淺談應(yīng)用環(huán)保潤(rùn)滑油情況下的尾管軸承高溫現(xiàn)象

楊世知?jiǎng)?guó)立

（1.中國(guó)船級(jí)社江蘇分社 南京210011；2.中國(guó)船級(jí)社總部 船舶建造檢驗(yàn)管理處 北京100006）

淺談應(yīng)用環(huán)保潤(rùn)滑油情況下的尾管軸承高溫現(xiàn)象

楊世知1劉國(guó)立2

（1.中國(guó)船級(jí)社江蘇分社 南京210011；2.中國(guó)船級(jí)社總部 船舶建造檢驗(yàn)管理處 北京100006）

［摘 要］美國(guó)環(huán)保署VGP 2013單方面強(qiáng)制生效，要求所有進(jìn)入美國(guó)水域的船舶在其油水界面使用環(huán)保潤(rùn)滑油（除非技術(shù)上不可行）。國(guó)內(nèi)諸多船廠包括日韓船廠在使用環(huán)保潤(rùn)滑油以后，多次發(fā)生尾管高溫報(bào)警，由此引發(fā)了行業(yè)對(duì)于環(huán)保潤(rùn)滑油的思考。文章結(jié)合環(huán)保潤(rùn)滑油的調(diào)查反饋報(bào)告，對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上梳理出若干種可能造成尾管高溫的因素并進(jìn)行逐一剖析，最后有針對(duì)性地提出一系列實(shí)施建議，供業(yè)界參考。

［關(guān)鍵詞］環(huán)保潤(rùn)滑油；VGP2013；尾管高溫

引 言

2013年12月19日，美國(guó)環(huán)保署（EPA）2013船舶通用許可（VGP）正式生效。根據(jù)VGP 2013 第2部分第2.2.9條規(guī)定：在美國(guó)水域，凡長(zhǎng)度超過(guò)79 ft（約24 m）的所有商船在油水界面上必須使用環(huán)保潤(rùn)滑油（Environmentally Acceptable Lubricants，以下簡(jiǎn)稱(chēng)EALs），除非技術(shù)上不可行。這是EPA VGP 2013對(duì)船舶正常營(yíng)運(yùn)中易于發(fā)生排放位置提出的最新要求。同時(shí)，美國(guó)環(huán)保署與海岸防衛(wèi)隊(duì)之間簽署備忘錄授權(quán)其監(jiān)管VGP的實(shí)施［1］。

環(huán)保潤(rùn)滑油的概念早在10年前就已提出，其初衷在于緩解船舶碰撞、船舶水下維護(hù)保養(yǎng)等可能給港口等水域造成的環(huán)境污染。自VGP 2013強(qiáng)制生效以來(lái)，環(huán)保潤(rùn)滑油在中國(guó)造船市場(chǎng)刮起一陣“熱潮”。伴隨EALs密集出現(xiàn)的船舶尾管高溫頻發(fā)現(xiàn)象，讓環(huán)保潤(rùn)滑油熱度至今不減。業(yè)界紛紛展開(kāi)尾管高溫的相關(guān)調(diào)查研究，但研究結(jié)果層出不窮，至今尚無(wú)定論。自2013年美國(guó)環(huán)保署發(fā)布VGP 2013要求以來(lái)，中國(guó)船級(jí)社即開(kāi)始關(guān)注并跟蹤市場(chǎng)使用情況。對(duì)于高溫報(bào)警案例，有針對(duì)性地編制調(diào)查信息反饋表，在高溫報(bào)警比較集中的轄區(qū)，開(kāi)展調(diào)查研究，并于2014年11月7日在江蘇南京成功召開(kāi)“美國(guó)環(huán)保署環(huán)保潤(rùn)滑油應(yīng)用研討會(huì)”。在此背景下，本文對(duì)尾管高溫的成因進(jìn)行系統(tǒng)性分析，并將有關(guān)情況總結(jié)如下。

1 EALs的適用范圍

根據(jù)VGP 2013第2.2.9條規(guī)定：EALs適用于2013年12月19日及以后進(jìn)入美國(guó)水域，船長(zhǎng)大于等于79英尺所有商船，在其油水界面必須使用EALs（除非技術(shù)上不可行）［2］。

