H2531船艉軸單軸承高溫分析

徐鎮(zhèn)鎮(zhèn)，楊瑞杰，張建龍

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

2017年8月21日,在10#碼頭1#泊位進(jìn)行21 000 m3LPG系列首制船H2531主機(jī)動(dòng)車系泊試驗(yàn)時(shí)，主機(jī)以30～40 r/min啟動(dòng)運(yùn)行約2 min后，集控臺(tái)收到艉軸承溫度高的報(bào)警信號(hào)。調(diào)試員發(fā)現(xiàn)高溫報(bào)警信號(hào)后立即停車，對(duì)艉管滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、艉軸溫度傳感器及艏艉吃水等容易造成艉軸溫度傳感器報(bào)警的地方再次核查，經(jīng)檢查確認(rèn)均處于正常狀態(tài)后，再次啟動(dòng)主機(jī)，運(yùn)轉(zhuǎn)約1 min，發(fā)現(xiàn)艉軸承溫度急劇升高，再次停車，做進(jìn)一步檢查。

1 軸系簡(jiǎn)介

21 000 m3LPG船是單軸系民用船舶，其軸系布置圖見圖1，動(dòng)力系統(tǒng)采用尾機(jī)型單機(jī)直接推進(jìn)。軸系主要包括：主機(jī)1臺(tái) ，中間軸1根，艉軸1根及定距無(wú)鍵螺旋槳1只,中間軸上裝有1只浮動(dòng)式多油楔的中間軸承。艉軸承僅有艉軸后軸承，且軸承為白合金滑動(dòng)軸承，與艉軸管采用0.03～0.05 mm 的過盈配合。艉軸承的滑油系統(tǒng)為泵循環(huán)潤(rùn)滑，滑油在冷卻水艙中自然冷卻，艉軸管前后分別裝有密封裝置，后密封為氣體密封。

1-定距無(wú)鍵螺旋槳；2-艉軸承；3-艉軸；4-密封裝置；5-中間軸；6-中間軸承；7-主機(jī)圖1 軸系布置示意圖

2 軸系檢查

造成船舶艉軸承高溫報(bào)警的具體原因尚不明確，但是通過分析發(fā)現(xiàn)造成艉軸承高溫報(bào)警的疑點(diǎn)有很多種，為了找到最終原因，只能用排除法對(duì)可能引起艉軸承高溫報(bào)警的疑點(diǎn)逐項(xiàng)摸底排查。引起艉軸承高溫報(bào)警的疑點(diǎn)大致分為2類，一類疑點(diǎn)需船舶靠泊在碼頭上排查；另一類疑點(diǎn)需要船舶入塢檢查。為了盡可能用較小的代價(jià)把事故原因找到并把問題處理好，經(jīng)過多方討論，決定先在碼頭對(duì)引起艉軸承高溫的幾個(gè)疑點(diǎn)進(jìn)行排查，若排查結(jié)束后引起艉軸承高溫報(bào)警的原因還未完全確認(rèn)，只能將船舶重新入塢進(jìn)行軸系拆檢。

2.1 靠泊碼頭檢查

1)軸系負(fù)荷檢查。按照工藝要求調(diào)整好船態(tài)后，復(fù)測(cè)軸系負(fù)荷。復(fù)測(cè)結(jié)果顯示主機(jī)后三道軸承負(fù)荷、中間軸承負(fù)荷，以及主機(jī)各缸甩檔均在工藝允許范圍以內(nèi)。特別是中間軸承受力為87.8 kN，完全符合中間軸承82.20 kN±16.44 kN的受力要求。

2)艉管滑油系統(tǒng)通暢性檢查。利用艉管滑油循環(huán)泵對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行通暢性檢查，艉管滑油循環(huán)泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)壓力表指針讀數(shù)正常；停泵拆檢艉管滑油循環(huán)泵濾器，發(fā)現(xiàn)濾芯表面無(wú)異物附著，表明艉管滑油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

3)艉管滑油取樣檢查。艉管滑油取樣檢查分為目測(cè)檢查和理化實(shí)驗(yàn)。油樣沉淀6 h后，目測(cè)油樣正常、無(wú)乳化和金屬沉淀物出現(xiàn)；在目測(cè)油樣的同時(shí)，另一份油樣送理化實(shí)驗(yàn)室，用來(lái)進(jìn)一步檢查艉管滑油水分和顆粒度，油樣檢測(cè)結(jié)果表明，艉管滑油水分和顆粒度均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可排除由于艉管滑油水分超標(biāo)或油太臟引發(fā)艉軸承高溫的可能性。

