呂久亮 歐傳杰

（1.廣船國際技術(shù)中心 2.廣船國際）

0 前言

近年來國內(nèi)外船廠陸續(xù)報道出有新造船試航期間出現(xiàn)了艉管后軸承高溫問題，各大船級社也紛紛介入，會同船廠對該問題進(jìn)行分析和處理。本文以10萬噸級的大型油輪作為切入點(diǎn)，分析該類型船舶出現(xiàn)艉管后軸承高溫的原因以及采取的應(yīng)對措施。

1 背景

隨著IMO制定的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)的實(shí)施，近年來新設(shè)計(jì)的大型油輪都考慮了更加節(jié)能的措施，如采用更加瘦長的艉部線型以提高推進(jìn)效率，主機(jī)降功率選型以降低油耗，加大螺旋槳槳徑和降低轉(zhuǎn)速以提高螺旋槳效率，從而優(yōu)化EEDI指標(biāo)。

2013年美國環(huán)保局頒發(fā)了新的規(guī)定，2013年12月19日之后的新造船，如需要在美國水域航行，除滿足相關(guān)的規(guī)則規(guī)范之外，還必須滿足VGP要求，其中條款2.2.9要求船舶在所有油水界面上（oil-to sea-interface）必須使用可生物降解的環(huán)保潤滑油（EAL），除非技術(shù)上不可行。這條法規(guī)的強(qiáng)制實(shí)施使得很多新造船項(xiàng)目的艉管軸承開始使用生物滑油來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的礦物油。

上述這些新法規(guī)和新技術(shù)上的發(fā)展使得本來就敏感的大型油輪軸系設(shè)計(jì)和建造面臨了新的挑戰(zhàn)。

2 艉管后軸承高溫事件介紹

某環(huán)保節(jié)能型設(shè)計(jì)的11萬噸成品油/原油輪系列船在試航期間共有五艘船先后出現(xiàn)艉管后軸承高溫情況，都是在高轉(zhuǎn)速工況下操舵甚至是測速調(diào)頭時發(fā)生的。

通過抽出艉軸檢查發(fā)現(xiàn)艉管后軸承的下半圓表面出現(xiàn)白合金燒損后被重新碾壓的痕跡，長度大約在200mm～300mm之間，詳見圖1。

圖1 艉管后軸承典型燒損表面

3 原因分析

軸承高溫?zé)龘p通常是由于在某種工況下，軸與軸承之間的油膜被破壞，導(dǎo)致軸與軸承的直接接觸所造成的，油膜被破壞最主要的原因是負(fù)荷過大，還有可能是滑油受到污染、滑油選型錯誤、建造過程的精度控制問題、操作問題等等。大型船舶的軸系負(fù)荷一般都比較大，節(jié)能環(huán)保型船舶的機(jī)槳配合特點(diǎn)又使得軸系處于高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，每個軸承按理論計(jì)算所分配到的負(fù)荷就已經(jīng)比較接近最大許用值，如果其它因素再給軸系帶來一些負(fù)面影響，就容易出現(xiàn)軸承高溫方面問題。另外，由于油輪是滿載試航，要在滿載工況下進(jìn)行各種極端工況的試驗(yàn)，特別是滿舵角的操舵和回轉(zhuǎn)等極端的操縱性試驗(yàn)，此時，軸系各軸承的負(fù)荷都是處于最大狀態(tài)，因此艉管后軸承的高溫現(xiàn)象基本上都出現(xiàn)在試航期間，如果試航過程中不出現(xiàn)問題，交船后一般也不會出現(xiàn)問題。下面就具體分析有哪些可能影響大型油輪軸系軸承高溫的因素。

4 滑油

4.1.1 生物滑油與礦物油的潤滑和承壓根據(jù)DNV-GL規(guī)范公式：

可知，油膜與粘度成負(fù)相關(guān)，沒有生物滑油和礦物油的區(qū)別。雖然生物滑油的運(yùn)動粘度一般與礦物油的運(yùn)動粘度基本相近，但通過進(jìn)一步的測試分析，發(fā)現(xiàn)兩種油品的承壓能力還是有一定差距，通過對業(yè)內(nèi)某著名品牌的礦物艉管滑油和生物艉管滑油進(jìn)行理化指標(biāo)測試分析發(fā)現(xiàn)，礦物艉管滑油在承壓指標(biāo)上明顯優(yōu)于生物艉管滑油。

