闭式水润滑系统在南极磷虾船上的应用_林安.pdf

第 31 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.31 No.2Feb.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言目前，在大多远洋渔船和南极磷虾船上，仍在采用传统的油润滑艉管装置，随着近年来全球已注意到船舶对海洋污染的严重性，特别是自 2013 年，美国环保署（EPA）发布了 2013 船舶正常航行中产生的污染物排放通用许可（2013VGP），要求所有船舶在油水界面上必须使用环保润滑油，除非技术上不可行1。然而，根据国内外多家船厂反馈，在使用环保油后，出现了艉管后轴承高温报警，甚至轴承磨损的情况2。特别是绿色环保概念这几年深入人心以及越来越严苛的极地规则，在极地海域和加拿大五大湖区域，越来越多的船舶开始采用水润滑系统，由于并不存油水界面，则可视为符号VGP2013 的要求，因此闭式水润滑在极地运输船舶上的运用研究十分必要。本文结合 167 m 磷虾船的实船案例，分析闭式水润滑系统在极地运输船上的应用。1 闭式水润滑系统闭式水润滑系统是整个水润滑系统建立起自己的生态圈，水在此生态圈中循环。相比于开式水润滑的润滑介质海水，闭式系统的腐蚀性更小，有利于增加管路、滤器、泵、阀、艉管油漆、轴涂层和轴承等部件的使用寿命和可靠性；另外，在特定的海域如极地海域中，闭式水润滑系统中可以加入防冻剂使整个系统能够在极地的低温条件下安全运行。以 167 m 南极磷虾船为例，其闭式水润滑艉管系统闭式水润滑系统在南极磷虾船上的应用林 安（瓦锡兰维修服务（上海）有限公司，上海 201306）摘 要：考虑到目前闭式水润滑系统在国际航运市场上的应用案例较少，结合闭式水润滑系统和水处理单元的特点，分析其设计要点，提出相应的选型设计方案以及闭式水润滑系统轴状态监测的设计要求。以南极磷虾运输船为例，通过合理的水处理单元设计及对水润滑轴承进行合理的轴系校中和轴状态监测，试航和实际运营表明，水润滑系统目前的技术和轴承材料已发展成熟，在越来越严格的海洋保护规则背景下，闭式水润滑系统在极地冰区运营的远洋绿色船舶中将具有一定的市场和发展前景。关键词：闭式水润滑系统；极地绿色船舶；水润滑轴承中图分类号：U664.8 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.02.026引用格式林安.闭式水润滑系统在南极磷虾船上的应用 J.船舶物资与市场,2023,31(2):81-84.收稿日期：2023-02-06 作者简介：林安（1984-），男，学士，工程师，研究方向为船舶轮机设计。如图 1 所示，淡水从淡水柜经过水质处理单元泵送和处理，进入艉管装置，经过内部的小管子将淡水输送到艉密封处，润滑和冷却艉密封、前后轴承以及艏密封，最后从艏密封处返回到淡水柜循环使用。为了防止海水从艉密封处进入，闭式水润滑系统对船外的海水需保持一定的正压力。在该项目中，整个闭式水润滑系统采用了如下措施：首先是强制循环润滑冷却，在该磷虾船设计吃水 9 m 的条件下，系统内部的压力为 1 bar，保持了一定的正压力。另外，淡水柜的高度布置也高出外部吃水0.5 m，即使水质处理单元不运行时，通过淡水柜的重力作用，整个系统内部仍然能对外部保持正压力，防止海水或者泥沙进入。图 1 闭式水润滑艉管系统1.1 艉管艉管按型式可分为整体式和非整体式，磷虾船采用整体式艉管设计。该设计是将前、后水润滑轴承通过液氮或者干冰冷冻安装到艉管中，大概安装流程是先将轴承放入到钢制的容器中，泵入液氮后，盖上钢制容器的盖子，放置至少 30 min 后，将其取出，立马安装到艉管船舶物资与市场第 31 卷 第 2 期 82 中，轴承在室温内将膨胀并通过过盈配合留在了艉管内部。