EALs：系指“可生物降解”和“最低限度毒性”以及VGP定義的“非生物積聚”三類(lèi)潤(rùn)滑油。就VGP的目的而言，滿(mǎn)足通用許可定義的EALs包括那些通過(guò)以下認(rèn)證并獲得標(biāo)識(shí)的油品：

（1）German Blue Angel（藍(lán)天使）。

（2）European Eco-label（歐洲之花）。

（3）Nordic Swan（北歐天鵝）。

（4）the Swedish Standards SS 155434 and 155470（瑞典標(biāo)準(zhǔn)）。

（5）Convention for the Protection of the Marine Environment of the North-East Atlantic （OSPAR）requirements ）（《東北大西洋海洋環(huán)境保護(hù)公約》（OSPAR）要求）。

（6）EPA's Design for the Environment （DfE）（EPA的環(huán)境設(shè)計(jì)項(xiàng)目）。

油水界面：可調(diào)距槳、推進(jìn)器液壓油及其他油水界面（明輪、尾軸管、螺旋槳軸承、減搖裝置、舵承、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、吊艙式推進(jìn)器、浸沒(méi)的鋼絲繩和機(jī)械設(shè)備）。

技術(shù)上不可行，主要分為以下幾種情況：

（1）沒(méi)有經(jīng)認(rèn)可的滿(mǎn)足設(shè)備制造商規(guī)格書(shū)要求的EALs產(chǎn)品（如油封）可供使用。

（2）需預(yù)潤(rùn)滑的設(shè)備（如鋼絲繩）沒(méi)有可用EALs替代產(chǎn)品。

（3）船舶航經(jīng)港口內(nèi)無(wú)法獲得滿(mǎn)足制造商規(guī)格書(shū)要求的EALs產(chǎn)品。

（4）必須等到船舶下次進(jìn)干塢才能更換或使用EALs。

（5）美國(guó)水域：沿海3 n mile。

（6）商船：除私人游艇和美國(guó)軍艦以外從事商業(yè)用途的船舶。

2 EALs高溫案例分析

自2013年12月19日VGP 2013強(qiáng)制生效以來(lái)，環(huán)保潤(rùn)滑油在中國(guó)的造船廠（特別是江蘇地區(qū)船廠）獲得廣泛應(yīng)用，但環(huán)保潤(rùn)滑油在使用過(guò)程中尾管高溫的現(xiàn)象比較明顯。部分船廠在使用環(huán)保潤(rùn)滑油以后，都不同程度出現(xiàn)尾管高溫，甚至出現(xiàn)尾管軸瓦燒毀情況（如圖1所示）。

圖1 艉管高溫造成尾軸承燒傷

業(yè)界對(duì)于尾管高溫成因眾說(shuō)紛紜、莫衷一是，軸系設(shè)計(jì)、安裝工藝、校中工藝、精度控制以及油品特性等都有可能造成尾管高溫。根據(jù)初步掌握的高溫報(bào)警情況，我分社全面梳理可能影響尾管高溫的主要因素，以調(diào)查報(bào)告的形式發(fā)至轄區(qū)各船廠。根據(jù)反饋情況，調(diào)查報(bào)告中重點(diǎn)保留以下三個(gè)方面，供后續(xù)進(jìn)一步分析（統(tǒng)計(jì)結(jié)果截止至2014年12月1日）：

（1）尾軸支撐型式（有無(wú)尾管前軸承）。

（2）高溫時(shí)船舶狀態(tài)（螺旋槳附加彎矩），例如系泊擬或試航，螺旋槳是否全浸沒(méi)、是否全回轉(zhuǎn)階段、螺旋槳轉(zhuǎn)速。

（3）環(huán)保潤(rùn)滑油特性。例如：粘度、牌號(hào)、尾管高溫報(bào)警時(shí)是否乳化（水溶性問(wèn)題）。注：調(diào)查反饋滑油均無(wú)乳化，保留粘度等級(jí)進(jìn)行分析。

