淺談輔助靠泊系統(tǒng)應(yīng)力銷國產(chǎn)化及應(yīng)用

徐菲菲 徐征

摘 要：針對輔助靠泊系統(tǒng)中主要部件應(yīng)力銷進行國產(chǎn)化研究，分析國產(chǎn)化的主要思路和指標，并在此基礎(chǔ)上在典型接收站進行實際應(yīng)用，總結(jié)應(yīng)用情況，供推廣和借鑒。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力銷;國產(chǎn)化;實際應(yīng)用

中圖分類號：U66? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0065-03

1概述

輔助靠泊系統(tǒng)是為碼頭船舶靠離泊時提供安全保障的設(shè)備設(shè)施，它包含靠泊監(jiān)控系統(tǒng)（Laser Docking System，LDS）、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（Environment Monitor System，EMS）、纜繩應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)（Mooring Load Monitor System，MLMS）、快速脫纜系統(tǒng)（Quick Releasing Hook System）、脫纜鉤開合狀態(tài)顯示系統(tǒng)（Hook Status Display System，HSD）和船岸連接系統(tǒng)（Shore Ship Link System，SSL）[1]。其中纜繩應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)（MLMS）中的核心部件應(yīng)力銷，是檢測纜繩張力的傳感器，由于精度要求高等要求影響，一直都是被國外所壟斷。但實際使用中進口設(shè)備/備件采購周期長、造價成本高，國外技術(shù)人員維護響應(yīng)速度慢等因素都對設(shè)備安全運行造成很大影響。綜合分析大部分脫纜鉤應(yīng)力銷零點漂移以及測量值失準的情況，對進口核心部件是否具有優(yōu)勢的討論陸續(xù)開展，能否自行開發(fā)制造核心部件的想法逐步萌生，制造并使用自行參與研發(fā)的國產(chǎn)化核心部件是相關(guān)技術(shù)人員的目標。

2 應(yīng)力銷國產(chǎn)化主要思路

根據(jù)應(yīng)力銷使用情況調(diào)研進行分析，國產(chǎn)化應(yīng)力銷應(yīng)具有以下5點要素：

（1）由于安裝環(huán)境在鹽分較高的海邊，所以選擇的材料必須具有良好的抗腐蝕性能。

（2）應(yīng)力銷作為脫纜鉤的部分軸承，所以材料必須具有耐磨性。

（3）設(shè)計的最大載荷是安全載荷的1.5倍，所以材料的抗拉強度要高。

（4）材料的力學性能能夠在金屬表面均勻分布，這樣可以準確的測出拉力值。

（5）國產(chǎn)化加工工藝保證實際使用的準確性和相關(guān)環(huán)境要求。

前四項是針對應(yīng)力銷的材料提出的要求，最后一項是針對應(yīng)力銷的加工工藝提出的要求，所以國產(chǎn)化研發(fā)中主要圍繞這兩個方面展開。

3 應(yīng)力銷國產(chǎn)化主要指標分析

3.1 應(yīng)力銷材料選擇分析

根據(jù)應(yīng)力銷材料選擇的抗腐蝕性、耐磨性、抗拉強度高、準確性等4個要素，優(yōu)先選擇不銹鋼材質(zhì)作為測試材料?？紤]到材料的抗拉強度以及耐腐蝕等要素，根據(jù)GB/T 20878-2007對大量的不銹鋼材進行材質(zhì)成分和組織特點進行分析篩選后，選擇了壓力容器專用鋼（022Cr17Ni12Mo2，又稱鈦鋼和316L精鋼）和超高強度結(jié)構(gòu)鋼17-4PH（05Cr17Ni4Cu4Nb）作為生產(chǎn)應(yīng)力銷的候選材質(zhì)[2]。

對兩種候選鋼材進行不銹鋼應(yīng)變體受力輸出試驗，17-4PH的輸出線性關(guān)系明確，且最大輸出值符合貼片設(shè)定值，最大輸出值與線性關(guān)系良好，而316L的輸出線性關(guān)系存在明顯的數(shù)據(jù)離散情況，而且最大輸出值小于貼片設(shè)定值。經(jīng)比較，17-4PH材質(zhì)在經(jīng)過熱處理后的硬度和力學性能中的金屬表面均勻分布完全優(yōu)于316L材質(zhì)。

