基于油液分析的船舶尾軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

王永堅(jiān)，陳景鋒，楊小明

(1．集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021;2．福建省廈門(mén)輪船公司，福建 廈門(mén) 361021)

0 引言

船舶尾軸管裝置 (尾軸及軸承)是推進(jìn)裝置軸系組成中最關(guān)鍵部件之一，該裝置穿出船體與螺旋槳連接．尾軸及軸承工作條件十分惡劣，除了承受各種機(jī)械應(yīng)力、海水腐蝕之外，還存在嚴(yán)重的磨損問(wèn)題．油潤(rùn)滑尾軸及軸承工作的好壞，不僅影響船舶的航行安全，而且會(huì)對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生較大的污染．因此，運(yùn)用科學(xué)、有效的監(jiān)測(cè)方法，定期對(duì)尾軸及軸承的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)對(duì)尾軸承進(jìn)行故障預(yù)警，可為輪機(jī)人員科學(xué)換油以及對(duì)尾軸承開(kāi)展視情維修提供技術(shù)支持．由于尾軸承潤(rùn)滑油的使用狀態(tài)與尾軸及軸承的工作技術(shù)狀況密切相關(guān)，因此，使用油液監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)尾軸油進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題，及時(shí)采取合理檢修措施，避免故障的發(fā)生，已成為尾軸承維護(hù)保養(yǎng)重要而有效的方法之一．

1 油液監(jiān)測(cè)分析技術(shù)

油液監(jiān)測(cè)分析技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，通過(guò)采集機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑油油樣，利用不同的檢測(cè)手段，分析油樣的理化性能指標(biāo)及油樣中所攜帶摩擦副磨損顆粒數(shù)量與特征，從定性、定量?jī)蓚€(gè)方面來(lái)判斷機(jī)械設(shè)備摩擦副的技術(shù)狀態(tài)并進(jìn)行故障的早期預(yù)警，預(yù)測(cè)受檢油液的殘余壽命，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛．其主要技術(shù)分析手段包括理化性能、鐵譜、原子光譜以及污染度 (顆粒計(jì)數(shù))的檢測(cè)與分析[1]．

理化性能分析側(cè)重對(duì)油樣理化性能指標(biāo) (粘度、閃點(diǎn)等)開(kāi)展檢測(cè)與分析，其目的在于發(fā)現(xiàn)在用潤(rùn)滑油性能的變化及衰變程度，在確保設(shè)備處于可靠潤(rùn)滑的前提下，為確定合理、經(jīng)濟(jì)的換油周期提供技術(shù)支持，盡可能延長(zhǎng)潤(rùn)滑油使用壽命．

鐵譜分析包括直讀鐵譜和分析鐵譜的檢測(cè)與分析，通過(guò)鐵譜分析可對(duì)在用潤(rùn)滑油所含磨損顆粒形狀、表面紋理、邊緣、顏色等進(jìn)行形貌分析以及油樣中大、小磨損顆粒濃度進(jìn)行分析[2]，進(jìn)而判斷摩擦副的磨損狀態(tài)，確定磨損部位與磨損機(jī)理，為故障的早期發(fā)現(xiàn)提供技術(shù)參考．

原子光譜分析主要用于檢測(cè)在用潤(rùn)滑油所含金屬和非金屬元素的成分、含量及其變化趨勢(shì)[3]．主要目的:通過(guò)分析油液中磨粒元素的成分及含量，根據(jù)設(shè)備摩擦副材料成分判斷磨粒產(chǎn)生的部位;通過(guò)分析潤(rùn)滑油添加劑元素及污染物元素的成分及含量，根據(jù)潤(rùn)滑油的性能要求判斷潤(rùn)滑油的劣化程度和氧化變質(zhì)情況;根據(jù)磨粒的增長(zhǎng)率可以判斷摩擦副的磨損趨勢(shì)及嚴(yán)重程度．

污染度 (顆粒計(jì)數(shù))分析用于對(duì)機(jī)械設(shè)備油液污染度進(jìn)行評(píng)定，通過(guò)測(cè)定單位容積油液中不同直徑范圍 (5 ～15 μm、15 ～25 μm、25 ～50 μm、50 ～100 μm、≥100 μm)[1]固體顆粒污染物的含量，來(lái)判斷設(shè)備或摩擦副受顆粒污染物的危害程度．

