4 800 kW油田守護(hù)供應(yīng)船導(dǎo)流罩振動問題的分析

張 偉

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

0 引言

4 800 kW油田守護(hù)供應(yīng)船是為海洋石油和天然氣勘探開采平臺、工程建筑設(shè)施等提供多種作業(yè)和服務(wù)的多功能守護(hù)船，其參數(shù)為：總長68.84 m，垂線間長60.0 m，型寬14.8 m，型深6.9 m，設(shè)計吃水4.6 m，全船總重約為2 157 t。該船采用雙機(jī)雙槳帶導(dǎo)流罩的可調(diào)螺距螺旋槳。在試航和運營過程中發(fā)現(xiàn)該船螺旋槳螺距在80%左右時導(dǎo)流罩振動很大進(jìn)而引起全船振動[1]，進(jìn)塢檢查后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)和槳葉稍有磨損刮擦情況。查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，這些文獻(xiàn)多是從共振、流體、艉部結(jié)構(gòu)合理性等角度分析船舶的振動問題，如：許晶等[2]對螺旋槳在不均勻流場中運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的激振力會導(dǎo)致船體振動的問題進(jìn)行了研究，通過在艉部設(shè)計并加裝整流鰭改善了振動問題。本文則從槳葉和導(dǎo)流罩設(shè)計間隙過小角度分析船體振動問題。

本文針對導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)和槳葉之間磨損刮擦問題，從導(dǎo)流罩的設(shè)計、制造、檢驗環(huán)節(jié)進(jìn)行追溯分析，最終發(fā)現(xiàn)槳葉和導(dǎo)流罩設(shè)計間隙過小，為此進(jìn)塢更換導(dǎo)流罩從而解決了此問題[3]，為相似問題提供參考解決方案。

1 振動原因分析

槳葉與導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)的間隙及導(dǎo)流罩安裝傾斜角見圖1。圖中：槳葉最大直徑為2 900 mm，導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)直徑為2 920 mm，兩者之間的間隙為10 mm。導(dǎo)流罩安裝角度為前傾1°，外翻2°。

圖1 導(dǎo)流罩與螺旋槳的布置(單位：mm)

依據(jù)GB/T 34000—2016要求：導(dǎo)流罩與槳葉的間隙設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為10 mm～槳葉最大直徑/133 mm，4 800 kW油田守護(hù)供應(yīng)船導(dǎo)流罩與槳葉的間隙應(yīng)為10～22 mm。按照設(shè)計理論，導(dǎo)流罩與槳葉之間間隙越小，水流穿過導(dǎo)流罩和槳葉時紊流情況就越小，所以設(shè)計時該船導(dǎo)流罩與槳葉的間隙定為10 mm理論上是可行的。

在試航和運營時發(fā)現(xiàn)該船導(dǎo)流罩振動并引起全船振動的情況。經(jīng)多次進(jìn)塢檢查發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)流罩與槳葉間隙偏小，最小間隙為4.1 mm；槳葉邊緣有明顯磨損，導(dǎo)流罩不銹鋼環(huán)帶有明顯刮痕。因此初步判定：4 800 kW油田守護(hù)供應(yīng)船的振動是由導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)與槳葉間隙過小導(dǎo)致直接刮擦造成的。根據(jù)進(jìn)塢檢查發(fā)現(xiàn)的情況，必須對導(dǎo)流罩制作、安裝的過程進(jìn)行分析，以便找到振動原因。

(1)導(dǎo)流罩設(shè)計不當(dāng)

國外設(shè)計時導(dǎo)流罩與槳葉間隙一般選取15 mm以上。本船依據(jù)GB/T 34000—2016導(dǎo)流罩與槳葉間隙為10～22 mm的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，最終設(shè)計時選用了最小值10 mm。同時，導(dǎo)流罩有前傾1°、外翻2°的安裝角度要求。這種設(shè)計未考慮到船廠實際的安裝水平，即安裝時既要保證導(dǎo)流罩的傾斜角，又要滿足最小間隙10 mm要求，不允許有任何安裝偏差。目前大部分船廠無法達(dá)到該安裝要求。

(2)設(shè)備廠商提供的驗收標(biāo)準(zhǔn)有誤

螺旋槳制造廠商提供的資料顯示：槳葉在100%螺距時直徑最大。螺旋槳安裝后船廠按此標(biāo)準(zhǔn)在100%螺距時驗收導(dǎo)流罩與槳葉間隙合格，最小間隙達(dá)到10 mm以上。但進(jìn)塢后調(diào)整槳葉螺距時發(fā)現(xiàn)80%螺距時槳葉直徑最大，此時最小間隙只有4.1 mm。

