張 浩，程 涵，趙福志，倪進(jìn)旭

（友聯(lián)船廠（蛇口）有限公司，深圳 518054）

1 前言

隨著全球航運(yùn)業(yè)節(jié)能減排要求日益嚴(yán)格，低碳、節(jié)能成為目前船舶新造或改造的核心指標(biāo)之一。氣泡減阻技術(shù)作為船舶空氣潤滑系統(tǒng)（簡稱ALS）中應(yīng)用最廣泛的節(jié)能措施之一，是一種利用微氣泡來減少船體與海水之間航行阻力的技術(shù)方法。通過將空壓機(jī)壓縮后的空氣不斷地輸往空氣釋放單元（簡稱ARU），以微氣泡形態(tài)釋放到邊界層，大量的氣泡在船底聚集形成氣液兩相混合流，從而減小船體周圍水的密度、黏性以及湍流流動結(jié)構(gòu)，使摩擦力顯著降低，達(dá)到減阻節(jié)能的效果。船舶采用該技術(shù)可節(jié)省5%～10%的燃料消耗，從而減少碳排放，為綠色船舶提供了一種解決方案。

2 空氣潤滑系統(tǒng)組成

空氣潤滑系統(tǒng)，主要由10 套壓縮空氣單元（空壓機(jī)撬塊）、空氣管、10 個(gè)Y 形三通管、20 個(gè)液動蝶閥、20 套空氣釋放單元（ARU）、1 個(gè)HPU 液壓動力單元、1 個(gè)控制柜、1 套電磁閥箱、20 個(gè)應(yīng)急閥塊、電纜管、閥控管、動力電纜、控制電纜、操作臺（集控室及駕駛室各1 個(gè)）、8 臺軸流通風(fēng)機(jī)（4 進(jìn)4 出）等組成，圖1 為其中一組的原理圖：空壓機(jī)壓縮后的空氣經(jīng)過空氣管、Y 形三通管后分成兩路，Y 形管出口各設(shè)置一個(gè)止回閥，兩路空氣再經(jīng)過液動蝶閥控制后到達(dá)船底部的ARU 單元，經(jīng)過其底部的導(dǎo)流板不斷釋放出微氣泡滑過船體底部，從而達(dá)到減阻的效果。

圖1 空氣潤滑系統(tǒng)原理圖

3 某VLOC 船增設(shè)空氣潤滑系統(tǒng)的改造方案

3.1 結(jié)構(gòu)及舾裝改造

結(jié)構(gòu)改造部分主要包括：ARU 單元在船底開孔、定位及焊接；內(nèi)部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；新制沿1 號貨艙前壁下倉的空氣管路的槽型護(hù)罩等。

舾裝改造部分主要包括：新增設(shè)備的底座預(yù)制；液壓管線；控制管線的護(hù)罩等。

其中，ARU 單元在船底開孔、定位、與底板間的焊接質(zhì)量為關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)；ARU 單元作為整個(gè)空氣潤滑系統(tǒng)的核心裝置，為了使氣泡減阻達(dá)到最佳效果，20 套ARU 單元在船首部沿船寬方向弧形布置；ARU單元與船體間的安裝精度、ARU 單元與導(dǎo)流板的裝配間隙等，必須滿足設(shè)備廠家的設(shè)計(jì)安裝要求。

3.1.1 進(jìn)塢前準(zhǔn)備工作

1）ARU 單元內(nèi)場檢查，復(fù)核備件的精度（見圖2），做好各項(xiàng)數(shù)據(jù)的記錄；如精度超差，可適當(dāng)校正ARU單元的底板以及加工導(dǎo)流板，確保塢內(nèi)安裝完ARU 本體及導(dǎo)流板。其導(dǎo)流板的裝配間隙，需滿足以下要求：

圖2 ARU 底板及ARU 與導(dǎo)流板裝配精度控制圖

底板整體平面度±2 mm 以內(nèi)；

測量點(diǎn)A～H,導(dǎo)流板與空氣釋放單元四周的許可裝配間隙為21±3 mm；

測量點(diǎn)A～G,導(dǎo)流板與空氣釋放單元垂直高度為50±3 mm。

2）ARU 單元焊前準(zhǔn)備:ARU 單元底板為板厚40 mm，船底板板厚20 mm。為此，需對ARU 單元底板四周預(yù)先削邊至20 mm（斜度1:5），再開正面22.5°的單邊坡口；焊接好施工用四角吊裝吊耳及四角調(diào)整用吊耳；焊口防護(hù)，整體油漆；劃好ARU 單元定位中心線的標(biāo)記線以及根據(jù)中心線及ARU 底板輪廓，制作好艙底內(nèi)劃線的模板。

