新型空氣型艉密封的特點

CCS浙江分社 賈建雄

早期船舶，由于槳軸直徑小、轉(zhuǎn)速較低和功率較小，一般都采用水來潤滑和冷卻軸承。隨著主機功率的提高和軸徑的增大，油潤滑軸承及軸封應(yīng)運而生。但如何確保潤滑油能有效地封閉在軸承區(qū)間而不向舷外和機艙泄漏就成了問題的關(guān)鍵。因為漏油不僅增加油耗，造成潤滑不良，更會污染環(huán)境。

艉軸密封裝置能保證艉軸在運轉(zhuǎn)中有下沉、徑向跳動及偏心運動、軸向竄動等情況時具有良好的密封性，有效隔離滑油和海水、泥沙，防止尾管滑油泄漏或海水進入機艙。所以艉密封裝置工作性能的好壞，直接影響船舶能否正常營運，它是船舶動力裝置的一個重要組成部分。隨著美國環(huán)保署（EPA）對進入美國水域的船舶提出更嚴(yán)格的船舶通用許可（VGP）要求，近兩年來，一種新型的空氣型艉密封應(yīng)運而生。

空氣型艉密封，充分利用傳統(tǒng)艉密封的型式，將原水封環(huán)和油封環(huán)之間的一個油腔改為氣腔，注入壓縮空氣，以分隔外部海水和艉軸管滑油，且有一路回收管回收可能泄漏的水和滑油至回收柜。常壓型空氣密封，通過加裝調(diào)壓裝置，將氣腔的氣源氣壓控制在恒定值P氣，在氣腔保持密封的條件下，氣腔內(nèi)氣壓P應(yīng)與P氣相等并保持恒定。

新型空氣型艉密封，是在常壓型空氣密封的基礎(chǔ)上，通過增加控制單元，調(diào)解氣腔的空氣恒流量的向海水逸出，或保證密封環(huán)之間的壓差恒定，實現(xiàn)水密封環(huán)和油密封環(huán)兩側(cè)壓力分別同步變化，其工作狀態(tài)不改變，一直能夠分別保持無磨損和僅有輕微磨損。

KEMEL公司的空氣型艉密封，主要有控制空氣單元、泄放收集單元、滑油柜單元和艉密封單元組成（圖1）。

其結(jié)構(gòu)特點是具有更多的密閉腔室，腔室由法蘭環(huán)、中間環(huán)、蓋環(huán)等多道用螺栓互相上緊的金屬環(huán)組成，金屬環(huán)之間有4道密封環(huán)，由螺栓緊固在密封環(huán)殼體中，密封環(huán)殼體由螺栓固定在螺旋槳軸輸出端上，不隨螺旋槳轉(zhuǎn)動(圖2)。密封環(huán)的唇部與襯套緊密貼合，在海水壓力、滑油壓力、密封環(huán)本身的彈性以及彈簧的夾緊力共同作用下，唇部與襯套保持一定的徑向力，從而達到其密封性能，保證裝置的密封性。密封環(huán)包括0#、1#、2#、3#四道，此外靠近海水一側(cè)還裝置一道合成橡膠P環(huán)，防止?jié)O網(wǎng)及碎片進入裝置內(nèi)。0#、1#密封環(huán)的作用是防止海水進入尾管，0#和1#、1#和2#密封環(huán)之間是空氣腔，2#和3#密封環(huán)之間是油腔，前2道環(huán)是向后的肘拐型，后2道環(huán)是向前的肘拐型。

