3 000 m深水鋪管起重船推進(jìn)器卡阻分析

朱華林，付 鵬

(江蘇熔盛重工有限公司 海洋工程事業(yè)部，江蘇 如皋226532)

1 全回轉(zhuǎn)可伸縮式推進(jìn)器

1.1 可伸縮推進(jìn)器分布位置介紹

江蘇熔盛重工承建的3 000 m深水鋪管起重船共有可伸縮推進(jìn)裝置5臺，用于鋪管及起重狀態(tài)的動(dòng)力定位。當(dāng)船舶航行時(shí)，可伸縮推進(jìn)裝置處于收縮狀態(tài);動(dòng)力定位時(shí)，推進(jìn)裝置伸出，通過轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)可360°全回轉(zhuǎn)。按從船艉到船艏，從左舷到右舷的順序，推進(jìn)裝置分別稱為#3、#4、#5、#6、#7推進(jìn)器，其在船上的相對位置見圖1。

圖1 可伸縮推進(jìn)器位置分布

1.2 工作原理

1.2.1 伸縮系統(tǒng)

當(dāng)推進(jìn)裝置需收縮時(shí)，電機(jī)輸出軸與推進(jìn)器輸入軸之間的離合裝置處于斷開位置，安裝于絲桿基座上的兩只液壓伸縮馬達(dá)動(dòng)作，通過同步鏈條帶動(dòng)兩根絲桿同步旋轉(zhuǎn)，由于與絲桿配合的螺紋襯套固定安裝于上齒輪箱基座，所以絲桿的旋轉(zhuǎn)使上齒輪箱基座-舵管組件及與之相連的下齒輪箱、螺旋槳、導(dǎo)流罩、推力梁等分組件向上拉升，從而達(dá)到收縮的目的。推進(jìn)裝置伸出原理亦然。見圖2。

圖2 伸縮/全回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

1.2.2 全回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)

推進(jìn)裝置處于伸出狀態(tài)，上齒輪箱基座上的4只液壓轉(zhuǎn)舵馬達(dá)在液壓作用下，同步帶動(dòng)舵管上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。由于舵管與下齒輪箱分組件上的舵柄相連，所以與下齒輪箱分組件所連接的螺旋槳、導(dǎo)流罩亦在其帶動(dòng)下以舵管為中心回轉(zhuǎn)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)舵目的。

1.2.3 推力系統(tǒng)

推進(jìn)裝置處于伸出狀態(tài)，電機(jī)軸與推進(jìn)器輸入軸之間的離合裝置嚙合，上齒輪箱內(nèi)的錐齒輪使沿電機(jī)軸線的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為沿傳動(dòng)軸軸線旋轉(zhuǎn)，由于傳動(dòng)軸與下齒輪箱內(nèi)的小齒輪軸上端嚙合，從而帶動(dòng)下齒輪箱內(nèi)錐齒輪旋轉(zhuǎn)，使沿傳動(dòng)軸軸線的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為沿螺旋槳軸軸線的旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生推力。見圖3。

圖3 推力系統(tǒng)

1.3 全回轉(zhuǎn)可伸縮式推進(jìn)裝置基本參數(shù)

推力型式:電推進(jìn)

輸入功率(MCR):3 200 kW，900 r/min

螺旋槳直徑/形式:3 200 mm/FPP

推進(jìn)器回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速:約2 r/min

滑油系統(tǒng)循環(huán)量:8.4 m3/h

滑油需量:3 200 L

壓縮空氣:0.7 MPa

推進(jìn)電機(jī)功率(MCR):3 200 kW，900 r/min

推進(jìn)器型號:FS2510/2 500 MNR

輸入轉(zhuǎn)速:0～900 r/min

螺旋槳轉(zhuǎn)速:192 r/min

淡水消耗:(38℃，0.3 MPa)

液壓轉(zhuǎn)舵及伸縮系統(tǒng)循環(huán)量:3.6 m3/h

液壓油需量:1 200 L

推進(jìn)電機(jī)制造商:ABB

推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速:0～900 r/m

1.4 可伸縮推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)組成

側(cè)推進(jìn)裝置包括推進(jìn)電機(jī)、上齒輪箱、舵管組件、剎車盤、快速離合器、伸縮裝置及組件、絲桿液壓馬達(dá)、同步鏈條、下齒輪箱及組件、導(dǎo)向桿、導(dǎo)流罩、導(dǎo)流鰭、推力梁及螺旋槳等，見圖4。