4)溫度傳感器檢查。再次對(duì)艉軸承溫度傳感器進(jìn)行絕緣測(cè)試，溫度傳感器工作正常。

5)艉軸相對(duì)軸系中心線偏移量檢查。艏密封拆除后，用內(nèi)徑千分尺測(cè)量艉軸距艏密封內(nèi)孔之間的相對(duì)距離，如表1所示。

表1 艉軸距艉管艏密封內(nèi)孔距離記錄表 mm

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，艉軸在艏密封內(nèi)孔處產(chǎn)生了較大的偏移量，在該處艉軸中心相對(duì)于內(nèi)孔中心向上偏移了1.520 mm，向右偏移了0.245 mm，翻閱軸系計(jì)算書發(fā)現(xiàn)艉軸在艏密封內(nèi)孔處艉軸中心應(yīng)比內(nèi)孔中心低0.050 mm。艉軸的正確對(duì)中是軸系校中的基礎(chǔ)，如果艉軸相對(duì)軸系中心偏移量較大可能會(huì)造成艉軸承磨損，為了進(jìn)一步鎖定艉軸承高溫報(bào)警原因以及確認(rèn)艉軸承的完好狀態(tài)，決定加大軸系拆檢力度。

2.2 入船塢檢查

2017年8月31日，H2531船在拖輪帶動(dòng)下緩慢地進(jìn)入船塢，待船入塢落墩后，施工人員晝夜施工進(jìn)行軸系拆檢工作。

1)艉軸承檢查。如圖2所示，艉軸退出后，發(fā)現(xiàn)艉軸承局部發(fā)生嚴(yán)重磨損。磨損區(qū)域主要位于艉軸承底部4點(diǎn)鐘到8點(diǎn)鐘方向之間，磨損區(qū)域長(zhǎng)度從軸承艉部往前約280 mm，艉軸承其他部位狀態(tài)良好。

圖2 艉軸承磨損圖

對(duì)艉軸承殘留物檢查發(fā)現(xiàn)，殘留物不能被強(qiáng)力磁鐵吸附且殘留物內(nèi)沒有其他雜質(zhì)，表明該物質(zhì)為巴氏合金燒融物。與此同時(shí)，對(duì)艉軸管腔里面再次檢查發(fā)現(xiàn)腔室里面沒有其他異物，排除艉軸承由于艉軸管腔室有異物引起軸承高溫的可能。

2)軸系復(fù)照光檢查。如圖3所示，軸系復(fù)照光進(jìn)一步復(fù)查艉軸承斜率和軸系校中等數(shù)據(jù)。復(fù)照光報(bào)告顯示，艉軸承斜率完全滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，而主機(jī)飛輪端中心點(diǎn)高出艉軸管中心線4.0 mm，但是該船軸系校中工藝模型要求主機(jī)飛輪端的中心比理論軸線中心線低2.2 mm(見圖4)。綜合復(fù)照光報(bào)告數(shù)據(jù)和軸系校中工藝模型可得出：H2531船主機(jī)飛輪端中心實(shí)際高度比理論軸線中心線高6.2 mm。通過軸系復(fù)照光再次佐證了導(dǎo)致該船艉軸承高溫報(bào)警的原因來(lái)自于軸系校中。

圖3 軸系復(fù)照光

圖4 軸系校中工藝模型

3 艉軸承磨損的原因分析及修復(fù)

3.1 艉軸承磨損原因

對(duì)比測(cè)量的數(shù)據(jù)與軸系校中模型及計(jì)算書中各點(diǎn)的要求，可發(fā)現(xiàn)H2531船的主機(jī)和中間實(shí)際軸位置遠(yuǎn)比理論軸線高很多，從而帶動(dòng)了艉軸前端上翹，導(dǎo)致艉軸與艉軸承接觸點(diǎn)往后移動(dòng)，造成艉軸與艉軸承的接觸面積縮小，進(jìn)而使艉軸承單位面積承壓過大以及軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中艉軸后端無(wú)法與艉軸承建立正常的潤(rùn)滑關(guān)系，艉軸承在軸系運(yùn)轉(zhuǎn)過程中瞬間發(fā)生艉軸承高溫報(bào)警和軸承磨損的事故[1]。

3.2 艉軸承磨損原因分析

主機(jī)和中間軸位置高出理論數(shù)據(jù)較多是造成事故發(fā)生的原因，而致使主機(jī)位置高出理論數(shù)據(jù)如此多的原因在于未進(jìn)行合理有效的軸系校中。軸系校中主要分為軸系對(duì)中和軸系負(fù)荷調(diào)整兩環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致艉軸溫度傳感器感溫報(bào)警及艉軸承磨損。