(3)導(dǎo)流罩質(zhì)量較差

導(dǎo)流罩的制作質(zhì)量比較差。后期復(fù)檢發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)為負(fù)公差，圓度也不滿足圖紙要求。

2 振動處理方案

4 800 kW油田守護(hù)供應(yīng)船槳葉在80%螺距運行時全船振動比較大。經(jīng)過船廠、船東、設(shè)計院共同討論，原導(dǎo)流罩與槳葉設(shè)計間隙10 mm偏小，同意重新設(shè)計導(dǎo)流罩圖紙，將導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)直徑由原來的2 920 mm增大為2 940 mm，使導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)與槳葉間隙增大為20 mm。重新采購了內(nèi)環(huán)直徑為2 940 mm的導(dǎo)流罩后進(jìn)塢更換。

導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)位于設(shè)計水線以下，結(jié)合該部件在船體中的位置，擬定如下更換流程：船舶進(jìn)塢→拆卸襟翼舵→拆卸螺旋槳軸→設(shè)立軸線標(biāo)桿→拆卸原導(dǎo)流罩→安裝新導(dǎo)流罩→艉管軸孔位置校核→復(fù)裝螺旋槳軸→復(fù)裝襟翼舵→船舶出塢。

2.1 導(dǎo)流罩拆卸前的準(zhǔn)備工作

2.1.1 船舶進(jìn)塢

船塢選擇起重設(shè)備需具備吊裝螺旋槳軸(質(zhì)量約8.7 t)的能力；船塢布墩需滿足軸系拉線，高度滿足襟翼舵拆裝。

2.1.2 拆卸襟翼舵

襟翼舵各部件質(zhì)量如下：舵葉5.2 t；舵桿3.4 t；舵筒2.16 t；連桿裝置0.2 t；舵機(jī)2.5 t。

拆卸順序如下：保險等設(shè)備附件→襟翼小舵連桿→舵葉→舵桿。拆卸前需注意以下2點：

(1)因部件較重，拆卸前需在艉部外板上現(xiàn)場燒焊拉碼、吊耳等輔助工裝件，利用手拉葫蘆、鋼絲繩等進(jìn)行保護(hù)。

(2)拆卸前，需測量舵桿與舵筒間隙、舵桿與甲板密封間隙，并做好書面記錄。

2.1.3 拆卸螺旋槳軸

(1)拆卸液壓聯(lián)軸節(jié)時需注意對兩側(cè)CCP油管端口用保鮮膜進(jìn)行保護(hù)。

(2)螺旋槳軸放置在擱凳上，用橡膠墊保護(hù)好軸承部位。

2.1.4 設(shè)立軸線標(biāo)桿

在船舶艉部設(shè)立輔助工裝：軸線標(biāo)桿支架。依照現(xiàn)場艉管的前后鑄鋼件中心(即現(xiàn)有軸線的實際位置)進(jìn)行拉線測量，作好樣沖標(biāo)記。同時，將軸系中心線、舵系中心復(fù)刻到船塢地面，作為導(dǎo)流罩安裝后的檢驗依據(jù)。

2.2 拆卸原導(dǎo)流罩

(1)對艉部與導(dǎo)流罩相連的艙室進(jìn)行排水，確保導(dǎo)流罩連接區(qū)域的艙室無水、無油。

(2)在導(dǎo)流罩外圈和外側(cè)船底板(需有結(jié)構(gòu)對筋)對應(yīng)位置燒焊50 kN工裝吊耳若干。

(3)用100 kN手拉葫蘆和鋼絲繩若干保住導(dǎo)流罩組件。

(4)參照導(dǎo)流罩相關(guān)的分段結(jié)構(gòu)圖，將原導(dǎo)流罩組件周邊焊縫逐一割除。割開導(dǎo)流罩斜伸出與呆木相連的橫向鑄鋼件，分別從船體內(nèi)外割除導(dǎo)流罩組件與船體連接的焊縫。

(5)用100 kN手拉葫蘆和鋼絲繩緩緩引落導(dǎo)流罩組件，并從艉部轉(zhuǎn)運出。

2.3 安裝新導(dǎo)流罩

(1)參照施工圖，將與新導(dǎo)流罩焊接的原船體結(jié)構(gòu)件邊緣坡口開設(shè)到位。開設(shè)坡口前需要按照圖紙檢驗導(dǎo)流罩各項尺寸。

(2)將新導(dǎo)流罩組件通過100 kN手拉葫蘆和鋼絲繩移位并初定位。

(3)根據(jù)準(zhǔn)備工作時設(shè)立的軸線標(biāo)桿標(biāo)記，對新導(dǎo)流罩進(jìn)行二次定位。修割導(dǎo)流罩組件上端和橫向鑄鋼件的余量。導(dǎo)流罩與船體和橫向鑄鋼件焊縫位置處加放3 mm焊接收縮余量。