這四種油液分析技術(shù)在設(shè)備及摩擦副技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷過(guò)程中各有特色，互為補(bǔ)充[4]．通過(guò)潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)查找設(shè)備或摩擦副的故障過(guò)程中，通常重點(diǎn)查找每種分析方法中最能反映設(shè)備技術(shù)狀態(tài)和故障問(wèn)題的核心指標(biāo) (其他指標(biāo)作為輔助指標(biāo))來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)備技術(shù)狀態(tài)以及可能存在的故障問(wèn)題，檢測(cè)人員會(huì)采用適當(dāng)理論分析方法和經(jīng)驗(yàn)判斷[5]，對(duì)設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)給出最佳的評(píng)判意見(jiàn)，對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題提出故障預(yù)警．

2 船舶尾軸管裝置潤(rùn)滑系統(tǒng)及油液檢測(cè)要求

2.1 尾軸管裝置潤(rùn)滑系統(tǒng)

尾軸管裝置一般由尾軸管、尾軸承、密封裝置以及潤(rùn)滑、冷卻等部分組成[6]．在油潤(rùn)滑的尾軸管裝置中，尾軸承絕大多數(shù)采用白合金材料[6]．本文受控船舶尾軸承使用的材料為鉛基巴氏白合金，其型號(hào)為PbSb10Sn6．受控船舶尾軸管裝置潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖1所示，用手搖泵或電動(dòng)泵將潤(rùn)滑油注入重力油柜A，重力油柜內(nèi)設(shè)有低油位報(bào)警．正常情況下尾軸管內(nèi)始終充滿(mǎn)潤(rùn)滑油，消耗后由重力油柜自動(dòng)補(bǔ)給，尾軸管中的潤(rùn)滑油可經(jīng)截止閥流至回油柜D，通過(guò)截止閥可調(diào)節(jié)回油快慢程度．B、C分別為尾密封和首密封油柜．

2.2 尾軸油檢測(cè)要求

尾軸管裝置是船舶的重要裝置之一，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社 (CCS)《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于裝有認(rèn)可油封裝置的尾軸管裝置和螺旋槳軸 (尾軸)每5年必須接受一次特殊檢驗(yàn)(抽軸檢驗(yàn))，每年均要進(jìn)行年度檢驗(yàn)．但對(duì)于裝有基于油液監(jiān)測(cè)分析技術(shù)的螺旋槳軸 (尾軸)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) (SMC)如其油液監(jiān)控記錄參數(shù)都在正常范圍內(nèi)，則螺旋槳軸抽出檢驗(yàn)間隔期可為10年，年度檢驗(yàn)時(shí)只進(jìn)行確認(rèn)性檢查[7]．根據(jù)CCS尾軸油檢驗(yàn)要求，需檢測(cè)理化、元素含量、金屬磨粒形貌及潤(rùn)滑油濃度．

3 尾軸承油液監(jiān)測(cè)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析

3.1 受控船基本資料與取樣過(guò)程

受監(jiān)控船舶是某輪船公司一艘2009年9月投入運(yùn)營(yíng)的散貨船，該船載質(zhì)量噸57080DWT，單機(jī)單槳，CCS船級(jí)，主機(jī)型號(hào) SULZER 6RT－flex50B，功率9480 kW，轉(zhuǎn)速124 r/min;尾軸承采用鉛基白合金材料 (PbSb10Sn6)，尾軸管裝置潤(rùn)滑系統(tǒng)采用帶有Simplex首尾密封的油潤(rùn)滑系統(tǒng)，其潤(rùn)滑方式如圖1所示．表1為該輪尾軸承新潤(rùn)滑油 (殼牌Melinas30)理化指標(biāo)一覽表．

圖1 尾軸管裝置潤(rùn)滑系統(tǒng)Fig.1 Diagram of lube oil system for stern tube device

表1 某輪尾軸承新潤(rùn)滑油 (Melinas30)理化指標(biāo)一覽表Tab.1 Physicochemical index of stern bearing's new lube oil(Melinas30)

根據(jù)CCS船舶尾軸管裝置油液監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求，以受控船油潤(rùn)滑尾軸承作為監(jiān)控對(duì)象，從2012年2月起開(kāi)始對(duì)該船尾軸承所使用的潤(rùn)滑油 (殼牌Melinas30)每間隔150 h為一個(gè)監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)周期 (共10個(gè)取樣周期)，按照CCS有關(guān)尾軸管裝置油液檢測(cè)取樣要求 (尾軸處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定狀態(tài)下從取樣閥取樣)進(jìn)行取樣，并將采集油樣送至油液檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行油樣的理化、鐵譜、光譜和污染度各指標(biāo)的檢驗(yàn)，獲取相應(yīng)檢測(cè)數(shù)值．

