新型空氣型艉密封的特點(diǎn)

CCS浙江分社 賈建雄

早期船舶，由于槳軸直徑小、轉(zhuǎn)速較低和功率較小，一般都采用水來潤滑和冷卻軸承。隨著主機(jī)功率的提高和軸徑的增大，油潤滑軸承及軸封應(yīng)運(yùn)而生。但如何確保潤滑油能有效地封閉在軸承區(qū)間而不向舷外和機(jī)艙泄漏就成了問題的關(guān)鍵。因?yàn)槁┯筒粌H增加油耗，造成潤滑不良，更會(huì)污染環(huán)境。

艉軸密封裝置能保證艉軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中有下沉、徑向跳動(dòng)及偏心運(yùn)動(dòng)、軸向竄動(dòng)等情況時(shí)具有良好的密封性，有效隔離滑油和海水、泥沙，防止尾管滑油泄漏或海水進(jìn)入機(jī)艙。所以艉密封裝置工作性能的好壞，直接影響船舶能否正常營運(yùn)，它是船舶動(dòng)力裝置的一個(gè)重要組成部分。隨著美國環(huán)保署（EPA）對(duì)進(jìn)入美國水域的船舶提出更嚴(yán)格的船舶通用許可（VGP）要求，近兩年來，一種新型的空氣型艉密封應(yīng)運(yùn)而生。

空氣型艉密封，充分利用傳統(tǒng)艉密封的型式，將原水封環(huán)和油封環(huán)之間的一個(gè)油腔改為氣腔，注入壓縮空氣，以分隔外部海水和艉軸管滑油，且有一路回收管回收可能泄漏的水和滑油至回收柜。常壓型空氣密封，通過加裝調(diào)壓裝置，將氣腔的氣源氣壓控制在恒定值P氣，在氣腔保持密封的條件下，氣腔內(nèi)氣壓P應(yīng)與P氣相等并保持恒定。

新型空氣型艉密封，是在常壓型空氣密封的基礎(chǔ)上，通過增加控制單元，調(diào)解氣腔的空氣恒流量的向海水逸出，或保證密封環(huán)之間的壓差恒定，實(shí)現(xiàn)水密封環(huán)和油密封環(huán)兩側(cè)壓力分別同步變化，其工作狀態(tài)不改變，一直能夠分別保持無磨損和僅有輕微磨損。

KEMEL公司的空氣型艉密封，主要有控制空氣單元、泄放收集單元、滑油柜單元和艉密封單元組成（圖1）。

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有更多的密閉腔室，腔室由法蘭環(huán)、中間環(huán)、蓋環(huán)等多道用螺栓互相上緊的金屬環(huán)組成，金屬環(huán)之間有4道密封環(huán)，由螺栓緊固在密封環(huán)殼體中，密封環(huán)殼體由螺栓固定在螺旋槳軸輸出端上，不隨螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)(圖2)。密封環(huán)的唇部與襯套緊密貼合，在海水壓力、滑油壓力、密封環(huán)本身的彈性以及彈簧的夾緊力共同作用下，唇部與襯套保持一定的徑向力，從而達(dá)到其密封性能，保證裝置的密封性。密封環(huán)包括0#、1#、2#、3#四道，此外靠近海水一側(cè)還裝置一道合成橡膠P環(huán)，防止?jié)O網(wǎng)及碎片進(jìn)入裝置內(nèi)。0#、1#密封環(huán)的作用是防止海水進(jìn)入尾管，0#和1#、1#和2#密封環(huán)之間是空氣腔，2#和3#密封環(huán)之間是油腔，前2道環(huán)是向后的肘拐型，后2道環(huán)是向前的肘拐型。