在對兩種材料進行疲勞度測試（見表1），在同等尺寸軸承的相同載荷下，316L材質(zhì)的抗拉強度明顯弱于17-4PH。17-4PH材質(zhì)的受力載體能夠在受力釋放后立即回零，316L材質(zhì)在持續(xù)受力后，其發(fā)生的彈性形變導致回零時間較長，而且在不斷地疲勞測試過程中發(fā)現(xiàn)該形變不可逆，導致測量零漂情況很容易發(fā)生且時間加長零漂數(shù)據(jù)增大。最終決定使用17-4PH沉淀硬化超高強度不銹鋼來生產(chǎn)受力載體。

3.2 應(yīng)力銷加工工藝分析

根據(jù)測量現(xiàn)場脫纜鉤應(yīng)力銷的尺寸，設(shè)計的尺寸數(shù)據(jù)為Φ109.9-0.3mm，長度359.5mm，需要在應(yīng)力銷表面加工潤滑脂導槽，由于需進行貼片工藝操作，需在電纜側(cè)端面沿軸向中心開孔，尺寸為Φ30-0.3mm，長度190.6mm。

在國產(chǎn)化應(yīng)力銷中使用的是箔式電阻應(yīng)變片[3]，它是由直徑為0.02～0.05mm的康銅絲或者鎳鉻絲繞成柵狀（或者用很薄的金屬箔3～6μm腐蝕成柵狀）夾在兩層絕緣薄片（基底，15～16μm）中制成。

應(yīng)變片貼片處理步驟主要包括：

（1）應(yīng)變計準備：將待用的應(yīng)變計進行外觀檢查和組織測量。目的在于檢查敏感柵是否有短路、斷路，并進行阻值分選，對于共用溫度補償?shù)膽?yīng)變計，阻值相差不得超過±0.5。同一次測量的應(yīng)變計，靈敏系數(shù)必須相同。

（2）構(gòu)件表面清理：首先是清除表面氧化層和污垢;然后對金屬構(gòu)件表面進行磨平或挫平，并使用細砂紙進行打磨拋光，打磨光潔度應(yīng)達到左右;對于非常光滑的構(gòu)件，則需要使用細砂紙沿45°方向交叉打磨出一些紋路，以增強粘結(jié)力。打磨面積約為應(yīng)變計面積的5倍左右，打磨完畢后，用劃針輕輕劃出貼片的準確位置。表面處理的最后一道工序是清洗，即用潔凈棉紗或脫脂棉球蘸丙酮或其他揮發(fā)性溶劑對貼片部位進行反復擦洗，直至棉球上見不到污漬為止。

（3）貼片：待清洗劑揮發(fā)后，先在貼片位置滴一點粘合膠，用應(yīng)變計背面將膠水涂勻，然后使用鑷子輕輕撥動應(yīng)變計，調(diào)整位置和角度。完成定位后，在應(yīng)變計上墊一層聚乙烯或四氟乙烯薄膜，用手指輕輕擠壓出多余的膠水和氣泡，待膠水初步固化后即可松開。粘貼好的應(yīng)變計應(yīng)保證位置準確，粘結(jié)牢固，膠層均勻、無氣泡和整潔干凈。

（4）導線的焊接與固定：粘結(jié)劑初步固化后即可進行導線焊接，常溫靜態(tài)測量可使用雙芯多股銅質(zhì)塑料線作為導線，動態(tài)測量使用三芯或四芯屏蔽電纜做導線。應(yīng)變計和導線間的連接最好通過接線端子，焊點確保無虛焊。導線與試件綁扎固定導線兩端根據(jù)測點的編號做好標記。

（5）貼片質(zhì)量檢查：包括外觀檢查、電阻和絕緣電阻的測量。外觀檢查主要觀察貼片方位是否正確，應(yīng)變計有無損傷，粘貼是否牢固和有無氣泡等;測量電阻值可以檢查有無斷路;絕緣電阻是最重要的受檢指標，絕緣的好壞取決于應(yīng)變計的基底，粘貼不良或固化不充分的應(yīng)變計絕緣電阻值低。

