進行小舵角、小進速充分磨合（Run-in time），以消除磨合期的影響。

（7）建議提升螺旋槳軸和尾管后軸承的加工工藝。例如可視情況將螺旋槳軸的表面粗糙度從1.6提升至0.8。

（8）建議優(yōu)化尾管內滑油的泄放和取樣。例如，將尾管后部的注入泄放口進一步后移，或在尾管后軸承的后部增設取樣泄放管路，必要時可以考慮在尾管后端增加泄放槽，以盡量減少更換滑油時尾管中滑油的殘留。

（9）建議改善投油工藝。盡量減少環(huán)保潤滑油被參雜其他雜質的可能性。

5 結 論

（1）進一步完善“EALs調查反饋表”信息，收集新造船和現有船環(huán)保油使用情況，建立數據庫，分析新造船磨合期影響；分析尾軸承比壓（0.6 N/mm2）和相對傾角（0.2×10-3rad）區(qū)間對于尾管高溫影響。

（2）調查統(tǒng)計尾管高溫案例中，軸系頂升階段調整中間軸承的情況，進一步分析有無尾管前軸承對于軸系校中工藝的影響。

（3）密切關注提高EALs粘度等級的情況。

［參考文獻］

［1］ Vessel General Permit for Discharges Incidental to the Normal Operation of Vessels （VGP）. 2013.

［2］ 楊世知. EPA環(huán)保潤滑油要求及實施要點［J］. 中國船檢，2014（12）.

［3］ ABS. Guidance Notes on Propulsion Shafting Alignment ［S］. 2014.

［中圖分類號］U661.4

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0092-05

［收稿日期］2014-12-16；［修回日期］2015-01-12

［作者簡介］楊世知（1984-），男，碩士，工程師（驗船師），研究方向：船舶與海洋工程行業(yè)規(guī)范及風險評估。劉國立（1983-），男，工程師，研究方向：船舶風險管理與規(guī)范。

Analysis of S/T high-temperature alarm along with EALs

YANG Shi-zhi1LIU Guo-li2

(1. China Classifi cation Society Jiangsu Branch, Nanjing 210011, China; 2. Administration of Ship construction & Certifi cation, CCS, Beijing 100006, China)

Abstract：VGP 2013 enforced by EPA unilaterally requests that all the commercial vessels more than 79 feet in length operating in US waters have to use EALs in all oil-to-sea interfaces of the ship “unless technically infeasible”. Many shipyards in China， some others in Japan and Korea， were faced with S/T high-temperature alarm risk after using EALs， which cause a lot of discussion about EALs. Based on some survey reports for EALs，this paper classifi es the feedback data and summaries several factors that possibly cause S/T high-temperature alarm， which are analyzed one by one. Finally some suggestions are given out to avoid S/T high-temperature alarm for industrial reference.

Keywords：EALs； VGP 2013； S/T high-temperature