整体艉管由于在艉管制造厂已经预先进行了前后轴承的校中工作，到船厂后只需要进行整体安装，磷虾船项目采用先进的激光对中艉管，选定艏艉基点建立理论的轴系中心线后，对中完毕后将艉管通过环氧固定，对船厂的安装工艺要求大大降低，便于船厂的安装，缩短了一定的造船周期。1.2 前、后轴承目前广泛应用的水润滑轴承一般都采用高分子复合材料3，特别是热塑性增强树脂，它是弹性聚合物，此材料的性能相当好，而且具有一定的耐干摩擦能力4，目前主流厂家有赛龙、飞龙、瓦锡兰等。在磷虾船项目中采用高分子复合材料水润滑轴承，轴承的最大许用载荷为 0.6 MPa，小于白合金轴承的 0.8 MPa最大许用载荷，在实际的轴系校中计算中，在后轴承处的静载荷最大值为 0.38 MPa，因此该项目后轴承的实际长度选型为该轴段处的 2 倍，满足 DNV 的相关要求。另外，由于轴承材料为增强树脂，在水中运行有一定的吸水膨胀，且需注意水润滑艉管轴承由于船上使用的轴转速不能建立全液体润滑，只能半液体润滑，所以实际运行情况比理论运行情况恶劣，这种情况下特别要注意需采用防转措施限制水让润滑轴承的轴向运动和回旋运动。如图 2 所示，采用前后止动环的设计来限制水润滑轴承在艉管内部的轴向运动，采用轴承防转键的设计，也就是在轴承的 12 点钟位置开槽，防转键条通过螺栓和艉管固定连接来实现防转水润滑轴承旋转的功能。图 2 水润滑轴承止动环水润滑轴承的材料硬度远小于油润滑的白合金轴承，因此会有轴承磨损问题，一般水润滑轴承厂家可接受的磨损程度是轴承厚度的 1/3 左右，轴承磨损的测量可采用 2种方式，一种是采用手动磨损测量仪检测，另一种是采用轴承磨损测量仪对轴承的磨损进行实时和远程的监测，方便船员及时地掌握相关轴承运行情况。1.3 前、后密封装置闭式水润滑系统不仅设有艏密封装置，还在艉部设有艉密封装置。水润滑系统的艏密封装置一般采用面式密封，相比于油润滑的唇式密封，该型式密封可接受的安装误差范围更大，对船厂的安装要求较低，但面式密封处的动磨环为易损件，一般建议采用两半式，当动磨环损坏产生泄露时，则需要对零件进行更换，首先先让轴系停止转动，然后将 6 bar 左右的压缩空气打入到艏密封艉部的气胎中，使其膨胀与轴上的铜套紧紧贴合，从而在不抽艉轴的情况下，完成零件的更换。艉密封装置主要由静磨环、波纹管、动磨环密封面和底座等组成（见图3）。静磨环通过螺栓和艉管法兰连接，动磨环底座同样通过螺栓和桨毂法兰盖相连接，通过调整波纹管到合适的长度，使得动磨环密封面和静磨环紧紧贴合形成密封，确保了系统中的冷却水不泄露到海中。对于动磨环的形式，建议采用两半式，方便在不抽轴情况对零件进行更换，多次完成动磨环的更换工作5，可大大缩短船舶的坞修周期和减少船舶的维修费用。图 3 艉密封装置1.4 铜套为了防止艉轴在水中发生腐蚀，在尾轴的前后轴承处采用热套的方法将铜套过盈安装到该处的艉轴上，前后轴套之间使用玻璃钢等物包覆轴身，一般轴套衔接处可做成半圆槽，包覆多层玻璃钢或工程塑料且用铜丝或不锈钢丝扎牢，接缝部分不应处在轴承区域内，另外船级社对该铜套也有相关的要求。铜套的内外表面应该无孔隙和其它缺陷，进行 2 bar 的液压密性试验，应无裂纹或泄露现象。DNV 对铜套的最小外径为：t=(d+230)/32 ，式中：d 为尾轴在轴承档处的直径，mm。磷虾船项目为四冲发动机经齿轮箱变速后驱动可调距螺旋桨，因此在可调桨桨毂法兰盖和艉铜套的结合处设有一个 O 型密封圈，能够有效地防止冷却水从轴套后端与桨毂之间进入可调桨的桨毂内，将桨毂内的润滑油和冷却水有效分开。1.5 水质处理单元闭式水润滑系统中的水质处理系统主要由冷却淡水第 2 期 83 泵、过滤器、旋风式分离器、冷却器及流量计和温度压力传感器等组成，目前为了便于维护和安装，一般将水质处理系统做成模块化设计，该模块化的水质处理单元一般由水润滑轴承厂家打包出售。如果设计院或者船厂想独立设计该系统，则需要了解该系统的基本原理和相关设备需要的冷却水基本要求，才能开始前期的选型设计。闭式水润滑的水质处理系统的主要作用是提供输送冷却水的压力，过滤水中的杂质且监测冷却水的温度流量及压力，另外增加的冷却器是降低进口的冷却水温度，使该温度小于 40 C，延长轴承和密封的使用寿命。