傅金浩
船舶降速航行管理
傅金浩
在航運(yùn)市場極端低迷的形勢下,各航運(yùn)公司無不將船舶降速作為降本增效的主要手段。在船舶極端降速的條件下,對機(jī)械設(shè)備的管理就要有一定的措施,這樣才能夠保證安全。分析船舶極端降速的潛在危害,以及主機(jī)工作特性和船舶設(shè)計(jì)特點(diǎn)對極端降速的限制,在此基礎(chǔ)上提出主機(jī)降速應(yīng)采取的安全管理措施。
極端降速;航行安全;船舶主機(jī)管理;主軸承;缸內(nèi)燃燒
從2009年開始,航運(yùn)市場開始逐步下行,由不正常的暴利突然跌入極度虧損的深淵,同時(shí)又有大量船舶運(yùn)力集中投入市場,且燃油價(jià)格持續(xù)攀升,使得各航運(yùn)公司運(yùn)營成本大幅提高,給經(jīng)營創(chuàng)效帶來了極大的壓力和困難。為此各航運(yùn)公司紛紛尋找對策,其中最為顯著的措施就是大幅降低營運(yùn)船舶航速,以期在節(jié)能的同時(shí)起到消耗運(yùn)力的作用。到2014年,油運(yùn)市場有所恢復(fù),燃料油價(jià)格一路下滑,各航運(yùn)公司的油輪又基本上恢復(fù)到了正常的營運(yùn)航速。當(dāng)前,隨著油運(yùn)市場的再一次走低,以及燃油價(jià)格的逐步回升,未來幾年航運(yùn)市場仍然不被看好??梢灶A(yù)見,新一輪的船舶極端降速航行為期不遠(yuǎn)。筆者通過前期船舶降速運(yùn)行積累的一些經(jīng)驗(yàn)心得,在此與業(yè)內(nèi)的同行作一交流。
我司以前的絕大多數(shù)船舶主機(jī)都是MAN B&W 的MC型,近兩年來接入的船舶主機(jī)都是MAN B&W 的ME型。ME型機(jī)的設(shè)計(jì)雖然具有良好的低速運(yùn)行性能,但在熱工管理上與MC型并沒有本質(zhì)的區(qū)別。由于當(dāng)前ME型機(jī)符合TieII的要求,燃燒循環(huán)的噴油更加滯后,后燃相對更多,所以長期低速運(yùn)行帶來的問題可能會(huì)更多。船舶極端降速航行畢竟是不得已而為之的舉措,需要小心謹(jǐn)慎操作。首先要根據(jù)船舶實(shí)際運(yùn)行情況、航運(yùn)載貨要求,逐步調(diào)整主機(jī)持續(xù)最低轉(zhuǎn)速,并連續(xù)跟蹤船舶各運(yùn)行參數(shù)變化情況。在降速航行的初期,我們經(jīng)過長達(dá)近一年的調(diào)研,認(rèn)為只要采取一定的措施,船舶主機(jī)在極低的負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行是可行的。船舶實(shí)施安全降速運(yùn)行無非是通過硬件、軟件及日常管理來實(shí)現(xiàn)的(見圖1)。
圖1 船舶實(shí)施安全降速航行基礎(chǔ)
柴油機(jī)廠家也根據(jù)市場形勢及時(shí)發(fā)布了技術(shù)通函(尤其是MAN SL09-511和MAN SL08-501),對極端降速給予了一定的指導(dǎo)。這成為我們的理論依據(jù)。為配合極端降速,我司投入了部分資金,將早期建造船舶的機(jī)械汽缸注油器改造成電子汽缸注油器,將普通式燃油噴油器改造成滑閥式噴油器,在硬件上給予了保障。同時(shí),依托軟件,在PMS中視情適當(dāng)調(diào)整檢修周期,加強(qiáng)熱工監(jiān)控管理,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并給予指導(dǎo)。在管理上,進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集和分析,從技術(shù)層面上形成指導(dǎo)意見,保證了船舶極端降速的安全實(shí)施——這體現(xiàn)出了公司機(jī)務(wù)和船舶的管理水平;最重要的是,在需要時(shí),船舶主機(jī)不但能夠長期低速運(yùn)行,而且能夠隨時(shí)恢復(fù)服務(wù)轉(zhuǎn)速——這才是船舶管理工作所應(yīng)具備的能力。
