于波

（中國船級(jí)社秦皇島分社，河北秦皇島　066000）

0　引言

隨著國內(nèi)船舶工業(yè)的蓬勃發(fā)展,在中國建造船舶成為越來越多船東的選擇。截止到2015年底,我國造船產(chǎn)量占世界份額達(dá)35%以上,已成為世界一流造船大國。隨著船舶建造數(shù)量的增加,近幾年船舶尾軸承高溫問題在各大船廠的船舶建造過程中頻繁出現(xiàn),這類事故的發(fā)生一方面影響交船進(jìn)度,增加造船成本;另一方面會(huì)引發(fā)船東對(duì)中國造船質(zhì)量問題的擔(dān)憂進(jìn)而影響后續(xù)接單。本文在詳細(xì)介紹某VLCC尾軸承高溫問題處理過程的基礎(chǔ)上,剖析了影響軸系安裝質(zhì)量的關(guān)鍵要點(diǎn),形成了整套修理方案并Z終解決了問題,希望對(duì)從事軸系安裝及修理的相關(guān)人員有所幫助。

1　某VLCC軸系布置及其出現(xiàn)的問題

1.1某VLCC軸系布置

該輪主機(jī)選用瓦錫蘭二沖程低速柴油機(jī),是通過一根中間軸和一根螺旋槳軸直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳體,具體內(nèi)容詳見某VLCC軸系布置圖,如圖1所示。

尾軸管內(nèi)設(shè)有前后尾軸承,為滿足螺旋槳軸與尾管后軸承的相對(duì)傾角,該輪尾后軸承采用雙斜度設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)值分別為:0.25mm/m和0.45mm/m,并由尾軸承生產(chǎn)廠家制造并確保其滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2尾軸承高溫事故描述

基于上述軸承設(shè)計(jì),該輪經(jīng)過四天海上試航,在主機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)過程中,尾軸承溫度正常,保持在36℃左右。在達(dá)到該輪設(shè)計(jì)吃水時(shí),進(jìn)行主航速測定試驗(yàn),在操右舵25°后,尾軸承溫度升至93℃,停車檢查發(fā)現(xiàn)尾管滑油濾器已被金屬堵塞，推測尾部軸承高溫已引起部分白合金脫落,故停止試驗(yàn),返回船廠進(jìn)塢修理。

尾部尾軸承高溫問題導(dǎo)致了尾管后軸承損壞。該輪系VLCC系列船的Z后一條在建船舶,其余3條姐妹船已交付并投入營運(yùn)。該4條系列船共用一套設(shè)計(jì)圖紙、軸系計(jì)算書及安裝工藝,基于其姐妹船的軸系校中結(jié)果,設(shè)計(jì)上并不存在問題。根據(jù)船舶發(fā)生尾軸承高溫時(shí)所處的工況,可以看出船舶直行時(shí)軸承沒有異常現(xiàn)象發(fā)生,但當(dāng)船舶在做回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí),尾管后軸承溫度瞬間急劇上升,Z終導(dǎo)致軸承損壞。

這一現(xiàn)象說明螺旋槳在船艉不均勻伴流場運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的水動(dòng)力與船舶的操縱工況有關(guān),對(duì)于出現(xiàn)問題的船舶,船艉不均勻伴流場產(chǎn)生的水動(dòng)力對(duì)軸系校中的影響較大,Z終導(dǎo)致在達(dá)到設(shè)計(jì)吃水時(shí),進(jìn)行右向大舵角操作而引起尾管后軸承過熱,并Z終引發(fā)尾管后軸承白合金燒蝕。

2　后續(xù)修理措施的制定

基于尾管內(nèi)后軸承的高溫及其導(dǎo)致的軸承損壞情況,本研究擬通過激光測量對(duì)現(xiàn)有的尾軸管內(nèi)部狀況進(jìn)行確認(rèn),對(duì)損壞時(shí)的冷態(tài)軸承負(fù)荷分配進(jìn)行測量,作為后續(xù)制定修理措施的參考,提出優(yōu)化方案,并重新校中計(jì)算。對(duì)螺旋槳軸與軸承接觸位置進(jìn)行表面清潔。清潔后進(jìn)行探傷確認(rèn)其狀態(tài)。

(1)分兩次進(jìn)行激光測量。

①次激光測量是在不拆除尾管后軸承的情況下進(jìn)行,即先對(duì)已損壞的尾管后軸承進(jìn)行簡單打磨處理,再在尾軸管內(nèi)進(jìn)行激光測量并完成對(duì)尾軸管內(nèi)狀態(tài)的確認(rèn)。安裝已損壞軸承情況下的尾后軸承的斜度測量結(jié)果如圖2所示。

從激光測量結(jié)果可知,磨損后的尾管后軸承的雙斜度測量結(jié)果為:0.23mm/m和0.42mm/m,接近于原始設(shè)計(jì)的理論雙斜度值:0.25mm/m和0.45mm/m。