圖1 KEMEL空氣型艉密封

圖2 KEMEL結(jié)構(gòu)圖

圖3 KEMEL控制原理圖

空氣控制單元內(nèi)的空氣來自機艙中的控制空氣，控制空氣經(jīng)空氣控制單元降為Pc，在氣控單元控制面板的左上方有一個流量計，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)空氣流量，壓縮空氣經(jīng)氣控單元后一部分進入艉密封單元的空氣腔室，另一部分進入滑油柜單元，控制滑油柜內(nèi)的壓力。空氣腔內(nèi)的空氣一部分經(jīng)泄放孔泄放到海水中，一部分進入泄放收集單元，通過其上的節(jié)流閥泄放到艙底。該密封裝置還包含滑油柜和滑油泵。滑油柜為封閉式油柜，船舶吃水變化時艉密封處的海水壓力也變化，當(dāng)海水壓力升高時空氣的背壓升高，空氣控制單元自動調(diào)整空氣壓力，始終保證空氣腔內(nèi)的壓力高于海水壓力，保證海水不進入空氣腔。當(dāng)空氣腔內(nèi)壓力升高時，滑油柜單元內(nèi)的壓力也會升高，這樣滑油泵的出口壓力也會升高，使艉密封油腔的壓力始終高于氣腔的壓力。

該空氣控制單元為流量恒定的單元，監(jiān)測并調(diào)節(jié)空氣流量，保證在任何情況下氣腔的空氣恒流量地向海水逸出。

1、對于水密封環(huán)，氣腔空氣恒流量地流過水密封環(huán)向海水逸出，水密封環(huán)的工作壓力基本為零，并由空氣隔開水密封環(huán)和密封套筒，極好地保證了水封環(huán)的工作壽命。

2、對于油密封環(huán)，假設(shè)控制單元出口處氣壓為Pc。氣腔內(nèi)的氣壓P氣腔，等于Pc減去C點至氣腔這一段管路的流動阻力損耗。考慮空氣流動阻力損耗甚小，可認(rèn)為P氣腔近似等于Pc。

油側(cè)壓力先考慮油泵不啟動，滑油不循環(huán)時的狀態(tài)，按靜壓傳遞原理，油側(cè)壓力P油=P油柜內(nèi)氣壓+油柜壓頭(該設(shè)備一般設(shè)置為0.3MPa)，由于控制單元出口點至尾軸滑油高置壓力油箱壓力這一路氣管中空氣僅有輕微流動或不流動，P油柜內(nèi)氣壓=Pc，所以P油=Pc+0.3MPa。在油泵驅(qū)動滑油循環(huán)時，考慮滑油流速低，阻力損耗不大，且循環(huán)是由油泵驅(qū)動，仍可認(rèn)為P油=Pc+0.3MPa。

兩相比較，油密封環(huán)工作在最佳工作壓差0.3MPa下，既保證了良好的密封性能，又保證了油密封環(huán)和密封套筒僅有輕微磨損。

3、外界水壓力變化的影響。空氣控制單元，保證在任何情況下，氣腔的空氣恒流量地向海水逸出。氣腔內(nèi)的氣壓P氣腔=P水+△P（△P：空氣抬起水封環(huán)向外逸出所需要的壓力）。因流量恒定，水封環(huán)抬起的高度基本不變，△p基本恒定，所以，氣腔壓力P氣腔可隨時反映外界水的壓力P水。控制單元出口壓力為Pc，根據(jù)流量方程：Q=ρVA（流量Q，密度ρ，流通面積A等均為固定值，所以流速V也是固定值）。再根據(jù)氣體一元定常流動的伯努里方程(理想流體，不考慮流動阻力，且忽略氣體重力的影響)：P/γ+V2/2g=常數(shù)，對于控制單元出口點和氣腔兩個界面，V2／29項的差值△(V2／29)也為一固定值，所以對于Pc和氣腔兩個界面， Pc就反映了P氣腔。綜上，Pc也就反映了外界水的壓力P水。外界水壓力P水變化時，P氣腔相應(yīng)變化，Pc也相應(yīng)變化。

水密封環(huán)和油密封環(huán)兩側(cè)壓力分別同步變化，其工作狀態(tài)不改變，一直能夠分別保持無磨損和僅有輕微磨損。

瓦錫蘭OLS4A-P空氣型艉密封，其與LEMEL公司空氣型艉密封結(jié)構(gòu)和原理均類似，但其核心是采用壓差控制單元，檢測并確保密封環(huán)之間的壓差恒定，確保恒定壓力的空氣從氣環(huán)逸出到海水中，使密封環(huán)達到最佳的工作狀態(tài)。