查閱軸系施工記錄及詢問H2531船軸系校中施工人員，發(fā)現(xiàn)施工人員在軸系對(duì)中交驗(yàn)結(jié)束后，在調(diào)整軸系負(fù)荷時(shí)，通過調(diào)整中間軸承和主機(jī)位置高低，使主機(jī)后三道軸瓦和中間軸承的負(fù)荷數(shù)據(jù)在工藝要求范圍內(nèi)。如圖1所示，H2531船艉軸僅有艉軸后軸承，無(wú)艉軸前軸承，在僅有艉軸后軸承的船舶軸系負(fù)荷調(diào)整時(shí)，不能按照艉軸裝有雙軸承的軸系方法進(jìn)行。艉軸單軸承軸系負(fù)荷調(diào)整只能通過調(diào)整主機(jī)自由端和飛輪端的高低，使主機(jī)后三道軸瓦及中間軸承負(fù)荷滿足工藝要求，而不能通過同時(shí)調(diào)整中間軸承和主機(jī)高低位置，使軸系負(fù)荷數(shù)據(jù)滿足工藝范圍。

H2531船軸系負(fù)荷調(diào)整時(shí)施工人員調(diào)整了中間軸承的高低位置致使艉軸、中間軸和主機(jī)的位置一起跟著變動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致艉軸與艉軸承之間的間隙和接觸面積以及艉軸、中間軸和主機(jī)的實(shí)際位置相對(duì)理論軸系發(fā)生變動(dòng)；最終錯(cuò)誤的軸系負(fù)荷調(diào)整致使艉軸承在軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)損壞。

3.3 軸系修復(fù)

完成艉軸承換裝以及螺旋槳重新安裝等工作之后，H2531船于2017年9月13日出塢，重新按照工藝要求進(jìn)行軸系校中，主機(jī)環(huán)氧澆注等工作，具體情況如下。

船態(tài)調(diào)整好后,先實(shí)施軸系校中工作的第一個(gè)環(huán)節(jié)軸系對(duì)中，用油頂在艉軸法蘭的正上方施加2 000 kg向下的載荷，測(cè)量艉軸相對(duì)于參考鐵棒的縱向及水平距離,把測(cè)量結(jié)果和下水前的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[2],如果結(jié)果沒有偏差,表明艉軸在下水的過程中沒有位移,如果有偏差,表明螺旋槳軸出現(xiàn)了位移,調(diào)整艉軸使它恢復(fù)到下水前的對(duì)中狀態(tài),艉軸對(duì)中示意圖如圖5所示。

圖5 艉軸對(duì)中示意圖

軸系對(duì)中示意圖如圖6所示，通過間隙和位移(gap & sag)方法調(diào)整中間軸和主機(jī),使中間軸相對(duì)于艉軸，主機(jī)相對(duì)于中間軸進(jìn)行校中，也就是使兩對(duì)沒連接的法蘭面的縱向gap & sag 值滿足軸系校中計(jì)算書的要求[3]。

軸系連接螺栓安裝結(jié)束后，開始負(fù)荷調(diào)整測(cè)量。軸系負(fù)荷調(diào)整前，先把中間軸承的上軸瓦蓋拿開(如果有上軸瓦也拿開)，然后不斷調(diào)整中間軸承的頂高螺絲和側(cè)向調(diào)整螺絲，使艉軸相對(duì)于參考鐵棒還原到下水前的對(duì)中狀態(tài)[3]。中間軸承的高低位置和左右間隙確定后，鎖緊頂高螺絲和側(cè)向調(diào)整螺絲，開始調(diào)整測(cè)量主機(jī)后三道軸瓦和中間軸承的負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)際情況抬升和降低主機(jī)的自由端與飛輪端，使軸系負(fù)荷最終數(shù)據(jù)滿足工藝要求。

圖6 軸系對(duì)中示意圖

4 修后試驗(yàn)及使用情況

2017年9月25日至30日，H2531船進(jìn)行了為期5天4夜的航行試驗(yàn)。在航行試驗(yàn)過程中，船舶軸系在輕載和滿載狀態(tài)下經(jīng)過了正車、倒車、全速、半速，甚至超速等各工況運(yùn)行試驗(yàn)，艉軸承溫度始終維持在30～35 ℃之間。在航行試驗(yàn)過程中，軸系各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，該船已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)兩年多，軸系一直處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，未再出現(xiàn)過其他故障，其姊妹船也陸續(xù)順利交付運(yùn)營(yíng)。