淺析大型油輪艉管后軸承高溫的原因及應(yīng)對措施

呂久亮 歐傳杰

（1.廣船國際技術(shù)中心 2.廣船國際）

0 前言

近年來國內(nèi)外船廠陸續(xù)報道出有新造船試航期間出現(xiàn)了艉管后軸承高溫問題，各大船級社也紛紛介入，會同船廠對該問題進行分析和處理。本文以10萬噸級的大型油輪作為切入點，分析該類型船舶出現(xiàn)艉管后軸承高溫的原因以及采取的應(yīng)對措施。

1 背景

隨著IMO制定的船舶能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)的實施，近年來新設(shè)計的大型油輪都考慮了更加節(jié)能的措施，如采用更加瘦長的艉部線型以提高推進效率，主機降功率選型以降低油耗，加大螺旋槳槳徑和降低轉(zhuǎn)速以提高螺旋槳效率，從而優(yōu)化EEDI指標(biāo)。

2013年美國環(huán)保局頒發(fā)了新的規(guī)定，2013年12月19日之后的新造船，如需要在美國水域航行，除滿足相關(guān)的規(guī)則規(guī)范之外，還必須滿足VGP要求，其中條款2.2.9要求船舶在所有油水界面上（oil-to sea-interface）必須使用可生物降解的環(huán)保潤滑油（EAL），除非技術(shù)上不可行。這條法規(guī)的強制實施使得很多新造船項目的艉管軸承開始使用生物滑油來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的礦物油。

上述這些新法規(guī)和新技術(shù)上的發(fā)展使得本來就敏感的大型油輪軸系設(shè)計和建造面臨了新的挑戰(zhàn)。

2 艉管后軸承高溫事件介紹

某環(huán)保節(jié)能型設(shè)計的11萬噸成品油/原油輪系列船在試航期間共有五艘船先后出現(xiàn)艉管后軸承高溫情況，都是在高轉(zhuǎn)速工況下操舵甚至是測速調(diào)頭時發(fā)生的。

通過抽出艉軸檢查發(fā)現(xiàn)艉管后軸承的下半圓表面出現(xiàn)白合金燒損后被重新碾壓的痕跡，長度大約在200mm～300mm之間，詳見圖1。

圖1 艉管后軸承典型燒損表面

3 原因分析

軸承高溫?zé)龘p通常是由于在某種工況下，軸與軸承之間的油膜被破壞，導(dǎo)致軸與軸承的直接接觸所造成的，油膜被破壞最主要的原因是負(fù)荷過大，還有可能是滑油受到污染、滑油選型錯誤、建造過程的精度控制問題、操作問題等等。大型船舶的軸系負(fù)荷一般都比較大，節(jié)能環(huán)保型船舶的機槳配合特點又使得軸系處于高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，每個軸承按理論計算所分配到的負(fù)荷就已經(jīng)比較接近最大許用值，如果其它因素再給軸系帶來一些負(fù)面影響，就容易出現(xiàn)軸承高溫方面問題。另外，由于油輪是滿載試航，要在滿載工況下進行各種極端工況的試驗，特別是滿舵角的操舵和回轉(zhuǎn)等極端的操縱性試驗，此時，軸系各軸承的負(fù)荷都是處于最大狀態(tài)，因此艉管后軸承的高溫現(xiàn)象基本上都出現(xiàn)在試航期間，如果試航過程中不出現(xiàn)問題，交船后一般也不會出現(xiàn)問題。下面就具體分析有哪些可能影響大型油輪軸系軸承高溫的因素。

4 滑油

4.1.1 生物滑油與礦物油的潤滑和承壓根據(jù)DNV-GL規(guī)范公式：

可知，油膜與粘度成負(fù)相關(guān)，沒有生物滑油和礦物油的區(qū)別。雖然生物滑油的運動粘度一般與礦物油的運動粘度基本相近，但通過進一步的測試分析，發(fā)現(xiàn)兩種油品的承壓能力還是有一定差距，通過對業(yè)內(nèi)某著名品牌的礦物艉管滑油和生物艉管滑油進行理化指標(biāo)測試分析發(fā)現(xiàn)，礦物艉管滑油在承壓指標(biāo)上明顯優(yōu)于生物艉管滑油。