Blohm+Voss Industries公司Simplex-Compact SC 2000空氣型艉密封(圖4)，其4道密封環(huán)是3前1后布置，三腔內(nèi)分別為海水、空氣和油。其核心原理是設(shè)置吃水傳感器，根據(jù)吃水調(diào)整氣腔壓力始終比海水腔的壓力小0.1bar，確保1#密封環(huán)處于最優(yōu)狀態(tài)。由于密封環(huán)的方向和海水的徑向壓力，密封環(huán)被壓緊到白缸套上。如果萬一海水進入氣腔可通過控制電磁閥Y2，將空氣腔內(nèi)的海水泄艙底。

VGP規(guī)定所有船舶上的所有油水界面上必須使用環(huán)保潤滑油（EAL），除非技術(shù)上不可行。2013VGP于2012年12月19日正式生效。

技術(shù)上不可行的內(nèi)容及應(yīng)采取的措施：沒有經(jīng)認(rèn)可的滿足設(shè)備（如油封）制造商規(guī)格書要求的EALS可供使用；設(shè)備裝在船上前就因無法獲得EALS而使用了非EALS；船舶所到各港口無法獲得滿足制造商規(guī)格書要求的EALS；必須等船舶下次進塢才能更換或使用EALS。此外，VGP明確指出如果技術(shù)上不可行，應(yīng)將關(guān)于油水界面上使用EAL不可行的原因文檔保存在船上；上述文檔必須包含在年度報告中，結(jié)合年度報告上報EPA。

圖4 SC 2000結(jié)構(gòu)圖

圖5 SC 2000控制原理圖

據(jù)上，對于KEMEL公司和瓦錫蘭OLS4A-P等類似原理的新型空氣型艉密封，當(dāng)密封環(huán)密封性變差或失效時，滑油或海水(可能性比滑油更小)會進入空氣腔。但進入的滑油或海水會被空氣帶入泄放收集單元，不會造成海水進入尾管或滑油漏入海水的情況；而泄放收集單元有高位報警，可由此判斷密封環(huán)的性能是否變差或失效。對于如SC 2000等類似原理的艉密封，當(dāng)密封環(huán)失效時，海水進入空氣腔，電磁閥會打開將其泄放到艙底。

除上述外，對于向外排空氣的新型空氣型艉密封的顯著特征是末端多一道P環(huán)，可以有效防止?jié)O網(wǎng)等碎片攪入艉密封裝置，密封環(huán)增加了一層保障。

根據(jù)新型空氣型艉密封的結(jié)構(gòu)特征和特殊操作等情況分析，結(jié)合VGP對EAL的要求和EPA對空氣型密封是否需使用EAL的聲明，可以得出結(jié)論：使用新型空氣型艉密封后，不存在油水界面，故不需要將傳統(tǒng)的尾管滑油更換為EAL便可滿足VGP的要求。

目前，某些廠家的新型艉密封已獲得不需要使用EAL的許可。2014年3月17日DNV GL通過了對SIMPLEX COMPACT空氣型艉密封評估認(rèn)證，認(rèn)為其不存在油水界面，不需要更換為EAL。Wartsila也于2014年3月4日宣布其Airguard和Oceanguard型艉密封不存在油水界面，不需要更換EAL。KEMEL公司新型空氣型艉密封也在申請IACS各船級社的認(rèn)證。

當(dāng)前，前往美國水域的商船均需滿足VGP的要求。就油水界面使用EAL而言，對于安裝了(或即將安裝)新型空氣型艉密封的船舶，船東應(yīng)積極與艉密封制造廠聯(lián)系，以取得是否存在油水界面的聲明。當(dāng)然，艉密封生產(chǎn)廠家應(yīng)積極爭取EPA或第三方機構(gòu)對其新型產(chǎn)品滿足VGP要求的認(rèn)可，以便更好地服務(wù)船東。