檢測項(xiàng)目 礦物滑油 生物滑油40℃運(yùn)動粘度 mm2/s 102.6 104.6密度20℃ kg/m3 880.2 928.4最大無卡咬負(fù)荷PB,N 1177 598燒結(jié)負(fù)荷 PB,N 2452 1569

圖2 滑油粘度與滑膜厚度的關(guān)系

圖3 船體建造時艉部支撐不足

4.1.2 生物滑油和礦化油的混油

在新要求剛出來時，船舶建造和試航兩個階段出現(xiàn)了生物滑油和礦物滑油更換的可能，但由于艉管結(jié)構(gòu)、船舶吃水和水深條件等因素，無法達(dá)到廠家建議的不大于5%的混油率的要求，造成潤滑能力大幅下降。

4.1.3 滑油的清潔度

滑油清潔度是軸承潤滑的基本條件，在造船過程中，由于多工種交叉作業(yè)，特別是艉管附近的焊接和打磨工作，給艉管的清潔增加了難度，可能會有漏網(wǎng)雜質(zhì)混入艉管滑油，對軸承造成損害。

4.1.4 滑油的溫度控制

艉管滑油在工作當(dāng)中不僅起到潤滑作用，還要冷卻的功能，但是滑油帶走熱量的同時也降低了自身的粘度，粘度下降帶來油膜厚度下降，因此盡可能的控制滑油溫度在較低的水平，可以提高潤滑能力。

4.2 整體艉管+環(huán)氧樹脂澆注

當(dāng)艉管軸承的設(shè)計(jì)使用整體艉管+環(huán)氧樹脂澆注這種方案的時候，環(huán)氧樹脂凝固時的不均勻可能造成整體艉管同心度的變化，從而使艉管軸承的位置偏離校中計(jì)算中設(shè)計(jì)值范圍。環(huán)氧樹脂材料本身導(dǎo)熱性不如傳統(tǒng)的鑄鋼材料，使軸承工作時產(chǎn)生的熱量無法有效傳遞出去也是影響因素之一。另外整體艉管在加工和運(yùn)輸過程中由于尺寸較長，也會出現(xiàn)變形問題。

4.3 塢內(nèi)建造時艉部支撐不足造成艉部向下變形

艉部向下變形，特別是在拉線望光后船舶出塢前軸系工程施工過程中，艉部船體在沒有支撐的情況下會繼續(xù)向下變形，會造成塢內(nèi)艉管軸承位置與水下的軸承位置偏差過大。

4.4 艉部剛性不夠造成下水后艉管軸承部分船體上翹

隨著線型設(shè)計(jì)的優(yōu)化，艉部線型不斷收窄，艉管前軸承前的結(jié)構(gòu)的剛性不斷下降，造成下水后艉柱部分上翹嚴(yán)重。

4.5 不同壓載工況和吃水對于軸系的影響

目前的校中計(jì)算都是假設(shè)船體為絕對剛性，但船舶在不同的壓載工況下船體有不同的形狀，船體形狀變化相應(yīng)的反應(yīng)到軸系上就是軸承位置的變化，校中計(jì)算并沒有考慮這些實(shí)際已經(jīng)發(fā)生了的因素。

4.6 不當(dāng)操作

4.6.1 碼頭動車時螺旋槳沒有完全浸沒

由于螺旋槳沒有完全浸沒，槳葉產(chǎn)生的推力只作用在水面下的部分，加上目前低轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)的螺旋槳尺寸和重量都大幅增加，產(chǎn)生了較大的向下附加彎矩，增加艉管后軸承的負(fù)荷，使艉軸與艉管后軸承的相對斜度超標(biāo)，破壞了軸承后端部分的油膜，導(dǎo)致軸承后端部分白合金干摩擦燒損。

4.6.2 進(jìn)出碼頭時螺旋槳沒有完全浸沒

原理同上述4.6.1，其實(shí)碼頭動車和進(jìn)出碼頭時螺旋槳不能完全浸沒跟各個船廠的碼頭水深條件有關(guān)系，但能滿足大型油輪在碼頭全部浸沒螺旋槳的船廠目前不多。