檢測項目 礦物滑油 生物滑油40℃運動粘度 mm2/s 102.6 104.6密度20℃ kg/m3 880.2 928.4最大無卡咬負(fù)荷PB,N 1177 598燒結(jié)負(fù)荷 PB,N 2452 1569

圖2 滑油粘度與滑膜厚度的關(guān)系

圖3 船體建造時艉部支撐不足

4.1.2 生物滑油和礦化油的混油

在新要求剛出來時，船舶建造和試航兩個階段出現(xiàn)了生物滑油和礦物滑油更換的可能，但由于艉管結(jié)構(gòu)、船舶吃水和水深條件等因素，無法達(dá)到廠家建議的不大于5%的混油率的要求，造成潤滑能力大幅下降。

4.1.3 滑油的清潔度

滑油清潔度是軸承潤滑的基本條件，在造船過程中，由于多工種交叉作業(yè)，特別是艉管附近的焊接和打磨工作，給艉管的清潔增加了難度，可能會有漏網(wǎng)雜質(zhì)混入艉管滑油，對軸承造成損害。

4.1.4 滑油的溫度控制

艉管滑油在工作當(dāng)中不僅起到潤滑作用，還要冷卻的功能，但是滑油帶走熱量的同時也降低了自身的粘度，粘度下降帶來油膜厚度下降，因此盡可能的控制滑油溫度在較低的水平，可以提高潤滑能力。

4.2 整體艉管+環(huán)氧樹脂澆注

當(dāng)艉管軸承的設(shè)計使用整體艉管+環(huán)氧樹脂澆注這種方案的時候，環(huán)氧樹脂凝固時的不均勻可能造成整體艉管同心度的變化，從而使艉管軸承的位置偏離校中計算中設(shè)計值范圍。環(huán)氧樹脂材料本身導(dǎo)熱性不如傳統(tǒng)的鑄鋼材料，使軸承工作時產(chǎn)生的熱量無法有效傳遞出去也是影響因素之一。另外整體艉管在加工和運輸過程中由于尺寸較長，也會出現(xiàn)變形問題。

4.3 塢內(nèi)建造時艉部支撐不足造成艉部向下變形

艉部向下變形，特別是在拉線望光后船舶出塢前軸系工程施工過程中，艉部船體在沒有支撐的情況下會繼續(xù)向下變形，會造成塢內(nèi)艉管軸承位置與水下的軸承位置偏差過大。

4.4 艉部剛性不夠造成下水后艉管軸承部分船體上翹

隨著線型設(shè)計的優(yōu)化，艉部線型不斷收窄，艉管前軸承前的結(jié)構(gòu)的剛性不斷下降，造成下水后艉柱部分上翹嚴(yán)重。

4.5 不同壓載工況和吃水對于軸系的影響

目前的校中計算都是假設(shè)船體為絕對剛性，但船舶在不同的壓載工況下船體有不同的形狀，船體形狀變化相應(yīng)的反應(yīng)到軸系上就是軸承位置的變化，校中計算并沒有考慮這些實際已經(jīng)發(fā)生了的因素。

4.6 不當(dāng)操作

4.6.1 碼頭動車時螺旋槳沒有完全浸沒

由于螺旋槳沒有完全浸沒，槳葉產(chǎn)生的推力只作用在水面下的部分，加上目前低轉(zhuǎn)速設(shè)計的螺旋槳尺寸和重量都大幅增加，產(chǎn)生了較大的向下附加彎矩，增加艉管后軸承的負(fù)荷，使艉軸與艉管后軸承的相對斜度超標(biāo)，破壞了軸承后端部分的油膜，導(dǎo)致軸承后端部分白合金干摩擦燒損。