(4)定位時需注意橫向鑄鋼件的定位偏差尺寸，必要時可適當(dāng)現(xiàn)場借調(diào)。

(5)定位后，導(dǎo)流罩組件周邊所有對接焊縫位置采用卡碼板(200 mm/檔)固定。

(6)根據(jù)軸線標(biāo)桿標(biāo)記再次復(fù)測導(dǎo)流罩安裝位置精度，確認(rèn)無誤后進(jìn)行焊接作業(yè)。

(7)導(dǎo)流罩安裝精度要求為：導(dǎo)流罩導(dǎo)邊距艉軸殼后端面尺寸偏差±3 mm；導(dǎo)流罩中心與軸線高度偏差±2 mm；導(dǎo)流罩中心距離基線高度偏差±2 mm；導(dǎo)流罩中心距離船臺中心線偏差±2 mm；角接縫間隙≤2 mm；十字接頭錯位≤1/4 板厚；與船體結(jié)合部線型必須光順。

(8)焊接注意事項如下：

焊接前，對舵筒進(jìn)行加水保護(hù)，防止導(dǎo)流罩焊接對舵筒焊接產(chǎn)生變形；加厚板焊接需提前預(yù)熱。

焊接時，先焊對接縫、再焊角接縫；先焊內(nèi)部焊縫再焊外部焊縫；加厚板焊接過程中需恒溫；焊接過程中必須實時監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩位置偏離，需立即停止焊接，待調(diào)整至偏差范圍內(nèi)方可繼續(xù)焊接；若發(fā)現(xiàn)舵筒周邊受熱產(chǎn)生變形，需立即停止焊接，減少一次焊接量并且待溫度降低后再繼續(xù)焊接。

焊接后，加厚板需保溫；第3次測量導(dǎo)流罩的安裝精度尺寸并做好書面記錄；按照圖紙要求對焊縫進(jìn)行探傷；對艙室破壞的油漆進(jìn)行修補(bǔ)，淡水艙需要使用淡水艙油漆。

2.4 導(dǎo)流罩安裝后的工作

螺旋槳軸及舵桿密封需提前準(zhǔn)備，以便復(fù)裝時進(jìn)行更換。

2.4.1 螺旋槳軸復(fù)裝

(1)艉軸管同心度測量

為防止導(dǎo)流罩焊接變形對艉管軸承同心度產(chǎn)生影響，必須在導(dǎo)流罩安裝后使用同軸度激光對中儀器對艉軸前后軸承進(jìn)行測量，同軸度要求不大于0.12 mm。測量前需要對高分子軸承磨損量進(jìn)行修正，避免影響中心度的測量。

(2)復(fù)裝螺旋槳軸

將螺旋槳軸與中間軸的開口、偏移值進(jìn)行對比，確認(rèn)差值是否滿足軸系布置圖要求。若不滿足，則待襟翼舵安裝后軸系需進(jìn)行重新對中。

2.4.2 襟翼舵復(fù)裝

(1)復(fù)測舵筒中心度，確保滿足以下要求：軸系中心線與舵系中心線相交度不大于3 mm；兩線垂直度不大于1 mm/m。

(2)按照襟翼舵安裝工藝對襟翼舵進(jìn)行復(fù)裝。

2.4.3 軸系頂升試驗

校驗各軸承載荷，若不能滿足要求，則重新進(jìn)行軸系對中。

2.5 試驗結(jié)果

更換了內(nèi)徑2 940 mm的導(dǎo)流罩后，現(xiàn)場重新測量了導(dǎo)流罩與槳葉的間隙，最小為19 mm。

船舶海上試驗結(jié)果表明：當(dāng)螺旋槳槳葉調(diào)整到不同螺距時，導(dǎo)流罩均沒有發(fā)生振動，振動問題得以解決。

3 結(jié)語

4 800 kW油田守護(hù)供應(yīng)船導(dǎo)流罩與槳葉之間的間隙過小導(dǎo)致槳葉葉稍與導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)發(fā)生局部摩擦從而產(chǎn)生激振力，進(jìn)而引起全船振動。后期更換了內(nèi)徑更大的導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩與槳葉的設(shè)計間隙由原來的10 mm增大到20 mm，從而徹底解決了導(dǎo)流罩的振動問題。

此外，在以后的設(shè)計時還需要考慮設(shè)備廠家的制作偏差和船廠的安裝偏差，保證槳葉最大直徑時導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)與槳葉之間的間距至少為15 mm，但考慮到紊流情況，間距一般不超過30 mm。同時嚴(yán)格控制導(dǎo)流罩內(nèi)環(huán)制作精度，提高導(dǎo)流罩安裝水平，減少導(dǎo)流罩安裝偏心。