（6）應(yīng)變貼片及導線的防護：對已充分干燥、固化，并已焊接好導線的應(yīng)變計，立即涂上防護層，使用環(huán)氧樹脂進行灌膠保護。

（7）實驗平臺進行工廠多點標定測試：應(yīng)力銷在灌膠保護完成后，等環(huán)氧樹脂完全凝固后在實驗平臺對應(yīng)力銷進行多點標定，及整體檢查測試。

4 應(yīng)用情況

根據(jù)國產(chǎn)化應(yīng)力銷改造要求，在生產(chǎn)制造出國產(chǎn)化應(yīng)力銷后，先在實驗室進行計量標定。國產(chǎn)應(yīng)力銷的實驗室標定最大誤差為±2%，且為滿量程標定。優(yōu)于進口應(yīng)力銷3%的精度。表2和表3是兩臺國產(chǎn)化應(yīng)力銷的實際測試數(shù)據(jù)。結(jié)果證明實驗測試的兩臺國產(chǎn)化應(yīng)力銷數(shù)據(jù)線性度很好，誤差值均滿足要求。

完成實驗室計量標定后，兩臺國產(chǎn)化應(yīng)力銷在浙江LNG接收站進行實際運行測試。依照安裝方式于2017年12月完成替換，安裝投用的國產(chǎn)化應(yīng)力銷在2018年至今已良好運行一百多個接卸周期，依照接船期間的定期檢查以及LNG船舶離泊后傳感器的性能十分穩(wěn)定，在全年高頻次、高密度的接卸作業(yè)過程中未出現(xiàn)零點漂移情況。

另外根據(jù)“國產(chǎn)化”思想，針對輔助靠泊系統(tǒng)脫纜鉤大部分均存在零點漂移情況，經(jīng)過討論與初步的可行性試驗，確定依照實驗室計量標定的儀器進行仿制，制作一套利于現(xiàn)場操作人員實際測試及標定的工具。此套測試工具包括一臺液壓油泵、一臺液壓千斤頂（150Ton）、一個專用模具、一個標準變量輸出控制箱和一臺手持終端?？梢袁F(xiàn)場進行應(yīng)力銷標定，簡單方便，配合制定合理的預(yù)防性測試，包括兩臺國產(chǎn)化應(yīng)力銷在內(nèi)的全部應(yīng)力銷每個季度保證測試覆蓋，根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行分析，對于誤差趨勢偏大的應(yīng)力銷，在LNG船舶接卸過程中重點關(guān)注運行情況，切實降低維護成本。

5 總結(jié)

輔助靠泊系統(tǒng)應(yīng)力銷國產(chǎn)化的研究及應(yīng)用大大開拓了相關(guān)進口設(shè)備國產(chǎn)化的思路，相比進口應(yīng)力銷，平均每個國產(chǎn)應(yīng)力銷可節(jié)省費用約5萬元，按照目前2個國產(chǎn)化應(yīng)力銷更換成本計算，可節(jié)省約10萬元。一般LNG接收站輔助靠泊系統(tǒng)共有28個應(yīng)力銷，如后續(xù)的故障更換均國產(chǎn)化，則可節(jié)省費用約140萬元。除此之外，國產(chǎn)化的應(yīng)力銷供貨周期縮短到2個月，后期維護相應(yīng)可做到24小時內(nèi)，另可挽回延遲接船滯港費8-10萬美金/天。可將此國產(chǎn)化設(shè)備作為降本增效的舉措供其他接收站或碼頭借鑒，尤其是新建接收站一次性國產(chǎn)化效益更大。

下一步需要進一步收集國產(chǎn)化應(yīng)力銷的使用數(shù)據(jù)，針對反饋情況優(yōu)化國產(chǎn)應(yīng)力銷，尤其是選用金屬材質(zhì)理論數(shù)據(jù)理想，需要進一步在實際中驗證優(yōu)化。

參考文獻：

[1] 徐承軍，黃慶林，吳建曲. 船舶離靠泊輔助系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].港口裝運，2020， （5）：50-55.

[2] 葉麗梅.分析熱處理工藝對17-4PH不銹鋼強度和組織的影響[J].世界有色金屬，2017，（05）：10-11.

[3] 彭振中，虞永熙. 應(yīng)力應(yīng)變電測技術(shù)（一）—電阻應(yīng)變片[J]. 水利電力機械，1988， （06）：52-56.