4.6.3 艉管軸承沒有注油時進(jìn)行盤車

在船塢中安裝艉管密封的時候，廠家建議要盤車測量跳動量，這時候艉管內(nèi)一般還沒有加注滑油，盤車時軸與軸承完全是干摩擦，這種操作存在很大的風(fēng)險。

4.7 艉部流場附加偏心力

由于螺旋槳進(jìn)流的特點(diǎn)和自身較大的重量，對艉管后軸承會產(chǎn)生偏心力，右旋槳會導(dǎo)致艉管后軸承后端左下方負(fù)荷較大，反之亦然，一些因?yàn)楣?jié)能而采用的艉部的特殊措施可能會增加這種影響，試航時在這種環(huán)境下大舵角操舵，這種影響會被放大作用在艉管后軸承上，導(dǎo)致艉軸與艉管后軸承的相對斜度超標(biāo)，破壞了軸承后端部分的油膜，導(dǎo)致軸承后端部分白合金干摩擦燒損。

4.8 校中工藝

軸系校中除了要滿足各個軸承負(fù)荷調(diào)整到計(jì)算值范圍內(nèi)，還要同時滿足主機(jī)的曲軸臂距差要求。實(shí)際操作中為了調(diào)整主機(jī)的曲軸臂距差不得不在一定范圍內(nèi)調(diào)整主機(jī)的高度，導(dǎo)致主機(jī)和中間軸承的高度位置并不在計(jì)算書所設(shè)定的高度位置上。

通過上述的分析可以看出，影響軸系狀態(tài)的因素非常多，而且整個軸系工程施工工期長，控制點(diǎn)多，而最終的效果又需要在試航才能檢驗(yàn)。所以預(yù)判潛在的風(fēng)險，控制好所有環(huán)節(jié)，制定一系列包括圖紙、工藝、制度等的文件并嚴(yán)格實(shí)施才能確保艉管軸承在設(shè)計(jì)狀態(tài)下工作，不出現(xiàn)高溫現(xiàn)象。

5 應(yīng)對措施

結(jié)合上述的原因分析，我們提出了一系列優(yōu)化和改進(jìn)的措施，力求在軸系工程的全過程中，每一個控制點(diǎn)上都做到優(yōu)化提升，從而避免再次發(fā)生艉管后軸承高溫的問題。

5.1 軸系校中計(jì)算中引入復(fù)雜因素評估分析

將可能影響軸系校中結(jié)果的軸承斜度公差、螺旋槳附加偏心推力等因素通過CFD分析量化輸入校中計(jì)算中去綜合考慮，設(shè)計(jì)出一個與艉軸后部運(yùn)動狀態(tài)更適應(yīng)的艉管后軸承的幾何形狀，在各種工況下都能避免艉軸和艉軸承的相對斜度超標(biāo)，可以形成有效厚度的油膜，從而保證軸承的正常工作。如圖4所示的一種多斜度雙偏心的艉管后軸承的設(shè)計(jì)。

5.2 謹(jǐn)慎選用生物滑油

從前面的分析和經(jīng)驗(yàn)來看，生物滑油的承壓特性不如礦物油，使用礦物油還是相對可靠的選擇。特別是現(xiàn)在供應(yīng)商可以提供氣密型艉密封設(shè)計(jì)來滿足美國的VGP的要求，無須一定使用生物滑油。因此，在設(shè)計(jì)初期盡可能與船東協(xié)商一致，建議使用艉管空氣密封+礦物油的方案。如果船東堅(jiān)持要采用生物滑油，那么根據(jù)4.1.1中提及的公式可知要盡量選擇高粘度的滑油，目前市場上部分油料供應(yīng)商可以提供最高ISO VG 150 cst的滑油。

5.3 增強(qiáng)艉管后軸承潤滑冷卻的效果

艉管滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)成強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，利用滑油泵的壓力提升潤滑和冷卻的效果，并將艉管滑油管直接引入艉管后軸承后端，使得滑油可以通過泵送直接冷卻和潤滑負(fù)荷最高的部位，從而提高潤滑和冷卻的效果。另外，加裝艉管滑油冷卻器，降低滑油溫度，有利于形成有效的潤滑油膜。

圖4 多斜度雙偏心軸承設(shè)計(jì)