2.1 尾軸支撐型式

尾軸支撐型式分單支撐（無(wú)尾管前軸承）和雙支撐（設(shè)尾管前軸承）。考慮到單支撐的受力、軸系載荷分布同雙支撐不一致，且兩者之間安裝、校中工藝要求存在細(xì)微變化。因此，在調(diào)查報(bào)告中，重點(diǎn)對(duì)于尾軸支撐型式作了統(tǒng)計(jì)分析。尾管高溫多出現(xiàn)在單支撐（無(wú)尾管前軸承）的情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 調(diào)查報(bào)告統(tǒng)計(jì)a（尾軸支撐型式）

據(jù)不完全的現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，尾管高溫案例中單支撐情況居多。于是，我們提出疑問(wèn)：?jiǎn)沃魏碗p支撐之間有何區(qū)別，如何在兩者之間進(jìn)行合理選擇？研究表明：在無(wú)尾管前軸承的情況下，尾管后軸承局部載荷加大，則會(huì)同時(shí)要求船廠提高施工工藝精度。表2詳細(xì)對(duì)比了兩者之間的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

表2 尾管支撐形式優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

建議：

在軸系頂升階段，如果船廠工藝能夠做到不需要調(diào)整中間軸承，推薦采用無(wú)前軸承的布置。因?yàn)檫@種布置對(duì)于船體梁變形的適應(yīng)性更強(qiáng)。

如果不能保證船廠工藝，則可能需要調(diào)整中間軸承。為安全起見(jiàn)，推薦采用前軸承的設(shè)計(jì)。因?yàn)轫斏A段對(duì)于中間軸承的調(diào)整，無(wú)前軸承的設(shè)置對(duì)尾管后軸承與軸的相對(duì)傾角影響很大；稍有不慎，就可能造成邊緣負(fù)荷過(guò)大。此外，軸系校中計(jì)算書(shū)對(duì)于船體梁變形量（特別是校中階段的船體梁狀態(tài)）以及主機(jī)和中間軸承的支撐區(qū)域結(jié)構(gòu)變形情況無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)。對(duì)于此種情況，建議采用尾管前軸承的設(shè)計(jì)方案［3］。

2.2 螺旋槳附加彎矩

據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，軸承損壞大多出現(xiàn)在尾管后部。于是在調(diào)查反饋表中，特別添加船舶高溫時(shí)的狀態(tài)，例如系泊階段、全回轉(zhuǎn)階段、螺旋槳是否全浸沒(méi)等。

表3 調(diào)查報(bào)告統(tǒng)計(jì)2（螺旋槳附加彎矩分析）

從現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，系泊階段和高速操舵全回轉(zhuǎn)階段為尾管高溫現(xiàn)象多發(fā)階段，其中系泊階段高溫問(wèn)題居多，其次為右滿(mǎn)舵全回轉(zhuǎn)階段（右旋槳）?？赡茉蚍治鋈缦拢?/p>

（1）系泊階段螺旋槳非全浸沒(méi)，軸系校中計(jì)算書(shū)一般要求為螺旋槳50%浸沒(méi)。此時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生推力，推力直接作用在螺旋槳下部，產(chǎn)生附加彎矩，使得尾管后軸承負(fù)荷加大，軸-軸承相對(duì)傾角增大，尾部軸系間隙變小，油膜較難建立。

（2）系泊試驗(yàn)階段，主機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，油膜尚未完全建立。

（3）全回轉(zhuǎn)階段，特別是高速操舵全回轉(zhuǎn)階段，螺旋槳尾流場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致螺旋槳產(chǎn)生不定常的附加彎矩；尤其在惡劣海況（螺旋槳可能出現(xiàn)飛車(chē)現(xiàn)象），容易造成尾管高溫。

（4）右滿(mǎn)舵全回轉(zhuǎn)時(shí)，尾管溫度一般均略有上升，其原因是右旋槳的推力中心一般集中在第一象限（右上角），右滿(mǎn)舵時(shí)，受舵葉影響，螺旋槳第一象限尾流場(chǎng)壓力增大，同螺旋槳推力呈疊加效應(yīng)，因此，右旋槳在右滿(mǎn)舵全回轉(zhuǎn)時(shí)，容易高溫。