该系统主要是用于冷却艏密封，艏艉水润滑轴承以及艉密封，一般在前期设计时很难掌握实际需要的冷却水量，可以根据经验公式来进行推导，艏艉密封的最小冷却水流量要求为 1 L/mm/h,水润滑轴承的最小冷却水流量要求为 0.15 L/mm/min。淡水泵一般采用离心泵，该泵的特性是在启动前，泵壳和吸水管内必须充满水，因此该泵一般布置在机舱底层甲板，在该泵的入口吸管处设有压力传感器，可以监测泵的进口处是否始终保持在正压，防止泵干运作，因为如果干转极易发生机械故障，最坏可能导致泵设备的损坏。当系统的流量确定后，根据系统的最大流速不超过 3 m/s 来进行管路设计和附件选型。系统中的冷却淡水泵、滤器及流量计均需 2 套，一用一备，如果监测到低流量或压力低情况下，可自动切换到备用的设备，保证冷却水的正常供应。另外系统还设置 1 套旋风分离器，供系统应急状态时接海水使用，可以对海水进行充分的过滤和分离净化，至少清除直径大于 120m 的悬浮颗粒物，保证系统即使在应急状态时候还能确保海水的清洁度，很好地保护轴承。1.6 轴状态监测系统桨轴状态监控系统是对螺旋桨轴的润滑介质进行各项测试分析，掌握轴承磨损状态，确定润滑介质的状态，为维修决策提供依据。闭式水润滑系统的轴状态检测通过对淡水的品质，包括氯含量，PH 值以及轴承材料颗粒含量、流量、温度进行监控，以及对螺旋桨轴及其轴套的磨损或受保护情况进行监控，确保掌握轴承磨损状态及轴的腐蚀状态。目前，各个船级社针对轴状态监测系统都给出了船级符号，如 CCS 的 SCM 船级符号，DNV 的 TMON，BV 的 MON-SHAFT，ABS 的 TCM 等，也有越来越多的船东喜欢采用螺旋桨轴状态监控的入级符号，它有如下优点：如采用轴状态监测系统的船级符号，在规范规定的检验期内可取代抽轴检验；当按相关规范要求进行检验并认为满意时，水润滑螺旋桨轴的抽轴检查项目的时间间隔期最长不超过 15 年，减少了船舶坞修时间，为客户节省了维修费用以及缩短了停航时间。以 167 m 南极磷虾船项目为例，由于该项目入级DNV 船级社，且带 TMON 轴状态监测的船级符号，轴状态监测可通过进出口的流量计可以监测整个系统的水泵或者密封是否正常运行以及是否泄露，在该磷虾船正常运行中冷却水流量为 95 L/min，如果流量低于 90%，也就是 86 L/min 时，则会发出流量低位报警，船员需要进行如下检查，硬件方面检测水质单元及管路是否发生泄露，软件方面检测流量传感器是否发生故障。如果出口的流量还是继续下降且低于 50%时，则会发出低低位报警，这时候系统就要进入应急模式，变成开式润滑系统运行，截断淡水柜和盐度监测流量单元，来自海底门或者海水总管的海水直接进入水质处理单元，然后进入艏密封，冷却艏艉密封，前后轴承，然后海水直接排海。另外应设置螺旋桨轴起动联锁装置，防止在未建立起润滑水正常流量时起动螺旋桨轴6。在艉管的冷却水进出口处还设有温度监测和压力监测，监测进出口冷却水的温度差和压力差，保证进入艉管内部的淡水温度小于 40 C，压力小于 1.2 bar，保证所供的冷却水流量和温度在密封和轴承的正常使用范围内。另外，淡水柜还配置有液位开关，当检测到液位太低，则发出低位报警，提醒船员需打开淡水柜前的补水阀给淡水柜补水。该船还在系统出口处设置了 1 套盐度传感器，可以监测淡水中的盐度，当淡水中的氯化物含量超过 60 ppm 时，盐度报警器就会发出报警信号，这时需要船员去查看水质单元系统是否正常，艉密封是否破损等。在该项目上，关于水润滑轴承磨损的监测由于是带DNV TMON 符号，不仅要求手动测量磨损装置，还要求远程监测装置，且远程磨损测量传感器需要有一个额外的备用放在船上，该远程磨损传感器需提供 DNV 型式认可证书。每个月应记录一次来自监测装置测量得到的轴承磨损数据，以便追踪轴承磨损的趋势和轴承性能预期恶化的识别，如果航程超过 1 个月，最大间隔时间不应超过 1000 h7。2