3.2 油液監(jiān)測(cè)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)受控船尾軸承潤(rùn)滑油的取樣周期，按規(guī)定的時(shí)間對(duì)受控船尾軸承潤(rùn)滑油進(jìn)行取樣并送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各種性能參數(shù)的檢測(cè)．根據(jù)CCS船舶螺旋槳軸 (尾軸)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) (SMC)潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的要求，對(duì)每批次油樣分別用四種檢測(cè)分析方式進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)取、整理、匯總，結(jié)合船舶尾軸承的運(yùn)行環(huán)境 (溫度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)阻力、新油補(bǔ)充量等)，針對(duì)每種檢測(cè)手段中的典型指標(biāo)或參數(shù)進(jìn)行分析，給出每取樣周期油液的品質(zhì)所反映的尾軸承技術(shù)狀態(tài)和可能存在的故障問(wèn)題，以及取樣周期內(nèi)檢測(cè)參數(shù)的圖表變化趨勢(shì)及規(guī)律，最終給出尾軸油的品質(zhì)和尾軸承的技術(shù)狀態(tài)的診斷意見(jiàn)，并及時(shí)發(fā)出故障預(yù)警．

3.2.1 理化指標(biāo)的監(jiān)測(cè)與分析

表2為受控船尾軸承潤(rùn)滑油十次取樣周期 (使用時(shí)間150～1500 h)主要理化指標(biāo)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，從表2中可以看出，潤(rùn)滑油隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)理化指標(biāo)參數(shù)值均往油質(zhì)變差的方向發(fā)展．在使用750 h的時(shí)間點(diǎn)附近，由于對(duì)尾軸承潤(rùn)滑油進(jìn)行新油補(bǔ)充操作，部分理化指標(biāo)有所改善．理化指標(biāo)監(jiān)測(cè)分析說(shuō)明:1)粘度變粘變稠，存在被氧化、污染的可能;2)水分增加說(shuō)明尾密封可能存在內(nèi)漏;3)機(jī)械雜質(zhì)增多反映尾軸承與軸頸可能存在一定的磨損，該參數(shù)也是評(píng)判尾軸承技術(shù)狀態(tài)和可能存在故障的重要指標(biāo)之一，它的變化趨勢(shì)如圖2所示．不過(guò)，單從理化指標(biāo)的分析只能較為明確地得出尾軸油品質(zhì)正在劣化，存在氧化和受污染的問(wèn)題，無(wú)法科學(xué)地評(píng)判尾軸承的技術(shù)狀態(tài)和可能出現(xiàn)的故障問(wèn)題，需進(jìn)行其他項(xiàng)目檢測(cè)．

表2 船舶尾軸承潤(rùn)滑油理化指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)(10次)一覽表Tab.2 Test data(10times)for stern bearing lube oil's physicochemical index

圖2 機(jī)械雜質(zhì)變化趨勢(shì)圖Fig.2 Diagram of sediment change trend

圖3 尾軸承潤(rùn)滑油直讀鐵譜大小磨粒濃度柱狀圖Fig.3 Bar chart of direct reading ferrography's large and small wear particle concentration for stern bearing lube oil

3.2.2 鐵譜、光譜和污染度監(jiān)測(cè)與分析

根據(jù)螺旋槳軸 (尾軸)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) (SMC)潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)相關(guān)要求，為進(jìn)一步了解受控船尾軸承與軸頸的技術(shù)狀態(tài)和可能存在的故障問(wèn)題，對(duì)每個(gè)取樣周期的油樣 (共10次)除完成理化指標(biāo)的檢測(cè)之外，還按照國(guó)標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行直讀鐵譜、分析鐵譜、元素原子發(fā)射光譜以及污染度的檢測(cè)，獲取相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和鐵譜片(見(jiàn)圖3、4、5和表3、4)，采用圖表等方式分析各參數(shù)指標(biāo)的變化趨勢(shì)．現(xiàn)結(jié)合所測(cè)取的數(shù)據(jù)和鐵譜片分析如下:

1)圖3為受控船10次取樣周期油樣直讀鐵譜檢測(cè)獲得的大小磨粒濃度的數(shù)據(jù)及其變化趨勢(shì)的柱狀圖，從中可清楚看出，尾軸承油樣中鐵磁大磨粒濃度 (無(wú)量綱)DL和小磨粒濃度(無(wú)量綱)DS均隨尾軸油使用時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸加大，在1350～1500 h區(qū)間內(nèi)，大、小磨粒濃度均處于較高濃度狀態(tài)，1500 h時(shí)大、小磨粒濃度分別達(dá)到25.6、13.9，這兩個(gè)數(shù)值盡管在允許范圍之內(nèi)，但濃度均偏高，說(shuō)明尾軸承摩擦副存在一定程度的磨損，致使油中鐵磁顆粒不斷增加．表3為受控船9次間隔周期內(nèi) (150 h)，大、小磨粒濃度變化量表，從中可看出，從1050 h取樣期到1500 h時(shí)，三個(gè)間隔期內(nèi)大、小磨粒濃度變化量大于取樣初間隔期的變化，結(jié)合理化指標(biāo)中機(jī)械雜質(zhì)濃度的增大，均反映尾軸承磨損正在加劇．

表3 尾軸承潤(rùn)滑油直讀鐵譜濃度的變化量一覽表Tab.3 The list of concentration variation of direct reading ferrography for stern bearing lube oil

表4 受控船尾軸承潤(rùn)滑油6種典型金屬元素含量(10次)一覽表Tab．4 The list of six representative metal element content of stern bearing lube oil

2)表4為受控船尾軸承潤(rùn)滑油10次取樣周期油樣中 6種重要元素[8](鐵、銅、鉻、銻、錫、鉛)的光譜數(shù)據(jù)，從中可以看出這些金屬元素的濃度正在不斷增加，特別是鐵、銅元素的濃度變化較大，錫、鉛濃度已接近警告值．此外，通過(guò)油樣污染度的測(cè)定，尾軸油的污染度等級(jí) (見(jiàn)圖4)也在逐漸加大，污染度測(cè)定結(jié)果表明尾軸油中不同磨粒直徑范圍的顆粒數(shù)隨使用時(shí)間的增長(zhǎng)，正以較快的增長(zhǎng)率在增大．綜合分析，顯然，尾軸承除了磨損偏重外，可能出現(xiàn)局部擦傷的問(wèn)題．

圖4 尾軸承潤(rùn)滑油NAS1638污染度等級(jí)變化趨勢(shì)圖Fig.4 Diagram for ranking of NAS1638 pollution degree change trend for stern bearing lube oil

3)為了進(jìn)一步明確受控船尾軸承可能存在的故障問(wèn)題，對(duì)1500 h時(shí)的油樣進(jìn)行鐵譜分析測(cè)定，圖5為顯微鏡下1000倍測(cè)取的鐵譜分析譜片，通過(guò)譜片可看出在1500 h時(shí)油樣出現(xiàn)較多不同性質(zhì) (主要是摩擦磨損，個(gè)別為層狀顆粒)的金屬和有色金屬小顆粒 (小于5 μm)，但也發(fā)現(xiàn)個(gè)別較大的金屬顆粒(如個(gè)別層狀顆粒長(zhǎng)度、寬度分別達(dá)到 11 μm、7 μm)．

圖5 1500 h油樣分析鐵譜片(1000倍)Fig.5 Diagram of analytical ferrogram(1000times)for lube oil sample at 1500h

3.2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)論與檢修建議

綜合四種檢測(cè)手段，測(cè)取受控船舶10個(gè)取樣周期油樣的檢測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)各種數(shù)據(jù)分析獲得的結(jié)果，可以清楚地給出如下結(jié)論:受控船尾軸承在150－1500 h的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)程中，尾軸承摩擦副的磨損量不斷加大，已呈現(xiàn)磨損偏重問(wèn)題，且在1500 h時(shí)，尾軸承可能出現(xiàn)局部擦傷．

針對(duì)受控船尾軸承可能存在的故障問(wèn)題，為避免進(jìn)一步發(fā)生更嚴(yán)重的事故，向船東提出如下的檢修建議:1)盡快換新尾軸承潤(rùn)滑油并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行徹底的清洗;2)建議縮短進(jìn)塢抽軸檢驗(yàn)時(shí)間．

4 結(jié)語(yǔ)

油液監(jiān)測(cè)分析技術(shù)是機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的主要手段之一，將該技術(shù)應(yīng)用于船舶尾軸承的狀態(tài)監(jiān)控，對(duì)全面了解尾軸承的磨損機(jī)理、嚴(yán)重程度以及故障類(lèi)型有著重要的意義，同時(shí)可及時(shí)掌握尾軸及軸承技術(shù)狀態(tài)，對(duì)尾軸承進(jìn)行故障預(yù)警，確保船舶航行安全和防止海洋污染．

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