周魯兵

（揚(yáng)州大洋造船有限公司，揚(yáng)州 225107）

0 引言

近來不少船舶企業(yè)在使用BIO-seal生物環(huán)保密封圈和 BIO-oil生物環(huán)保油（以下簡(jiǎn)稱環(huán)保油）階段都或多或少遇到艉軸承短時(shí)間溫升較快的問題，有些船廠還遇到艉軸承磨損、實(shí)船進(jìn)塢壓裝新艉管軸承現(xiàn)象。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于出現(xiàn)軸承高溫現(xiàn)象回復(fù)最多的無外乎船廠自身的問題，經(jīng)過重新校中、調(diào)整和清潔等就能恢復(fù)正常。但目前短時(shí)間內(nèi)多個(gè)船廠、多條船同時(shí)出現(xiàn)軸承高溫現(xiàn)象，而且這些船都是運(yùn)用 BIO-oil環(huán)保油后出現(xiàn)高溫，尤其值得關(guān)注的是，這些出現(xiàn)高溫的船舶一旦換回礦物油后，軸承運(yùn)行一切正常。本文主要通過案例總結(jié)以及分析可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象的種種原因，并結(jié)合 2014年11月7日CCS船級(jí)社在南京召開的關(guān)于《美國(guó)環(huán)保署環(huán)保油應(yīng)用研討會(huì)》[5]，各個(gè)造船廠和軸承廠家以及滑油廠家共同討論，提出今后的新造船舶在運(yùn)用這種 BIO-oil環(huán)保油時(shí)需要注意的事項(xiàng)和改進(jìn)措施的建議。

1 新規(guī)范的由來

2013年美國(guó)環(huán)保局頒發(fā)的新規(guī)范規(guī)定，2013年12月19日之后新造船，如需要到美國(guó)海岸3英里，在國(guó)際海洋安全公約和國(guó)際船舶組織之外，還必須強(qiáng)制按照滿足 VGP要求，即所有船舶在油水界面上的設(shè)備必須使用環(huán)保潤(rùn)滑油，除非技術(shù)上不可行（一般新造船不考慮技術(shù)上不可行這個(gè)方案）[3]

VPG規(guī)定船上主要設(shè)備存在油水分界面的地方如圖1所示。

圖1 生物降解油船上使用的具體設(shè)備和位置

從圖表可以看出，對(duì)于船廠影響最大最重要的地方，也是本文重點(diǎn)講的，是艉管環(huán)保生物降解油。目前各油品巨頭紛紛開足馬力研發(fā)和測(cè)試，已經(jīng)出現(xiàn)了以粘度100cst、150cst和220cst為主的常用艉管滑油，見圖2。

圖2 海運(yùn)生物降解油范圍

2 案例匯總與分析

隨著 VGP的執(zhí)行，目前周邊船廠如揚(yáng)州大洋造船、金陵船廠、城西船廠等，相繼更換了部分船舶的艉軸環(huán)保油，表1是一份整理關(guān)于部分船舶運(yùn)用新環(huán)保油后，艉軸承出現(xiàn)的一些異?，F(xiàn)象的匯總，結(jié)合表 1，我們分析了可能出現(xiàn)問題的原因以及應(yīng)對(duì)措施。

2.1 環(huán)保油的選擇

直觀地從案例中可以發(fā)現(xiàn)，凡是出現(xiàn)軸承高溫報(bào)警的環(huán)保油，一旦換成礦物油或者提高環(huán)保油的粘度，軸承溫度就能恢復(fù)正常，以下是對(duì)環(huán)保油的初步分析：

靜態(tài)軸承負(fù)荷為N，軸承有效接觸面積為S，軸承的靜態(tài)比壓f0=N/S，為了安全的冗余度，考慮艉管軸承比壓選擇 0.8Mpa，中間軸承選擇2.0Mpa[1,2]；軸在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，油在軸表面的吸附力隨著軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成油膜來避免軸和軸承機(jī)械接觸摩擦產(chǎn)生損耗（見圖3）。