2 調(diào)試過程中遇到的重大問題

6#可伸縮推進(jìn)器浮動(dòng)軸對中和推進(jìn)電機(jī)基座的環(huán)氧澆注前，進(jìn)行伸縮試驗(yàn)時(shí)，6#全回轉(zhuǎn)可伸縮式推進(jìn)器伸縮部分卡住，無法進(jìn)行收放操作和開展項(xiàng)目的后續(xù)對中工作。通過安排潛水員對水下推力梁的測量，發(fā)現(xiàn)推力梁左右側(cè)不平，單邊傾斜了13 mm。

經(jīng)調(diào)整水下推力梁至水平后，使用液壓扁油泵和手拉葫蘆，終于緩慢提升成功。經(jīng)檢查，水上齒輪箱襯套未受損、水下導(dǎo)桿與推力梁襯套也未受損。進(jìn)行收放檢查，一切正常，服務(wù)商表示故障排除。并一致認(rèn)為，現(xiàn)場服務(wù)商通過電磁閥手動(dòng)下放推進(jìn)器的過程中，由于操作失誤，未對推進(jìn)器下放過程進(jìn)行良好控制，導(dǎo)致6#可伸縮推進(jìn)器伸縮部件整體超過設(shè)定位置，是造成水下推力梁傾斜產(chǎn)生卡死的原因。

圖4 可伸縮式推進(jìn)器結(jié)構(gòu)組成

2.1 水下部分結(jié)構(gòu)介紹

水下部分主要包括舵桿、下齒輪箱及組件、導(dǎo)流罩、螺旋槳、水下導(dǎo)桿、推力梁、座板支撐、導(dǎo)流鰭、割網(wǎng)刀及填料函等，見圖5。

圖5 DP推進(jìn)器水下部分結(jié)構(gòu)組成

2.2 原因分析

1)在采用手動(dòng)方式下放推進(jìn)器時(shí)，未能控制最后的下放位置，導(dǎo)致推進(jìn)器下放超過了對中位置1 3 m m，并造成水下推力梁軸承襯套卡住。

2)對推進(jìn)器的水下部分進(jìn)行檢查后，現(xiàn)場做出了錯(cuò)誤的判斷，排除了水下推力梁軸承襯套卡住的可能性。

3)在整個(gè)推進(jìn)器檢查及嘗試修復(fù)過程中，忽視了水下推力梁平衡度的測量，最終導(dǎo)致推力梁傾斜了13 mm，不僅對之前所有的嘗試修復(fù)造成阻礙，還可能增加損壞推力梁軸承襯套的狀況，增加了水下推力梁軸承襯套更換的風(fēng)險(xiǎn)。

4)設(shè)計(jì)上存在問題:水下部分，左側(cè)水下導(dǎo)桿在設(shè)計(jì)上，從上(330 mm)至下(340 mm)，呈臺階狀逐漸變粗，下降到最底端時(shí)，水下導(dǎo)桿與襯套間的間隙最小約0.15 mm。再加上服務(wù)商手動(dòng)操作失誤，導(dǎo)致上下齒輪箱超過下限位，慣性作用下，水下導(dǎo)桿與襯套間抱死，機(jī)械卡死。見圖6、7。

2.3 解決辦法

1)分離導(dǎo)向襯套與絲桿襯套，便于絲桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)上齒輪箱升降;

2)測試聯(lián)動(dòng)過程。手搖絲桿上升，水下用百分表觀測水下導(dǎo)桿的銅套是否動(dòng)作，同時(shí)水上部分在兩絲桿處的上齒輪箱下端面打百分表，百分表4、5、6，判斷水上部分的動(dòng)作情況;結(jié)果水上部分上升0.3 mm，水下部分沒有動(dòng)作，見圖8。

3)把水上部分作為一個(gè)整體，用油頂作用在上齒輪箱上，水上、水下同時(shí)打表，如圖9所示:百分表1至百分表6，判斷水下部分是否抱死。

4)絲桿馬達(dá)油泵及上軸承座拆除，下軸承座及絲桿襯套下壓蓋螺絲拆除。絲桿上方增加吊裝的葫蘆1、2、3及4。用4個(gè)40 t的油頂對上齒輪箱施加向上的力，水下分別打百分表1、2及3。

通過上齒輪箱整體向上的移動(dòng)量和水下推力梁平面向上的移動(dòng)量，判斷各部分的聯(lián)動(dòng)情況。水上部分移動(dòng):P側(cè)百分表4:3.52 mm;S側(cè)百分表6:3.61 mm;水下部分的移動(dòng)，P側(cè)百分表1:0.85 mm，S側(cè)百分表2:0.77 mm;釋放壓力后，水下右側(cè)百分表2和中間百分表3回零，左側(cè)百分表1不回零。由此初步判斷水下左側(cè)導(dǎo)桿抱死。