3）ARU 單元安裝艙室的準(zhǔn)備：艙室先通風(fēng)、測爆合格；內(nèi)底板工藝孔割除；將ARU 單元本體的中心線反在ARU 單元船殼的本體上，并做好樣沖標(biāo)記，在相鄰100 mm 的位置標(biāo)識一條檢驗(yàn)線；現(xiàn)場焊接吊裝ARU 單元用的四角吊耳以及四角定位調(diào)整吊耳。

4）割舊板的準(zhǔn)備：根據(jù)反出的ARU 單元中心線，結(jié)合圖紙定位尺寸以及劃線模板，劃出船底板的切割線；根據(jù)ARU 單元的中心線以及ARU 單元本體的線型及模板，對需要切割的縱骨或框架等提前劃好切割線。

5）ARU 單元擺放在塢底的準(zhǔn)備：每套ARU 重約4.3～4.6 t，長4 700 mm，寬1 480 mm，高470 mm。進(jìn)塢前，根據(jù)進(jìn)塢布置及ARU 單元的分布方位，將ARU 單元按照編號盡可能吊運(yùn)擺放至塢底的相應(yīng)位置，以免進(jìn)塢后再轉(zhuǎn)運(yùn)大大增加工作量。

圖2 為底板及ARU 與導(dǎo)流板裝配精度控制圖。

3.1.2 進(jìn)塢后工作

進(jìn)塢后，ARU 單元安裝作業(yè)主要流程為：ARU單元沖水清理泥巴、做好防護(hù)→割除舊板（船底板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)）→吊裝新ARU 單元到位→ARU 底板裝配、報(bào)驗(yàn)→底板板縫焊接→底板板縫光面打磨完工并100%UT 檢查→內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配→內(nèi)部結(jié)構(gòu)焊接→底板外側(cè)焊縫磨平→抽真空試驗(yàn)→內(nèi)部結(jié)構(gòu)打磨→焊接完工報(bào)驗(yàn)→油漆修補(bǔ)→安裝ARU 單元內(nèi)部鋅塊→安裝導(dǎo)流板、間隙調(diào)整、測量→螺母點(diǎn)焊固定→螺絲卡板凹槽填充鐵水泥或環(huán)氧樹脂。

ARU 單元底板為40 DH40，削邊后厚度20 mm,船底板為20 AH36。根據(jù)WPS 要求，ARU 單元底板與船底板間的焊接需選用合適的焊接材料以及焊接方法：

焊材：采用YHE71T-1 或等同；

極性：DCEP 直流反接；

方式：CO2自動焊，單面焊雙面成型焊接；

保護(hù)氣體：CO2保護(hù)氣體，純度99.5%以上。

現(xiàn)場施工控制的難點(diǎn)：

1）ARU 單元中心線與船底縱骨中心線的對中調(diào)整，公差±2 mm 以內(nèi)；

2）底板以及結(jié)構(gòu)件對接縫的切割量的控制，特別是四角R300 的圓角，如裝配間隙過大，母材需按長肉處理，既增加了工作量，也增加了焊縫的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；

3）ARU 單元底板下平面與船底底板下平面的調(diào)整，錯(cuò)位公差±2 mm 以內(nèi)；

4）焊接質(zhì)量控制，特別要控制ARU 單元底板的變形；

5）ARU 單元底板與船底底板焊縫焊接完畢后，外側(cè)需要修磨至與船底板平齊，防止影響氣泡的滑移質(zhì)量。

為此，需制定合理的施工流程，做好進(jìn)塢前的準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備充足的工具設(shè)備及人力，現(xiàn)場的準(zhǔn)確測量、放樣、劃線做到無余量切割，采用縱向及橫向的長排加強(qiáng)板對稱施焊方法，防止ARU 單元底板變形，制作專用的導(dǎo)流板安裝工具等，這些措施對提高施工質(zhì)量、提高效率、縮短塢期均至關(guān)重要。

3.2 新增設(shè)備的安裝

3.2.1 空壓機(jī)的吊運(yùn)