4.6.2 進出碼頭時螺旋槳沒有完全浸沒

原理同上述4.6.1，其實碼頭動車和進出碼頭時螺旋槳不能完全浸沒跟各個船廠的碼頭水深條件有關(guān)系，但能滿足大型油輪在碼頭全部浸沒螺旋槳的船廠目前不多。

4.6.3 艉管軸承沒有注油時進行盤車

在船塢中安裝艉管密封的時候，廠家建議要盤車測量跳動量，這時候艉管內(nèi)一般還沒有加注滑油，盤車時軸與軸承完全是干摩擦，這種操作存在很大的風(fēng)險。

4.7 艉部流場附加偏心力

由于螺旋槳進流的特點和自身較大的重量，對艉管后軸承會產(chǎn)生偏心力，右旋槳會導(dǎo)致艉管后軸承后端左下方負(fù)荷較大，反之亦然，一些因為節(jié)能而采用的艉部的特殊措施可能會增加這種影響，試航時在這種環(huán)境下大舵角操舵，這種影響會被放大作用在艉管后軸承上，導(dǎo)致艉軸與艉管后軸承的相對斜度超標(biāo)，破壞了軸承后端部分的油膜，導(dǎo)致軸承后端部分白合金干摩擦燒損。

4.8 校中工藝

軸系校中除了要滿足各個軸承負(fù)荷調(diào)整到計算值范圍內(nèi)，還要同時滿足主機的曲軸臂距差要求。實際操作中為了調(diào)整主機的曲軸臂距差不得不在一定范圍內(nèi)調(diào)整主機的高度，導(dǎo)致主機和中間軸承的高度位置并不在計算書所設(shè)定的高度位置上。

通過上述的分析可以看出，影響軸系狀態(tài)的因素非常多，而且整個軸系工程施工工期長，控制點多，而最終的效果又需要在試航才能檢驗。所以預(yù)判潛在的風(fēng)險，控制好所有環(huán)節(jié)，制定一系列包括圖紙、工藝、制度等的文件并嚴(yán)格實施才能確保艉管軸承在設(shè)計狀態(tài)下工作，不出現(xiàn)高溫現(xiàn)象。

5 應(yīng)對措施

結(jié)合上述的原因分析，我們提出了一系列優(yōu)化和改進的措施，力求在軸系工程的全過程中，每一個控制點上都做到優(yōu)化提升，從而避免再次發(fā)生艉管后軸承高溫的問題。

5.1 軸系校中計算中引入復(fù)雜因素評估分析

將可能影響軸系校中結(jié)果的軸承斜度公差、螺旋槳附加偏心推力等因素通過CFD分析量化輸入校中計算中去綜合考慮，設(shè)計出一個與艉軸后部運動狀態(tài)更適應(yīng)的艉管后軸承的幾何形狀，在各種工況下都能避免艉軸和艉軸承的相對斜度超標(biāo)，可以形成有效厚度的油膜，從而保證軸承的正常工作。如圖4所示的一種多斜度雙偏心的艉管后軸承的設(shè)計。

5.2 謹(jǐn)慎選用生物滑油

從前面的分析和經(jīng)驗來看，生物滑油的承壓特性不如礦物油，使用礦物油還是相對可靠的選擇。特別是現(xiàn)在供應(yīng)商可以提供氣密型艉密封設(shè)計來滿足美國的VGP的要求，無須一定使用生物滑油。因此，在設(shè)計初期盡可能與船東協(xié)商一致，建議使用艉管空氣密封+礦物油的方案。如果船東堅持要采用生物滑油，那么根據(jù)4.1.1中提及的公式可知要盡量選擇高粘度的滑油，目前市場上部分油料供應(yīng)商可以提供最高ISO VG 150 cst的滑油。

5.3 增強艉管后軸承潤滑冷卻的效果

艉管滑油系統(tǒng)設(shè)計成強制循環(huán)系統(tǒng)，利用滑油泵的壓力提升潤滑和冷卻的效果，并將艉管滑油管直接引入艉管后軸承后端，使得滑油可以通過泵送直接冷卻和潤滑負(fù)荷最高的部位，從而提高潤滑和冷卻的效果。另外，加裝艉管滑油冷卻器，降低滑油溫度，有利于形成有效的潤滑油膜。