艉軸承處油的線速度 V（通常需要大于3.5m/S），油膜的比壓為f1（λ×S×V），軸實(shí)際受到比壓為f2，這中間的相互關(guān)系為：

1/f2=1/f0+1/f1

由式中可以得知：

艉軸f2=0.8 f1/(0.8+ f1)

表1 實(shí)船案例情況匯總

圖3 模擬運(yùn)行摩擦效果

同樣運(yùn)行情況下，油黏度越大，在形成同樣油膜的情況下，要求軸系轉(zhuǎn)速越?。ㄒ妶D4）。換言之，同樣在推進(jìn)系統(tǒng)相同的情況下，高黏度的油在啟動(dòng)過程中安全系數(shù)更高，因此建議新造船提高艉軸環(huán)保油的粘度，目前可以選擇150CST[2,4]。

另外在選擇高粘度的環(huán)保時(shí)候需要注意，軸承溫度上稍微比100CST粘度的滑油溫度高～3°左右，其不同粘度的生物環(huán)保油，均以30℃為起點(diǎn)，其在兩個(gè)轉(zhuǎn)速下，可適用的溫度范圍見圖5和表2[2,4]。

3.2 軸承設(shè)計(jì)優(yōu)化

從目前我們收集各個(gè)船廠的實(shí)際艉軸損害的照片來分析，軸承磨損主要出現(xiàn)在軸承后端，約200mm內(nèi)的扇型面積內(nèi)出現(xiàn)少部分摩擦（見圖6）。

圖4 粘度和油膜形成對(duì)比表

圖5 兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的適用溫度范圍

傳統(tǒng)的軸承合金的磨損，大部分原因是由于潤(rùn)滑不良或者斷油、滑油進(jìn)水變質(zhì)、軸承-軸相對(duì)轉(zhuǎn)角過大、軸承間隙過小，以及軸頸失園表面粗糙度過大等造成油膜破壞，發(fā)生干摩擦引起軸承發(fā)熱造成。目前針對(duì)用于 BIO-oil環(huán)保油出現(xiàn)高溫，而換成礦物油后溫度又正常的情況，經(jīng)過和油品廠家討論，分析如下（見圖7）。

正常船舶運(yùn)行，螺旋槳軸與軸承的末端在惡劣的運(yùn)行環(huán)境中（轉(zhuǎn)速突變、螺旋槳浸沒、軸瓦受力不均等）可能導(dǎo)致軸承間隙過小，引起邊緣摩擦，目前運(yùn)用的 BIO-oil環(huán)保油和礦物油的抗磨性能雖然都是12級(jí)，但是由于環(huán)保油和礦物油分子結(jié)構(gòu)不同，會(huì)導(dǎo)致環(huán)保油在抗摩擦的同時(shí)，在保護(hù)軸與軸承表面能力稍強(qiáng)于礦物油，通俗地講，即礦物油在正常磨合的時(shí)候能夠加快軸與軸承表面細(xì)小的摩擦，并且?guī)ё吣Σ梁蟮碾s質(zhì)；而環(huán)保油相反會(huì)阻止軸與軸承摩擦，更能保護(hù)軸與軸承的表面。另外，軸與軸承間隙在邊緣縮小的情況下，環(huán)保油比礦物油更難形成保護(hù)油膜，這個(gè)需要等待滑油廠家和軸承廠家進(jìn)一步試驗(yàn)。鑒于目前多條運(yùn)用環(huán)保油損害船舶軸承的程度來看，損害主要集中在軸承尾部，而非整個(gè)軸承。從DNV船級(jí)社了解到，目前正在啟用的雙斜度軸承（見圖 8）的設(shè)計(jì)能夠更好地減小軸承邊緣摩擦[7]。

表2 粘度和溫升對(duì)比表

圖6 實(shí)際案例照片

圖7 模擬軸實(shí)際運(yùn)行情況

圖8 雙斜度軸承圖示

3.3 其它可能導(dǎo)致軸承高溫的原因分析和建議

1）目前出現(xiàn)軸承高溫的船舶，主要集中在單軸承船舶，建議優(yōu)化軸系載荷布置，考慮增加前軸承方案；

2）軸系校中計(jì)算過程中，充分考慮由于不同工況下船體變形導(dǎo)致的軸承位置發(fā)生變化，并且考慮螺旋槳附加彎矩的影響，以及提高軸和軸承表面粗糙度等級(jí)；