圖1 KEMEL空氣型艉密封

圖2 KEMEL結(jié)構(gòu)圖

圖3 KEMEL控制原理圖

空氣控制單元內(nèi)的空氣來自機(jī)艙中的控制空氣，控制空氣經(jīng)空氣控制單元降為Pc，在氣控單元控制面板的左上方有一個(gè)流量計(jì)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)空氣流量，壓縮空氣經(jīng)氣控單元后一部分進(jìn)入艉密封單元的空氣腔室，另一部分進(jìn)入滑油柜單元，控制滑油柜內(nèi)的壓力?？諝馇粌?nèi)的空氣一部分經(jīng)泄放孔泄放到海水中，一部分進(jìn)入泄放收集單元，通過其上的節(jié)流閥泄放到艙底。該密封裝置還包含滑油柜和滑油泵?；凸駷榉忾]式油柜，船舶吃水變化時(shí)艉密封處的海水壓力也變化，當(dāng)海水壓力升高時(shí)空氣的背壓升高，空氣控制單元自動(dòng)調(diào)整空氣壓力，始終保證空氣腔內(nèi)的壓力高于海水壓力，保證海水不進(jìn)入空氣腔。當(dāng)空氣腔內(nèi)壓力升高時(shí)，滑油柜單元內(nèi)的壓力也會(huì)升高，這樣滑油泵的出口壓力也會(huì)升高，使艉密封油腔的壓力始終高于氣腔的壓力。

該空氣控制單元為流量恒定的單元，監(jiān)測(cè)并調(diào)節(jié)空氣流量，保證在任何情況下氣腔的空氣恒流量地向海水逸出。

1、對(duì)于水密封環(huán)，氣腔空氣恒流量地流過水密封環(huán)向海水逸出，水密封環(huán)的工作壓力基本為零，并由空氣隔開水密封環(huán)和密封套筒，極好地保證了水封環(huán)的工作壽命。

2、對(duì)于油密封環(huán)，假設(shè)控制單元出口處氣壓為Pc。氣腔內(nèi)的氣壓P氣腔，等于Pc減去C點(diǎn)至氣腔這一段管路的流動(dòng)阻力損耗。考慮空氣流動(dòng)阻力損耗甚小，可認(rèn)為P氣腔近似等于Pc。

油側(cè)壓力先考慮油泵不啟動(dòng)，滑油不循環(huán)時(shí)的狀態(tài)，按靜壓傳遞原理，油側(cè)壓力P油=P油柜內(nèi)氣壓+油柜壓頭(該設(shè)備一般設(shè)置為0.3MPa)，由于控制單元出口點(diǎn)至尾軸滑油高置壓力油箱壓力這一路氣管中空氣僅有輕微流動(dòng)或不流動(dòng)，P油柜內(nèi)氣壓=Pc，所以P油=Pc+0.3MPa。在油泵驅(qū)動(dòng)滑油循環(huán)時(shí)，考慮滑油流速低，阻力損耗不大，且循環(huán)是由油泵驅(qū)動(dòng)，仍可認(rèn)為P油=Pc+0.3MPa。

兩相比較，油密封環(huán)工作在最佳工作壓差0.3MPa下，既保證了良好的密封性能，又保證了油密封環(huán)和密封套筒僅有輕微磨損。

3、外界水壓力變化的影響?？諝饪刂茊卧ＷC在任何情況下，氣腔的空氣恒流量地向海水逸出。氣腔內(nèi)的氣壓P氣腔=P水+△P（△P：空氣抬起水封環(huán)向外逸出所需要的壓力）。因流量恒定，水封環(huán)抬起的高度基本不變，△p基本恒定，所以，氣腔壓力P氣腔可隨時(shí)反映外界水的壓力P水。控制單元出口壓力為Pc，根據(jù)流量方程：Q=ρVA（流量Q，密度ρ，流通面積A等均為固定值，所以流速V也是固定值）。再根據(jù)氣體一元定常流動(dòng)的伯努里方程(理想流體，不考慮流動(dòng)阻力，且忽略氣體重力的影響)：P/γ+V2/2g=常數(shù)，對(duì)于控制單元出口點(diǎn)和氣腔兩個(gè)界面，V2／29項(xiàng)的差值△(V2／29)也為一固定值，所以對(duì)于Pc和氣腔兩個(gè)界面， Pc就反映了P氣腔。綜上，Pc也就反映了外界水的壓力P水。外界水壓力P水變化時(shí)，P氣腔相應(yīng)變化，Pc也相應(yīng)變化。

水密封環(huán)和油密封環(huán)兩側(cè)壓力分別同步變化，其工作狀態(tài)不改變，一直能夠分別保持無磨損和僅有輕微磨損。

瓦錫蘭OLS4A-P空氣型艉密封，其與LEMEL公司空氣型艉密封結(jié)構(gòu)和原理均類似，但其核心是采用壓差控制單元，檢測(cè)并確保密封環(huán)之間的壓差恒定，確保恒定壓力的空氣從氣環(huán)逸出到海水中，使密封環(huán)達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。