注：部分船級(jí)社建議，附加彎矩區(qū)間限定在螺旋槳扭矩的-15% ～ 40%之間。由建議值可見(jiàn)，對(duì)于負(fù)值要求相對(duì)嚴(yán)格得多。

圖2 螺旋槳作用在尾軸承上附加彎矩

建議：

（1）優(yōu)化軸系設(shè)計(jì)，盡量降低尾軸承載荷，提高尾軸承可承受載荷冗余度。

（2）盡量避免螺旋槳非全浸沒(méi)下高速運(yùn)轉(zhuǎn)。低速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，在滿(mǎn)足我社要求的前提下，盡量選擇油品提供商提供的建議轉(zhuǎn)速區(qū)間。

（3）主機(jī)盡量避免在惡劣工況下（特別是螺旋槳飛車(chē)時(shí)）高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 EALs粘度等級(jí)

調(diào)查結(jié)果分析：

（1）據(jù)目前掌握情況，有船廠先采用礦物油做系泊試驗(yàn)，然后在試航后期更換成環(huán)保油，特別是提高滑油粘度至150等級(jí)后獲得較好效果，但也有失敗案例發(fā)生。

（2）從現(xiàn)場(chǎng)反饋來(lái)看，滑油粘度等級(jí)提高以后，異常高溫現(xiàn)象相對(duì)減少。

油品提供商指出：試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，環(huán)保潤(rùn)滑油和礦物油相比在粘度等級(jí)、冷卻、耐壓、流動(dòng)性等特性上無(wú)較大差異，有關(guān)粘度問(wèn)題部分船廠也通過(guò)后期化驗(yàn)得以驗(yàn)證。因此對(duì)于尾密封廠家推薦的油品清單中不包括150粘度等級(jí)的情況，油品提供商不建議船廠單方面更改滑油粘度等級(jí)。

表4 調(diào)查報(bào)告統(tǒng)計(jì)3（EALs粘度等級(jí)）

3 尾管高溫的成因分析

從目前掌握的情況來(lái)看，每個(gè)船廠使用的環(huán)保潤(rùn)滑油品質(zhì)可能存在差異。不同的船型設(shè)計(jì)、船廠施工工藝、施工隊(duì)伍精度控制都存在差異，具體到每一個(gè)案例可能形成尾管高溫的原因也各不相同。因此，形成尾管高溫具有多方面因素，很難單方面歸罪于某種因素，準(zhǔn)確地說(shuō)，是多種因素綜合起來(lái)共同導(dǎo)致尾管高溫現(xiàn)象頻發(fā)。就目前統(tǒng)計(jì)來(lái)看，可能情況歸納為：無(wú)尾管前軸承設(shè)置，導(dǎo)致尾軸承負(fù)荷整體增大；同時(shí)對(duì)于施工工藝精度要求增高，造成軸-軸承之間相對(duì)轉(zhuǎn)角過(guò)大；軸瓦受力不均；形成較大的邊緣負(fù)荷；軸瓦較難形成足夠厚度油膜；在邊緣負(fù)荷較大的情況下，EALs相對(duì)礦物油更難形成足夠厚度油膜，最終導(dǎo)致尾管高溫。

4 建議與措施

盡管尾管高溫由多方面因素造成，但任何單個(gè)因素的改進(jìn)也可能較大程度地避免高溫現(xiàn)象的發(fā)生。因此，我們提出以下建議：

（1）盡可能采用技術(shù)成熟、粘度等級(jí)相對(duì)較高的環(huán)保潤(rùn)滑油產(chǎn)品。

（2）優(yōu)化軸系載荷布置，盡量降低尾管后軸承上的比壓和相對(duì)傾角（雙斜度尾管）。視情況考慮增加前軸承方案（可以考慮抬高前軸承或后軸承斜鏜孔情況而不取消前軸承）。