3）完善軸系施工、校中工藝，確保施工精度，在無前軸承的時(shí)候，軸系頂升階段，盡量避免對(duì)中間軸承的調(diào)整；

4）盡量避免螺旋槳非全浸沒狀態(tài)下，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其是在過淺攤時(shí)，排壓載水后，要減速慢行，避免突然加速操作；

5）改善投油工藝，提高艉管滑油投油等級(jí)至相應(yīng)的要求，盡量減少環(huán)保油參雜其它雜質(zhì)的可能性。

4 結(jié)束語(yǔ)

船舶設(shè)計(jì)和建造一方面在大量重復(fù)性的工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，另一方面需要不斷打破常規(guī)，勇于分析探索。鑒于當(dāng)前運(yùn)用BIO-oil環(huán)保油出現(xiàn)軸承高溫的現(xiàn)象還沒有找到根本原因，以下有兩種方法可以保持目前軸系現(xiàn)有設(shè)計(jì)，滿足 VGP要求，減小軸承高溫報(bào)警的風(fēng)險(xiǎn)，保證船廠的交船利益，供現(xiàn)有新造船廠參考。

1）更換艉軸冷卻方式（換成海水冷卻）或者更換密封型式（換成艉軸氣密封）。前者換成海水冷卻，這個(gè)方案相對(duì)與后者改成氣封密封型式，船廠成本較大，一般船廠很難接受，大多數(shù)船廠接受后者換成氣密封型式，空氣密封理論上在正常運(yùn)行時(shí)，不存在油水界面，可以繼續(xù)使用普通礦物油，就能夠滿足VGP相關(guān)要求，而且氣密封是強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)，比目前重力式潤(rùn)滑系統(tǒng)更加安全可靠，在沒有找出運(yùn)用環(huán)保油出現(xiàn)軸承高溫現(xiàn)象的真正原因之前，保持現(xiàn)狀繼續(xù)使用礦物油比較穩(wěn)妥。另外如果選擇氣密封型式需要船級(jí)社認(rèn)可，以及船東需要向 VGP當(dāng)局提出申請(qǐng)。

2）考慮到現(xiàn)有船舶可能來不及更換密封環(huán)型式，而且還要用環(huán)保油，也可以嘗試另外一種方法。碼頭系泊直接用礦物油磨合，試航也用礦物油完成所有相關(guān)測(cè)試，回廠途中換成環(huán)保油，繼續(xù)做主機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)，最后用環(huán)保油交船。雖然這種做法還沒有找到理論依據(jù)支持，但從目前實(shí)際操作的情況來看，的確能夠減少出現(xiàn)軸承溫度異?，F(xiàn)象的幾率，并且多條已交付的船舶在正常營(yíng)運(yùn)后，也沒有出現(xiàn)船東反饋軸承溫度異常；少數(shù)船舶在以后營(yíng)運(yùn)過程中出現(xiàn)軸承溫度異?，F(xiàn)象，經(jīng)排查應(yīng)屬在特殊惡劣海況下運(yùn)行。綜合考慮，這個(gè)方案是對(duì)目前已經(jīng)具備系泊、試航條件船舶的最優(yōu)方案，可供現(xiàn)有新造船參考。

[1]船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：輪機(jī)分冊(cè).ISBN 7-118-02154-7/U.162, 1999.

[2]軸承密封選型設(shè)計(jì)手冊(cè).

[3]美國(guó)環(huán)保局2013 VESSEL GENERAL PERMIT FOR DISCHARGES INCIDENTAL TO THE NORMAL OPERATION OF VESSELS (VGP) FINAL 2013 VGP.

[4]CASTROL /TOAL/MOBIL潤(rùn)滑油手冊(cè) .

[5]CCS美國(guó)環(huán)保署環(huán)保油應(yīng)用研討會(huì)相關(guān)資料,2014.

[6]上海船舶研究設(shè)計(jì)院,使用環(huán)保油對(duì)軸系運(yùn)行的影響及應(yīng)對(duì)措施,2014.

[7]DNV-GL shaft alignment-revised class handling 2014.