1.主機(jī)曲軸軸承磨損
軸頸負(fù)荷P與軸頸尺寸r和l、軸的轉(zhuǎn)速w、滑油黏度和軸承間隙ψ的關(guān)系公式為:
可以得到軸承承載壓力與軸的轉(zhuǎn)速成正比。負(fù)荷過大,會(huì)造成軸承的過度磨損;相反,軸的轉(zhuǎn)速過低,就不可能建立適當(dāng)?shù)挠推鯄毫Γ纬梢后w動(dòng)力潤滑(見圖2、圖3)。主機(jī)長期低速、低負(fù)荷運(yùn)行,頻繁地啟動(dòng)與停車,會(huì)造成軸承的不正常磨損。
圖2 主機(jī)軸瓦潤滑縱剖面
圖3 主機(jī)軸瓦潤滑橫剖面
2.主機(jī)汽缸套、活塞等部件的不正常磨損
主機(jī)活塞在汽缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng),工作環(huán)境十分惡劣,所以兩者之間的潤滑方式只能是薄膜潤滑。薄膜潤滑又稱邊界潤滑,是指運(yùn)動(dòng)的工作表面之間只能保存一層吸附在金屬表面上的油膜。據(jù)此可知,活塞與汽缸套之間的邊界潤滑油膜極易破裂,造成較大的摩擦磨損。船舶主機(jī)缸套沿著軸線方向的磨損規(guī)律如下。(1)磨損最嚴(yán)重的部位:缸套上部、活塞到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)第一道活塞環(huán)所對應(yīng)的部位(活塞在此部位的運(yùn)動(dòng)速度最低)。(2)磨損第二嚴(yán)重的部位:缸套底部掃氣口附近。(3)磨損最輕的部位:缸套的中間段。磨損程度不同的三個(gè)區(qū)域,除了潤滑條件等其他原因外,活塞在上下部位的運(yùn)動(dòng)速度低也是一個(gè)最重要的因素。主機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),在活塞與缸套之間就不容易形成有效的邊界潤滑,從而每個(gè)工作循環(huán)缸套磨損的幾率就會(huì)加大。在極端降速的情況下,燃油的燃燒質(zhì)量變差,燃燒不良產(chǎn)物增多,也會(huì)增加缸套的磨損。
3.對主機(jī)透平、廢氣鍋爐的不利影響
主機(jī)轉(zhuǎn)速越低,主機(jī)透平的轉(zhuǎn)速就越低,進(jìn)入主機(jī)汽缸的空氣壓力(即掃氣壓力)或者說進(jìn)入主機(jī)的空氣量自然也越低(即空氣密度低),使主機(jī)缸內(nèi)的工作循環(huán)不可能有充分的掃氣,導(dǎo)致柴油機(jī)是在較低的空氣/燃油比下運(yùn)行,汽缸內(nèi)燃燒不良。不良燃燒產(chǎn)物會(huì)越來越多地聚集在掃氣箱內(nèi),加之上面提到的活塞和缸套的過度磨損,就形成掃氣箱著火和爆炸的潛在危險(xiǎn)。同時(shí),主機(jī)廢氣流量、流速減小,使透平噴嘴環(huán)、廢氣葉輪及廢氣鍋爐沉積煙灰的可能性大大增加。煙灰的沉積會(huì)損壞渦輪增壓器的性能,增加透平軸承磨損、噴嘴環(huán)燒蝕的風(fēng)險(xiǎn)。對于廢氣鍋爐,特別在具有翅片的水管廢氣爐內(nèi),低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)沉積更多的煙灰,大大增加了廢氣鍋爐煙面發(fā)生火災(zāi)的可能性。以上這些風(fēng)險(xiǎn),會(huì)隨著船齡的增加而逐漸凸顯出來。這是其一。其二,在低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速時(shí),排氣流量降低,溫度低,使在透平及廢氣鍋爐內(nèi)某些流道中的廢氣流通速度降低,更容易產(chǎn)生硫酸,形成低溫腐蝕。長期的低溫腐蝕,勢必影響透平及廢氣鍋爐的使用壽命。