Blohm+Voss Industries公司Simplex-Compact SC 2000空氣型艉密封(圖4)，其4道密封環(huán)是3前1后布置，三腔內(nèi)分別為海水、空氣和油。其核心原理是設(shè)置吃水傳感器，根據(jù)吃水調(diào)整氣腔壓力始終比海水腔的壓力小0.1bar，確保1#密封環(huán)處于最優(yōu)狀態(tài)。由于密封環(huán)的方向和海水的徑向壓力，密封環(huán)被壓緊到白缸套上。如果萬一海水進(jìn)入氣腔可通過控制電磁閥Y2，將空氣腔內(nèi)的海水泄艙底。

VGP規(guī)定所有船舶上的所有油水界面上必須使用環(huán)保潤滑油（EAL），除非技術(shù)上不可行。2013VGP于2012年12月19日正式生效。

技術(shù)上不可行的內(nèi)容及應(yīng)采取的措施：沒有經(jīng)認(rèn)可的滿足設(shè)備（如油封）制造商規(guī)格書要求的EALS可供使用；設(shè)備裝在船上前就因無法獲得EALS而使用了非EALS；船舶所到各港口無法獲得滿足制造商規(guī)格書要求的EALS；必須等船舶下次進(jìn)塢才能更換或使用EALS。此外，VGP明確指出如果技術(shù)上不可行，應(yīng)將關(guān)于油水界面上使用EAL不可行的原因文檔保存在船上；上述文檔必須包含在年度報(bào)告中，結(jié)合年度報(bào)告上報(bào)EPA。

圖4 SC 2000結(jié)構(gòu)圖

圖5 SC 2000控制原理圖

據(jù)上，對(duì)于KEMEL公司和瓦錫蘭OLS4A-P等類似原理的新型空氣型艉密封，當(dāng)密封環(huán)密封性變差或失效時(shí)，滑油或海水(可能性比滑油更小)會(huì)進(jìn)入空氣腔。但進(jìn)入的滑油或海水會(huì)被空氣帶入泄放收集單元，不會(huì)造成海水進(jìn)入尾管或滑油漏入海水的情況；而泄放收集單元有高位報(bào)警，可由此判斷密封環(huán)的性能是否變差或失效。對(duì)于如SC 2000等類似原理的艉密封，當(dāng)密封環(huán)失效時(shí)，海水進(jìn)入空氣腔，電磁閥會(huì)打開將其泄放到艙底。

除上述外，對(duì)于向外排空氣的新型空氣型艉密封的顯著特征是末端多一道P環(huán)，可以有效防止?jié)O網(wǎng)等碎片攪入艉密封裝置，密封環(huán)增加了一層保障。

根據(jù)新型空氣型艉密封的結(jié)構(gòu)特征和特殊操作等情況分析，結(jié)合VGP對(duì)EAL的要求和EPA對(duì)空氣型密封是否需使用EAL的聲明，可以得出結(jié)論：使用新型空氣型艉密封后，不存在油水界面，故不需要將傳統(tǒng)的尾管滑油更換為EAL便可滿足VGP的要求。

目前，某些廠家的新型艉密封已獲得不需要使用EAL的許可。2014年3月17日DNV GL通過了對(duì)SIMPLEX COMPACT空氣型艉密封評(píng)估認(rèn)證，認(rèn)為其不存在油水界面，不需要更換為EAL。Wartsila也于2014年3月4日宣布其Airguard和Oceanguard型艉密封不存在油水界面，不需要更換EAL。KEMEL公司新型空氣型艉密封也在申請(qǐng)IACS各船級(jí)社的認(rèn)證。

當(dāng)前，前往美國水域的商船均需滿足VGP的要求。就油水界面使用EAL而言，對(duì)于安裝了(或即將安裝)新型空氣型艉密封的船舶，船東應(yīng)積極與艉密封制造廠聯(lián)系，以取得是否存在油水界面的聲明。當(dāng)然，艉密封生產(chǎn)廠家應(yīng)積極爭(zhēng)取EPA或第三方機(jī)構(gòu)對(duì)其新型產(chǎn)品滿足VGP要求的認(rèn)可，以便更好地服務(wù)船東。