該系統(tǒng)共有10 套空壓機(jī)撬塊，每臺重約1.7 t，集中安裝在船艏水手物料間里，左右各5 臺；撬塊頂部結(jié)構(gòu)薄弱，不能配置吊運(yùn)吊耳，這給撬塊的吊運(yùn)、進(jìn)出物料間以及轉(zhuǎn)運(yùn)帶來不便。為此，在水手物料間中部頂部開割工藝孔，同時(shí)制作專用的吊具，如圖3 所示；進(jìn)倉后，再用2 臺液壓小車配合轉(zhuǎn)運(yùn)、葫蘆配合抬吊到位；工裝主要由2 根L140x90x10 角鋼以及無縫鋼管吊桿等組成，角鋼兩端焊接好吊運(yùn)及轉(zhuǎn)運(yùn)的吊耳，角鋼需在底座和側(cè)面與空壓機(jī)底座配鉆好螺紋孔，并用螺栓連接固定。吊運(yùn)前，鋼管吊桿的兩側(cè)下方吊耳分別掛接2 個(gè)2 t 的葫蘆，葫蘆鉤頭連接角鋼底座的吊耳，起吊時(shí)通過手拉葫蘆調(diào)節(jié)整個(gè)空壓機(jī)的重心，待重心平衡后即可吊起空壓機(jī)。

圖3 空壓機(jī)撬塊吊運(yùn)工裝

3.2.2 ARU 單元導(dǎo)流板的安裝

該輪船底新增20 套ARU 單元，每套ARU 單元均有1 個(gè)導(dǎo)流板，長3 000 mm、寬1 000 mm，重量約0.5 t；采用傳統(tǒng)的方法制作支撐胎教、叉車轉(zhuǎn)運(yùn)，船底板現(xiàn)場焊接吊耳，葫蘆提升、間隙調(diào)整、安裝等受塢底高度以及塢墩的限制；20 個(gè)導(dǎo)流板安裝結(jié)束后，需對船底新增的近百個(gè)吊耳進(jìn)行割除、打磨、修補(bǔ)油漆，工作量大，安全性低，效率低下。

為此，特別制作了3 套導(dǎo)流板的現(xiàn)場安裝工裝，如圖4 所示，其主要由底座、支撐架、調(diào)節(jié)絲桿、手動液壓叉車、螺旋式千斤頂?shù)冉M成：底座由槽鋼和鋼板焊接而成，下部槽鋼構(gòu)成的4 個(gè)插槽便于用手動液壓叉車在塢墩間進(jìn)行各個(gè)方向的轉(zhuǎn)運(yùn)，底部的兩側(cè)鋼板起到平衡和支撐作用，防止導(dǎo)流板裝置重心太高導(dǎo)致側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)；使用時(shí)，先將導(dǎo)流板吊至該安裝裝置的支撐架的調(diào)節(jié)絲桿上部，讓導(dǎo)流板的定位孔全部鑲?cè)胝{(diào)節(jié)絲桿上部的定位銷內(nèi)進(jìn)行定位固定，然后用手動液壓叉車慢慢轉(zhuǎn)運(yùn)至導(dǎo)流板配對的ARU 單元位置船底下方；人工調(diào)整手動液壓叉車的左右前后位置，使得導(dǎo)流板與ARU 單元的中心大體一致后，旋動兩個(gè)螺旋式千斤頂，將導(dǎo)流板緩緩升起，并插入扳桿調(diào)節(jié)各絲杠的高度，使導(dǎo)流板上的螺栓孔對準(zhǔn)空氣釋放單元上的螺栓，待導(dǎo)流板的前后左右全部螺栓孔對齊，繼續(xù)頂推導(dǎo)流板到位，對稱對角上緊導(dǎo)流板的固定螺母；檢查、調(diào)整和測量導(dǎo)流板與ARU 單元底座間的四周裝配間隙，直到滿足廠家技術(shù)要求。該工裝不但解決了導(dǎo)流板在塢內(nèi)船底狹小空間的轉(zhuǎn)運(yùn)安裝困難，而且提高了工作效率，縮短了塢期。

圖4 ARU 單元導(dǎo)流板現(xiàn)場安裝工裝圖

3.3 管系改造

管系改造，主要分為空氣管、電纜管、閥控管三部分：空氣管和電纜管均是碳鋼管，根據(jù)設(shè)計(jì)放樣的小票圖紙，車間提前預(yù)制并鍍鋅處理；閥控管采用不銹鋼盤管，現(xiàn)場鋪設(shè)，卡套連接。