（3）為降低尾軸相對(duì)傾角和比壓，可以視情況考慮適當(dāng)加大軸承位移量。

（4）優(yōu)化軸系校中計(jì)算，充分考慮可能影響船體變形的因素。充分考慮螺旋槳附加彎矩的影響。

（5）完善施工工藝，確保施工精度。無(wú)前軸承布置時(shí)，在軸系頂升階段，盡量避免對(duì)中間軸承的調(diào)整。如無(wú)法避免，則盡量減少其對(duì)于尾軸相對(duì)傾角的影響，例如在軸系校中計(jì)算書(shū)中，對(duì)尾軸位置進(jìn)行適當(dāng)標(biāo)定，從而有效判斷中間軸承的調(diào)整是否對(duì)尾軸存在過(guò)大影響。

（6）如能確保EALs置換充分，可先采用礦物油開(kāi)展系泊試驗(yàn)和試航，然后再更換成環(huán)保潤(rùn)滑油試驗(yàn)，以消除磨合期的影響；或在操舵試驗(yàn)、全回轉(zhuǎn)試驗(yàn)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)之前，進(jìn)行小舵角、小進(jìn)速充分磨合（Run-in time），以消除磨合期的影響。

（7）建議提升螺旋槳軸和尾管后軸承的加工工藝。例如可視情況將螺旋槳軸的表面粗糙度從1.6提升至0.8。

（8）建議優(yōu)化尾管內(nèi)滑油的泄放和取樣。例如，將尾管后部的注入泄放口進(jìn)一步后移，或在尾管后軸承的后部增設(shè)取樣泄放管路，必要時(shí)可以考慮在尾管后端增加泄放槽，以盡量減少更換滑油時(shí)尾管中滑油的殘留。

（9）建議改善投油工藝。盡量減少環(huán)保潤(rùn)滑油被參雜其他雜質(zhì)的可能性。

5 結(jié) 論

（1）進(jìn)一步完善“EALs調(diào)查反饋表”信息，收集新造船和現(xiàn)有船環(huán)保油使用情況，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，分析新造船磨合期影響；分析尾軸承比壓（0.6 N/mm2）和相對(duì)傾角（0.2×10-3rad）區(qū)間對(duì)于尾管高溫影響。

（2）調(diào)查統(tǒng)計(jì)尾管高溫案例中，軸系頂升階段調(diào)整中間軸承的情況，進(jìn)一步分析有無(wú)尾管前軸承對(duì)于軸系校中工藝的影響。

（3）密切關(guān)注提高EALs粘度等級(jí)的情況。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ Vessel General Permit for Discharges Incidental to the Normal Operation of Vessels （VGP）. 2013.

［2］ 楊世知. EPA環(huán)保潤(rùn)滑油要求及實(shí)施要點(diǎn)［J］. 中國(guó)船檢，2014（12）.

［3］ ABS. Guidance Notes on Propulsion Shafting Alignment ［S］. 2014.

［中圖分類(lèi)號(hào)］U661.4

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2015）03-0092-05

［收稿日期］2014-12-16；［修回日期］2015-01-12

［作者簡(jiǎn)介］楊世知（1984-），男，碩士，工程師（驗(yàn)船師），研究方向：船舶與海洋工程行業(yè)規(guī)范及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。劉國(guó)立（1983-），男，工程師，研究方向：船舶風(fēng)險(xiǎn)管理與規(guī)范。

Analysis of S/T high-temperature alarm along with EALs

YANG Shi-zhi1LIU Guo-li2

(1. China Classifi cation Society Jiangsu Branch, Nanjing 210011, China; 2. Administration of Ship construction & Certifi cation, CCS, Beijing 100006, China)

Abstract：VGP 2013 enforced by EPA unilaterally requests that all the commercial vessels more than 79 feet in length operating in US waters have to use EALs in all oil-to-sea interfaces of the ship “unless technically infeasible”. Many shipyards in China， some others in Japan and Korea， were faced with S/T high-temperature alarm risk after using EALs， which cause a lot of discussion about EALs. Based on some survey reports for EALs，this paper classifi es the feedback data and summaries several factors that possibly cause S/T high-temperature alarm， which are analyzed one by one. Finally some suggestions are given out to avoid S/T high-temperature alarm for industrial reference.

Keywords：EALs； VGP 2013； S/T high-temperature