主機(jī)在60%到65%以上正常負(fù)荷時(shí),主機(jī)透平效率較高,排煙溫度亦平穩(wěn)增長;低于這個(gè)負(fù)荷一段區(qū)域內(nèi),透平效率很低,主機(jī)排煙溫度異常增高;主機(jī)負(fù)荷在35%以下時(shí),主機(jī)透平效率極低,只能依靠輔助鼓風(fēng)機(jī)幫助增加空氣進(jìn)入量。MAN 7S80船舶主機(jī)鼓風(fēng)機(jī)一般在掃氣壓力設(shè)定為45 kPa左右時(shí)啟動(dòng),掃氣壓力設(shè)定為75 kPa左右時(shí)輔助鼓風(fēng)機(jī)停止??梢姡瑯O端降速的情況比較復(fù)雜,需要多方面考慮,盡可能防止鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生嚴(yán)重的損壞。
船舶主機(jī)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,限定了主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)速。船舶的主機(jī)選型裝船后,主機(jī)的允許工作范圍就已經(jīng)確定。這個(gè)工作范圍由限制特性、標(biāo)定轉(zhuǎn)速(或其相應(yīng)的調(diào)速特性)、最小負(fù)荷速度特性、最低工作穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所限制。柴油機(jī)的負(fù)荷會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的降低迅速減小,在過小的負(fù)荷下工作時(shí)每個(gè)循環(huán)供油量太少,而且各缸的供油量在此情況下將變得更加不均勻,結(jié)果就可能導(dǎo)致各缸功率顯著不均,柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。同時(shí),在極端降速時(shí)主機(jī)的熱效率大大低于正常值。最低工作穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與柴油機(jī)的汽缸數(shù)量、設(shè)計(jì)形式和推進(jìn)軸系(即中間軸、尾軸承及螺旋槳等)配置等因素有關(guān),是主機(jī)能夠穩(wěn)定工作的最低轉(zhuǎn)速。以VLCC船舶MAN B&W 7S80MC主機(jī)為例,其最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速一般為18轉(zhuǎn)/分鐘,對應(yīng)的負(fù)荷大約為額定負(fù)荷的10%。
主機(jī)共振(這一概念我們并不陌生)轉(zhuǎn)速區(qū)(臨界轉(zhuǎn)速區(qū)),限定了轉(zhuǎn)速的任意降低區(qū)域。由于船體、主機(jī)自身設(shè)計(jì)及其推進(jìn)軸系的選配等原因,在主機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在很多共振區(qū),其中共振最大的主機(jī)共振所對應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)段稱主臨界轉(zhuǎn)速區(qū),也就是轉(zhuǎn)速禁區(qū)。所以,在主機(jī)降速航行期間及任何情況下,主機(jī)使用的轉(zhuǎn)速必須避開此區(qū)域(VLCC船舶MAN B&W 7S80MC主機(jī)共振轉(zhuǎn)速區(qū)在31~38轉(zhuǎn)/分鐘之間,不同船型略有不同)。
以VLCC船舶MAN B&W 7S80MC主機(jī)為例,我司船舶當(dāng)前最低已經(jīng)降低到主機(jī)額定功率的17%連續(xù)運(yùn)行,耗油達(dá)到約20噸/天。雖然能夠節(jié)省大量的燃油成本,但在管理上必須采取一定的措施,才能夠保證設(shè)備長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。主機(jī)降速到18%~20%負(fù)荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)速在43~45轉(zhuǎn)時(shí),車鐘手柄大致在“half”位置(各船型略有不同,但區(qū)別不大),相應(yīng)需要主機(jī)輔助鼓風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),兩臺(tái)輔機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,輔助鍋爐置于低壓自動(dòng)模式等。在此,建議采取如下措施:
(1)堅(jiān)持主機(jī)每2~3日加速到75%MCR以上一次,時(shí)間1~2小時(shí),并進(jìn)行廢氣爐吹灰和主機(jī)透平?jīng)_洗;航行中加強(qiáng)廢氣爐煙氣進(jìn)出溫差和壓差的檢查和記錄;每航次水洗廢氣爐,如航線長,可每隔10~15天停航檢查,必要時(shí)水洗廢氣爐煙面,并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整水洗間隔。
(2)對使用ALPHA電子汽缸注油器控制的船舶,運(yùn)行在25%負(fù)荷以下,主機(jī)汽缸注油器將自動(dòng)轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)速模式,相應(yīng)汽缸油注油率會(huì)偏大,需計(jì)算主機(jī)汽缸油注油頻次即每隔幾轉(zhuǎn)注油一次。注一次油的間隔期不應(yīng)大于7轉(zhuǎn)。
(3)堅(jiān)持每航次對主機(jī)缸套和活塞環(huán)進(jìn)行檢查和測量,關(guān)注活塞頭的積炭情況,并通過掃氣口觀察缸壁磨損情況;縮短掃氣道的清潔間隔,加強(qiáng)掃氣箱內(nèi)止回?fù)醢寮肮娘L(fēng)機(jī)進(jìn)口止回?fù)醢宓臋z查。
(4)主機(jī)掃氣溫度不低于45 ℃,缸套冷出水出口溫度不低于84 ℃(對配備LDCL的ME型主機(jī),按說明書要求進(jìn)行管理)。
(5)運(yùn)行中加強(qiáng)對輔助鼓風(fēng)機(jī)馬達(dá)的檢查(溫度、震動(dòng)和聲音)。
(6)避免主機(jī)在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)運(yùn)行。如遇惡劣天氣,主機(jī)使用轉(zhuǎn)速應(yīng)離臨界轉(zhuǎn)速區(qū)遠(yuǎn)一點(diǎn)。
(7)輪機(jī)長要及時(shí)(建議每一降速航次)總結(jié)和反饋極限降速時(shí)各設(shè)備的運(yùn)行情況。
(8)如有機(jī)會(huì),檢查船殼外板海生物的附著情況。
(9)加強(qiáng)主機(jī)曲柄箱的檢查,主要是關(guān)注降速對主軸承的影響。
(10)主機(jī)輔助鼓風(fēng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)存在潛在的損壞風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)為船舶至少配備一臺(tái)。
主機(jī)極端降速運(yùn)行,對缸內(nèi)燃燒肯定是不利的,但通過近幾年的運(yùn)行情況來看,對缸套的磨損率并沒有增加,畢竟機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力比正常航行小了許多;由于燃燒不良,進(jìn)排氣及燃燒室臟污較快,船員的工作量增加了很多。鑒于市場狀況,船岸管理者應(yīng)共同努力,克服不利因素,渡過難關(guān),尤其需要加強(qiáng)溝通并總結(jié)船舶極端降速管理經(jīng)驗(yàn),以便及時(shí)調(diào)整管理措施,保證安全營運(yùn),為公司效益最大化做出貢獻(xiàn)。
10.16176/j.cnki.21-1284.2017.05.007
傅金浩(1965—),男,大連中遠(yuǎn)海運(yùn)油品運(yùn)輸有限公司,輪機(jī)長。