空氣管設(shè)計(jì)溫度為215 ℃，運(yùn)行溫度 0～215 ℃；二級管，系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為2.5 bar，試驗(yàn)壓力3.8 bar；空氣管10 路（左右舷各5 路，通徑DN150，壁厚11 mm），分別從水手物料間的空壓機(jī)撬塊引出，穿過物料間后壁板，從1 號貨艙前壁甲板穿倉一直到人字形下墩，在下墩里每路管子連接1 個(gè)成品Y 型三通，分成20 路（通徑DN100，壁厚16 mm）分別穿入1 倉雙層底和左右空倉后，再分別與20 套ARU 單元相連接；空氣管中間設(shè)有熱脹冷縮的膨脹節(jié)，除了穿倉件、與閥門及膨脹節(jié)等連接處焊接法蘭外，其余管線焊縫均采用對接、全熔焊的型式，焊后進(jìn)行100%UT 檢查及拍片抽檢，再進(jìn)行水壓試驗(yàn)；壓縮空氣從空壓機(jī)出來后，不需經(jīng)過冷卻；除了壓載水倉及空倉外，其余空氣管路表面均包覆熱絕緣層及不銹鋼皮防護(hù)。

新電纜管布置在左甲板上，采用法蘭連接，動力電纜與控制電纜分別設(shè)置在獨(dú)立電纜管中，以免引起信號干擾；動力電纜管通徑為DN300,控制電纜通徑為DN150,電纜管中間均設(shè)置有伸縮節(jié)、電纜箱、避讓結(jié)構(gòu)及設(shè)備的彎管等附件。由于動力電纜多達(dá)11 根，直徑約40 mm，每根長達(dá)約550 m，動力電纜管的彎管兩端務(wù)必分別設(shè)置工藝孔及道門蓋，目的是方便現(xiàn)場拉設(shè)及理順電纜管內(nèi)的動力電纜，從而提高效率。

新閥控管采用不銹鋼管，系統(tǒng)工作壓力為100 bar，從水手物料間內(nèi)的閥控箱系統(tǒng)穿倉到右前甲板，從1 倉右甲板到1/2 倉之間過渡甲板穿入貨艙下墩，連接到空氣管上的液壓閥頭上；為提高安裝后的質(zhì)量，防止泄漏而返工，需用精密的不銹鋼盤管和配套不銹鋼卡套接頭，裁管切割及鋪管過程，閥控管的兩側(cè)端部務(wù)必做好防護(hù)。

3.4 電氣改造

電氣改造部分主要包括：集控室配電板改造；新增集控室及駕駛室的ALS 遙控操作臺；新增首樓甲板軸流通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)撬塊、液壓泵站、遙控閥門、ALS等控制箱或控制柜，以及它們之間動力電纜和控制電纜的鋪設(shè)等。

動力電纜主要是從機(jī)艙集控室配電板鋪設(shè)至生活區(qū)前壁左側(cè)，沿主甲板的動力電纜管直到船艏的水手物料間設(shè)備控制箱等。

控制電纜主要是從機(jī)艙集控室及駕駛室的ALS 操作臺鋪設(shè)至生活區(qū)前壁左側(cè)，沿主甲板的控制電纜管直到船艏的水手物料間的ALS 控制柜等。

為了加強(qiáng)首樓儲物間內(nèi)的通風(fēng)及降溫，首樓甲板面新增了4 臺進(jìn)風(fēng)機(jī)和4 臺抽風(fēng)機(jī)；船首位置常常受涌浪、風(fēng)浪的影響，水汽、浪花特別大，為了減少水霧對艙室內(nèi)設(shè)備的影響，進(jìn)風(fēng)機(jī)吸口均加裝了除水霧的濾器，濾器頂部及甲板間四周安裝了牽引繩索。

4 完工調(diào)試

改造完成后，按照廠家及試驗(yàn)大綱要求，先調(diào)試各設(shè)備、系統(tǒng)，然后進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試并調(diào)整和固化各有關(guān)性能參數(shù)，再出海進(jìn)行功能測試、工況測試、EEDI 效能測試。最終海試結(jié)果表明，EEDI 效能滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié)語

我廠某VLOC船新增空氣潤滑系統(tǒng)的節(jié)能改造成功，船體摩擦力顯著降低，極大地提升了船舶減阻節(jié)能效果，達(dá)到了綠色、節(jié)能和環(huán)保的要求，對新船設(shè)計(jì)建造及類似船舶改造項(xiàng)目有一定的借鑒意義。隨著國際海事組織對船舶節(jié)能減排要求的不斷提高，空氣潤滑系統(tǒng)作為一項(xiàng)新的技術(shù)將會越來越受到船東的關(guān)注，將在更多的船舶中新增這套系統(tǒng)，經(jīng)過不斷的實(shí)踐和改進(jìn)，此項(xiàng)技術(shù)將會更加靈活高效，引領(lǐng)船舶新技術(shù)的創(chuàng)新。