5)水下部分用手拉葫蘆和20 t的扁油頂向上頂升推力梁，并在水上部分對上齒輪箱同時(shí)釋加4個(gè)葫蘆向上的外力;結(jié)果左側(cè)推力梁平面沒有位移量，右側(cè)推力梁仍能上移2 mm，表明推力梁平面不水平。

6)水上部分拆開左側(cè)導(dǎo)桿襯套，水上用4個(gè)15 t葫蘆向上施力，水下用2個(gè)20 t扁油頂向上頂升推力梁，同時(shí)，潛水員在水下打表測量每次上升量和推力梁的水平情況，直到推力梁水平為止。見圖10。

推力梁上升過程:水下用2個(gè)5 t葫蘆，2個(gè)20 t的扁油頂同時(shí)向上，同時(shí)水上用2個(gè)20 t的千斤頂和4個(gè)20 t的葫蘆施加向上的力，水下用卡鉗測量上升高度，左右同時(shí)記錄判斷推力梁是否保持水平。

圖10 扁油泵、葫蘆外力作用及百分表測量位置分布

當(dāng)水下升到600 mm后，水上的絲桿襯套與絲桿脫開，水下測量結(jié)束，肉眼觀察水下拉起的襯套，未看到有明顯變形。水上繼續(xù)用4個(gè)20 t葫蘆向上拉起，升至2.00 m，絲桿襯套旋上，4根支撐柱裝上，保險(xiǎn)鎖上。至此，服務(wù)工程師確認(rèn)故障排除。

2.4 綜合分析及合理化建議

除了#6推進(jìn)器在升降過程中出現(xiàn)過卡阻的情況外，#3推進(jìn)器在自動(dòng)升降過程式中，下降結(jié)束后，上升過程中出現(xiàn)卡阻，水下部分也出現(xiàn)無法收進(jìn)艙內(nèi)的現(xiàn)象。在DPV項(xiàng)目組組織下，和服務(wù)工程師一起確認(rèn)受阻部位，快速組織潛水員，對其進(jìn)行水下部分結(jié)構(gòu)培訓(xùn)，安排專人配合，潛水員到水下清理海生物，同時(shí)點(diǎn)動(dòng)升降，直到重新升起來為止。

2.4.1 原因分析

在青島海域的工況下，將近有5個(gè)月沒有升降，大量硬質(zhì)海生物填充在導(dǎo)桿與襯套的間隙之間，使水下的齒輪箱受巨大外力，無法在伸縮系統(tǒng)的帶動(dòng)下上升。

廠家在設(shè)計(jì)上存在重大缺陷:5臺可伸縮推進(jìn)器在長江淡水內(nèi)建造了398天(10年5月28日出塢到11年6月20日第一次試航)沒有出現(xiàn)升降過程中水下部分卡阻的現(xiàn)象。但到中國海洋石油(青島)有限公司107天的青島海況下，就頻繁出現(xiàn)了水下部分卡阻現(xiàn)象，這表明收放艙內(nèi)沒有有效的防海生物措施，如增加防海生物電極、陰極保護(hù)等防海生物裝置。

水下部分，水下導(dǎo)桿與推力梁的襯套間的間隙在設(shè)計(jì)上缺乏實(shí)用性。①從上向下的間隙不是足夠小，在上下升降過程中還無法借助自身的推力將表面清理干凈。②水下導(dǎo)桿的材料無法做到防海生物。③水下導(dǎo)桿長期浸泡在海水中，當(dāng)無法改變水下導(dǎo)桿與襯套間的間隙時(shí)，可以通過在水下導(dǎo)桿表面做防護(hù)漆，抑止海生物的生長，因?yàn)榇w的外板通過這種方式，起到了很好的防海生物的效果。

2.4.2 合理化建議

1)在5臺可伸縮推進(jìn)器的收放艙內(nèi)增加2套防海生物裝置，防止大量海生物在艙內(nèi)聚積產(chǎn)生卡阻危害。

2)設(shè)計(jì)時(shí)在水下導(dǎo)桿外表做一定厚度的防海生物的油漆:一度防腐底漆，二度間隔封閉漆，三度防腐防生物漆，四度防腐防生物漆，五度防腐防海生物漆。同水線以下船底外板，五度油漆可以防止海生物在水下導(dǎo)桿上附著;同時(shí)改善水下導(dǎo)桿的材料，使其輔助地達(dá)到防海生物的效果。

3)每隔20天伸降一次，使海生物在硬化前通過襯套與水下導(dǎo)桿間的摩擦力將海生物清理掉，減小海生物受阻的幾率。

4)在推力梁上的襯套上安裝一圈一定長度的絞刀，絞刀通過推力梁的升降將水下導(dǎo)桿上的硬質(zhì)生物清理掉，達(dá)到順利升降的目的。