②第二次激光測量是在拆除損壞的尾后軸承后進(jìn)行,其目的是為了檢查尾軸管內(nèi)部的狀態(tài),確認(rèn)其是否符合設(shè)計(jì)要求,測量結(jié)果如圖3所示。

由測量結(jié)果可知,在尾軸管后軸承安裝位置處的內(nèi)孔局部有輕微變形,尤其是靠近后軸承前端部分，后期需通過加工尾后軸承尺寸,調(diào)整尾軸管內(nèi)部變形量來解決。

(2)由船級(jí)社審批的軸系校中計(jì)算書及軸系設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知,該輪試航前初始螺旋槳軸與尾管后軸承的相對(duì)傾角為2×10^-4rad。小于審批船級(jí)社規(guī)范規(guī)定的3×10^-4rad。當(dāng)尾管中螺旋槳軸與軸承之間的相對(duì)傾角超過3.0×10^-4rad時(shí),應(yīng)進(jìn)行斜鏜孔2。中國船級(jí)社認(rèn)為轉(zhuǎn)角超過3.5×10^-4rad時(shí),應(yīng)進(jìn)行斜鏜孔3。各國船級(jí)社對(duì)尾軸承轉(zhuǎn)角的標(biāo)準(zhǔn)都制定了參考標(biāo)準(zhǔn)其依據(jù)是尾軸的彈性變形曲線4。核查初始的軸系安裝數(shù)據(jù),其尾管后軸承的間隙數(shù)值為1.4mm,符合設(shè)計(jì)要求在軸系正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中,螺旋槳軸與尾管后軸承的相對(duì)傾角的大小影響著尾管后軸承與螺旋槳軸之間的潤滑油膜的?立,當(dāng)二者之間的相對(duì)傾角超過了規(guī)范規(guī)定的數(shù)值,二者之間潤滑油膜不能有效建立。當(dāng)螺旋槳軸與尾管后軸承之間的潤滑油膜不能有效建立時(shí),在二者的接觸面上就會(huì)發(fā)生異常磨損,導(dǎo)致尾管后軸承白合金損壞,尾管后軸承高溫。為了供后續(xù)制定修船方案參考,在尾管后軸承損壞的情況下,測量和計(jì)算出各個(gè)軸承的冷態(tài)負(fù)荷分配如圖4所示。

從上述軸系負(fù)荷分配來看,損壞時(shí)尾后軸承后端的負(fù)荷較大。即在潤滑狀況不理想的情況下,尾軸承表面發(fā)生過熱,Z終導(dǎo)致尾軸白合金發(fā)生損壞。在初始設(shè)計(jì)中,軸承在各種工況下的負(fù)荷均在允許范圍之內(nèi),為使螺旋槳軸與尾管后軸承更好地建立油膜,決定修理時(shí)通過進(jìn)一步加大尾軸承后部的第二斜度,尾管軸軸承斜度優(yōu)化為0.25mm/m和0.70mm/m,有效減小螺旋槳軸與尾管后軸承的相對(duì)傾角,確保其在各種工況下油膜均能有效建立。優(yōu)化后的尾后軸承前后斜度對(duì)比如圖5所示。

基于激光測量結(jié)果及擬采用的優(yōu)化方法,重新對(duì)該軸系進(jìn)行校中計(jì)算,并經(jīng)過船級(jí)社的認(rèn)可,Z終確定在冷態(tài)靜止?fàn)顟B(tài),該輪各個(gè)軸承的負(fù)荷分配情況。采用負(fù)荷頂舉試驗(yàn)測量冷態(tài)的軸系實(shí)際負(fù)荷,頂舉位置與原計(jì)算書保持一致。其余工況對(duì)應(yīng)的軸承負(fù)荷分配示意圖這里不一一列舉,各個(gè)工況的校中計(jì)算均經(jīng)過船級(jí)社的審批,符合船級(jí)社的規(guī)范要求。對(duì)螺旋槳軸與尾軸承接觸部位進(jìn)行了打磨處理,后經(jīng)過探傷發(fā)現(xiàn)無缺陷,螺旋槳軸可繼續(xù)使用。

3　船上軸系安裝及軸系負(fù)荷測量

根據(jù)重新審批的軸系校中計(jì)算書編制軸系校中工藝,送驗(yàn)船師審批,按照審批的軸系安裝工藝完成軸系安裝及校中。軸系的船上安裝過程簡介如下:

(1)船上尾后軸承的壓裝及安裝后激光尺寸測量。

基于激光測量尾軸管內(nèi)的狀況(見圖2、圖3),以及優(yōu)化后的尾軸承雙斜度對(duì)比示意圖(見圖5),對(duì)尾后軸承按照原設(shè)計(jì)重新訂貨,并進(jìn)行機(jī)械加工。在尾軸承內(nèi)部增大其第二斜度,對(duì)軸承外圓進(jìn)行偏心加工,加工示意圖如圖6、圖7所示。加工后進(jìn)行測量,并確認(rèn)軸承符合修理方案要求。在按照尾軸承壓裝工藝對(duì)該尾軸承進(jìn)行實(shí)船安裝后,用激光測量法對(duì)尾管內(nèi)的軸承雙斜度進(jìn)行壓裝后的再次確認(rèn),其測量結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)大型船舶的軸承安裝,在尾軸承壓裝后對(duì)帶有斜度的尾管軸承進(jìn)行復(fù)測,確保其符合設(shè)計(jì)要求,這非常必要。因?yàn)槠湫倍葦?shù)值直接影響尾軸承與尾軸之間的潤滑效果,而復(fù)測所需成本相較于出現(xiàn)高溫導(dǎo)致?lián)p壞后的處理成本少得多,故建議有條件的船廠增加該質(zhì)量控制過程。目前,某些船級(jí)社已經(jīng)將復(fù)測過程納入規(guī)范要求,從而有效降低尾軸承出現(xiàn)高溫的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)軸系安裝。

尾軸承安裝到位后,由于該輪主機(jī)位置未動(dòng),根據(jù)校中計(jì)算書的內(nèi)容,將軸系進(jìn)行連接安裝,固定中間軸承位置,用頂舉法對(duì)各軸承的負(fù)荷進(jìn)行Z終測量,確保各軸承的負(fù)荷數(shù)值工藝與校中計(jì)算書的要求一致。船上軸承安裝過程,均需符合由船級(jí)社批準(zhǔn)的軸承校中及負(fù)荷測量工藝要求。

(3)按上述方案對(duì)軸系進(jìn)行優(yōu)化后,重新進(jìn)行航海試驗(yàn)。

并根據(jù)航海試驗(yàn)大綱內(nèi)容,完成了所有關(guān)于主機(jī)的試驗(yàn)項(xiàng)目,全程均未發(fā)生尾軸承高溫報(bào)警,其熱態(tài)負(fù)荷測量也在允許的計(jì)算范圍內(nèi)。目前,該輪交付已有一年多,從未出現(xiàn)尾軸承高溫事故,充分說明本次修理工作合理、有效。

4　結(jié)論

軸系是整個(gè)船舶推進(jìn)系統(tǒng)中的核心部分,現(xiàn)代大型船舶對(duì)軸系布置引入了合理校中的概念,將整個(gè)軸系的負(fù)荷合理分配到主機(jī)、中間軸承、尾管前軸承和尾管后軸承上,該理論在實(shí)船上的應(yīng)用效果比較理想。

針對(duì)大型新造船項(xiàng)目,對(duì)于使用尾軸管焊接一鏜孔一尾軸承壓裝的船舶,建議在以下三個(gè)方面予以重點(diǎn)關(guān)注,確保軸系安裝建造質(zhì)量。

(1)軸系施工開始前,應(yīng)根據(jù)審批的軸系校中計(jì)算書和施工工藝核查船廠提交的現(xiàn)場施工文件,杜絕施工文件與批準(zhǔn)文件要求不一致的情況,并在施工過程嚴(yán)格執(zhí)行批準(zhǔn)的工藝文件。

(2)對(duì)于船舶建造而言,考慮到因螺旋槳重量而引起的尾軸折角,在軸系安裝及校中環(huán)節(jié),需核查圖紙和計(jì)算書是否有斜鏜孔要求,確保軸承間隙檢驗(yàn)與圖紙/計(jì)算書中要求一致。針對(duì)軸承傾斜設(shè)計(jì),需在尾軸承制作時(shí)由制造廠家按圖紙要求加工成對(duì)應(yīng)的斜率,待設(shè)備運(yùn)至車間后進(jìn)行復(fù)測,并同時(shí)核查其出廠記錄。

(3)對(duì)于使用尾軸管焊接一鏜孔一尾軸承壓裝的工藝,需重點(diǎn)關(guān)注尾管內(nèi)孔質(zhì)量、尾管與尾軸承配合過盈量,以及船廠是否有適當(dāng)?shù)墓に嚹芰?、配套工裝和設(shè)備。在裝配過程中,對(duì)于各個(gè)節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場檢驗(yàn)與裝配過程進(jìn)行有效監(jiān)控。針對(duì)尾軸管內(nèi)雙斜度設(shè)計(jì)需在進(jìn)行尾軸承壓裝后,在船上采用激光或紅外線照光等方法驗(yàn)證其斜度是否與設(shè)計(jì)要求一致。多數(shù)船廠尚未進(jìn)行該復(fù)測工作,建議船廠進(jìn)行該測量工作,降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)?？傊?影響軸系狀態(tài)的因素很多,但只要嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求,嚴(yán)格進(jìn)行過程的質(zhì)量控制,軸系的建造質(zhì)量還是有保障的。

來源：《造船技術(shù)》2016年03期