圖4 多斜度雙偏心軸承設(shè)計

圖5 艉軸與艉軸承之間相對斜度與油膜厚度的關(guān)系

5.4 改進船體搭建方案

船體艉部在塢內(nèi)搭建直到出塢都應(yīng)設(shè)置有強力的支撐，呆木盡可能設(shè)置延伸到艉柱下方，避免艉柱部分懸空，確保艉部保型。

5.5 嚴(yán)控艉管軸承的過程保型

對于艉管后軸承設(shè)計有斜度的，特別是有雙斜度的軸承，在整個制造安裝周期的各個節(jié)點中都要做好作斜度保型工作。從出廠檢驗、到貨檢驗和倒膠前、倒膠后的檢驗都需要使用激光測量內(nèi)孔的同心度和圓度。增加質(zhì)量控制點，確保安裝后的狀態(tài)滿足理論計算和設(shè)計的要求。

5.6 制定軸系工程控制程序

從嚴(yán)把控全部過程的各個節(jié)點，制定控制程序和檢查清單，確保所有過程在嚴(yán)格監(jiān)控下進行，并且達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。包括校中時的吃水、滑油的清潔度、軸承溫度的記錄、動車的條件、主機高度的允許調(diào)整范圍等。嚴(yán)禁在螺旋槳沒有全浸沒的情況下主機高速運轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁艉管注油之前盤車。

5.7 試航初期進行軸系磨合

圖6 激光測量軸承同心度結(jié)果

圖7 激光測量軸承同心度

根據(jù)ABS船級社的推薦以及船廠自身的經(jīng)驗，在試航初期進行軸系磨合，在主機中低負(fù)荷條件下進行操舵，使軸承表面在磨合力作用下變成最佳幾何配合形狀。

5.8 設(shè)置預(yù)報警點

5.8.1 設(shè)置軸承溫升過快報警

在目前的常規(guī)設(shè)計中，一般只設(shè)定了高溫報警和高高溫報警，此外沒有其他報警點可以輔助判斷軸承是否出現(xiàn)不正常的磨損，油膜異常初期溫升的速率往往被忽視。但如果是油膜失效導(dǎo)致的軸承高溫，等到報警出現(xiàn)后再來降速就回天乏術(shù)了。因此在機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)中增加一個艉管后軸承溫升過快報警點，在15分鐘以內(nèi)，艉管后軸承溫升達(dá)到5度，就報警并且主機自動慢車，以避免在軸承未磨合好前因不當(dāng)操作導(dǎo)致軸承損壞。

5.8.2 設(shè)置螺旋槳未全浸沒警示（Warning）

在機艙監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計螺旋槳未全浸沒警示（Warning），提取液位遙測系統(tǒng)的艉吃水信號，與螺旋槳全浸沒的吃水高度進行比較，如果沒有全浸沒會給出警示(Warming)，提醒船舶操作人員控制主機轉(zhuǎn)速不要過快。

6 結(jié)束語

艉管軸承高溫問題的解決是一個系統(tǒng)工程，雖然是以輪機工程為主，但也關(guān)系到船體結(jié)構(gòu)、線型等相關(guān)專業(yè)，既要進行理論分析計算，也要考慮施工精度帶來的影響。從船型開發(fā)到設(shè)計、建造、試航、交付，周期漫長，需要有專業(yè)的隊伍進行統(tǒng)籌設(shè)計和建造質(zhì)量控制，精度和細(xì)節(jié)要求之高容不得絲毫差錯。我們在理論研究、分項試驗、調(diào)查、管理提升和實船檢驗等方面已經(jīng)做了很多工作，基本方向已經(jīng)走對，也積累了很多的經(jīng)驗，但正如本文中所述的觀點，影響大型油輪艉管高溫的因素太復(fù)雜，隨著新船型的不斷發(fā)展，未來的挑戰(zhàn)還是非常巨大。不過相信隨著我們研究的深入、技術(shù)的進步，特別是對軸系工程重要性的意識的提高，面對未來的風(fēng)暴我們必然會迎風(fēng)啟航！