圖5 艉軸與艉軸承之間相對斜度與油膜厚度的關(guān)系

5.4 改進(jìn)船體搭建方案

船體艉部在塢內(nèi)搭建直到出塢都應(yīng)設(shè)置有強(qiáng)力的支撐，呆木盡可能設(shè)置延伸到艉柱下方，避免艉柱部分懸空，確保艉部保型。

5.5 嚴(yán)控艉管軸承的過程保型

對于艉管后軸承設(shè)計(jì)有斜度的，特別是有雙斜度的軸承，在整個制造安裝周期的各個節(jié)點(diǎn)中都要做好作斜度保型工作。從出廠檢驗(yàn)、到貨檢驗(yàn)和倒膠前、倒膠后的檢驗(yàn)都需要使用激光測量內(nèi)孔的同心度和圓度。增加質(zhì)量控制點(diǎn)，確保安裝后的狀態(tài)滿足理論計(jì)算和設(shè)計(jì)的要求。

5.6 制定軸系工程控制程序

從嚴(yán)把控全部過程的各個節(jié)點(diǎn)，制定控制程序和檢查清單，確保所有過程在嚴(yán)格監(jiān)控下進(jìn)行，并且達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。包括校中時的吃水、滑油的清潔度、軸承溫度的記錄、動車的條件、主機(jī)高度的允許調(diào)整范圍等。嚴(yán)禁在螺旋槳沒有全浸沒的情況下主機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁艉管注油之前盤車。

5.7 試航初期進(jìn)行軸系磨合

圖6 激光測量軸承同心度結(jié)果

圖7 激光測量軸承同心度

根據(jù)ABS船級社的推薦以及船廠自身的經(jīng)驗(yàn)，在試航初期進(jìn)行軸系磨合，在主機(jī)中低負(fù)荷條件下進(jìn)行操舵，使軸承表面在磨合力作用下變成最佳幾何配合形狀。

5.8 設(shè)置預(yù)報警點(diǎn)

5.8.1 設(shè)置軸承溫升過快報警

在目前的常規(guī)設(shè)計(jì)中，一般只設(shè)定了高溫報警和高高溫報警，此外沒有其他報警點(diǎn)可以輔助判斷軸承是否出現(xiàn)不正常的磨損，油膜異常初期溫升的速率往往被忽視。但如果是油膜失效導(dǎo)致的軸承高溫，等到報警出現(xiàn)后再來降速就回天乏術(shù)了。因此在機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)中增加一個艉管后軸承溫升過快報警點(diǎn)，在15分鐘以內(nèi)，艉管后軸承溫升達(dá)到5度，就報警并且主機(jī)自動慢車，以避免在軸承未磨合好前因不當(dāng)操作導(dǎo)致軸承損壞。

5.8.2 設(shè)置螺旋槳未全浸沒警示（Warning）

在機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)螺旋槳未全浸沒警示（Warning），提取液位遙測系統(tǒng)的艉吃水信號，與螺旋槳全浸沒的吃水高度進(jìn)行比較，如果沒有全浸沒會給出警示(Warming)，提醒船舶操作人員控制主機(jī)轉(zhuǎn)速不要過快。

6 結(jié)束語

艉管軸承高溫問題的解決是一個系統(tǒng)工程，雖然是以輪機(jī)工程為主，但也關(guān)系到船體結(jié)構(gòu)、線型等相關(guān)專業(yè)，既要進(jìn)行理論分析計(jì)算，也要考慮施工精度帶來的影響。從船型開發(fā)到設(shè)計(jì)、建造、試航、交付，周期漫長，需要有專業(yè)的隊(duì)伍進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)和建造質(zhì)量控制，精度和細(xì)節(jié)要求之高容不得絲毫差錯。我們在理論研究、分項(xiàng)試驗(yàn)、調(diào)查、管理提升和實(shí)船檢驗(yàn)等方面已經(jīng)做了很多工作，基本方向已經(jīng)走對，也積累了很多的經(jīng)驗(yàn)，但正如本文中所述的觀點(diǎn)，影響大型油輪艉管高溫的因素太復(fù)雜，隨著新船型的不斷發(fā)展，未來的挑戰(zhàn)還是非常巨大。不過相信隨著我們研究的深入、技術(shù)的進(jìn)步，特別是對軸系工程重要性的意識的提高，面對未來的風(fēng)暴我們必然會迎風(fēng)啟航！