VGP規范下艉軸承用環保油運行情況分析

周魯兵

（揚州大洋造船有限公司，揚州 225107）

0 引言

近來不少船舶企業在使用BIO-seal生物環保密封圈和 BIO-oil生物環保油（以下簡稱環保油）階段都或多或少遇到艉軸承短時間溫升較快的問題，有些船廠還遇到艉軸承磨損、實船進塢壓裝新艉管軸承現象。傳統經驗表明，對于出現軸承高溫現象回復最多的無外乎船廠自身的問題，經過重新校中、調整和清潔等就能恢復正常。但目前短時間內多個船廠、多條船同時出現軸承高溫現象，而且這些船都是運用 BIO-oil環保油后出現高溫，尤其值得關注的是，這些出現高溫的船舶一旦換回礦物油后，軸承運行一切正常。本文主要通過案例總結以及分析可能出現這種現象的種種原因，并結合 2014年11月7日CCS船級社在南京召開的關于《美國環保署環保油應用研討會》[5]，各個造船廠和軸承廠家以及滑油廠家共同討論，提出今后的新造船舶在運用這種 BIO-oil環保油時需要注意的事項和改進措施的建議。

1 新規范的由來

2013年美國環保局頒發的新規范規定，2013年12月19日之后新造船，如需要到美國海岸3英里，在國際海洋安全公約和國際船舶組織之外，還必須強制按照滿足 VGP要求，即所有船舶在油水界面上的設備必須使用環保潤滑油，除非技術上不可行（一般新造船不考慮技術上不可行這個方案）[3]

VPG規定船上主要設備存在油水分界面的地方如圖1所示。

圖1 生物降解油船上使用的具體設備和位置

從圖表可以看出，對于船廠影響最大最重要的地方，也是本文重點講的，是艉管環保生物降解油。目前各油品巨頭紛紛開足馬力研發和測試，已經出現了以粘度100cst、150cst和220cst為主的常用艉管滑油，見圖2。

圖2 海運生物降解油范圍

2 案例匯總與分析

隨著 VGP的執行，目前周邊船廠如揚州大洋造船、金陵船廠、城西船廠等，相繼更換了部分船舶的艉軸環保油，表1是一份整理關于部分船舶運用新環保油后，艉軸承出現的一些異常現象的匯總，結合表 1，我們分析了可能出現問題的原因以及應對措施。

2.1 環保油的選擇

直觀地從案例中可以發現，凡是出現軸承高溫報警的環保油，一旦換成礦物油或者提高環保油的粘度，軸承溫度就能恢復正常，以下是對環保油的初步分析：

靜態軸承負荷為N，軸承有效接觸面積為S，軸承的靜態比壓f0=N/S，為了安全的冗余度，考慮艉管軸承比壓選擇 0.8Mpa，中間軸承選擇2.0Mpa[1,2]；軸在運轉期間，油在軸表面的吸附力隨著軸轉動形成油膜來避免軸和軸承機械接觸摩擦產生損耗（見圖3）。

艉軸承處油的線速度 V（通常需要大于3.5m/S），油膜的比壓為f1（λ×S×V），軸實際受到比壓為f2，這中間的相互關系為：

1/f2=1/f0+1/f1

由式中可以得知：

艉軸f2=0.8 f1/(0.8+ f1)

表1 實船案例情況匯總

圖3 模擬運行摩擦效果

同樣運行情況下，油黏度越大，在形成同樣油膜的情況下，要求軸系轉速越小（見圖4）。換言之，同樣在推進系統相同的情況下，高黏度的油在啟動過程中安全系數更高，因此建議新造船提高艉軸環保油的粘度，目前可以選擇150CST[2,4]。

另外在選擇高粘度的環保時候需要注意，軸承溫度上稍微比100CST粘度的滑油溫度高～3°左右，其不同粘度的生物環保油，均以30℃為起點，其在兩個轉速下，可適用的溫度范圍見圖5和表2[2,4]。

3.2 軸承設計優化

從目前我們收集各個船廠的實際艉軸損害的照片來分析，軸承磨損主要出現在軸承后端，約200mm內的扇型面積內出現少部分摩擦（見圖6）。

圖4 粘度和油膜形成對比表

圖5 兩個轉速下的適用溫度范圍

傳統的軸承合金的磨損，大部分原因是由于潤滑不良或者斷油、滑油進水變質、軸承-軸相對轉角過大、軸承間隙過小，以及軸頸失園表面粗糙度過大等造成油膜破壞，發生干摩擦引起軸承發熱造成。目前針對用于 BIO-oil環保油出現高溫，而換成礦物油后溫度又正常的情況，經過和油品廠家討論，分析如下（見圖7）。

正常船舶運行，螺旋槳軸與軸承的末端在惡劣的運行環境中（轉速突變、螺旋槳浸沒、軸瓦受力不均等）可能導致軸承間隙過小，引起邊緣摩擦，目前運用的 BIO-oil環保油和礦物油的抗磨性能雖然都是12級，但是由于環保油和礦物油分子結構不同，會導致環保油在抗摩擦的同時，在保護軸與軸承表面能力稍強于礦物油，通俗地講，即礦物油在正常磨合的時候能夠加快軸與軸承表面細小的摩擦，并且帶走摩擦后的雜質；而環保油相反會阻止軸與軸承摩擦，更能保護軸與軸承的表面。另外，軸與軸承間隙在邊緣縮小的情況下，環保油比礦物油更難形成保護油膜，這個需要等待滑油廠家和軸承廠家進一步試驗。鑒于目前多條運用環保油損害船舶軸承的程度來看，損害主要集中在軸承尾部，而非整個軸承。從DNV船級社了解到，目前正在啟用的雙斜度軸承（見圖 8）的設計能夠更好地減小軸承邊緣摩擦[7]。

表2 粘度和溫升對比表

圖6 實際案例照片

圖7 模擬軸實際運行情況

圖8 雙斜度軸承圖示

3.3 其它可能導致軸承高溫的原因分析和建議

1）目前出現軸承高溫的船舶，主要集中在單軸承船舶，建議優化軸系載荷布置，考慮增加前軸承方案；

2）軸系校中計算過程中，充分考慮由于不同工況下船體變形導致的軸承位置發生變化，并且考慮螺旋槳附加彎矩的影響，以及提高軸和軸承表面粗糙度等級；

3）完善軸系施工、校中工藝，確保施工精度，在無前軸承的時候，軸系頂升階段，盡量避免對中間軸承的調整；

4）盡量避免螺旋槳非全浸沒狀態下，高速運轉，尤其是在過淺攤時，排壓載水后，要減速慢行，避免突然加速操作；

5）改善投油工藝，提高艉管滑油投油等級至相應的要求，盡量減少環保油參雜其它雜質的可能性。

4 結束語

船舶設計和建造一方面在大量重復性的工作中不斷積累經驗，另一方面需要不斷打破常規，勇于分析探索。鑒于當前運用BIO-oil環保油出現軸承高溫的現象還沒有找到根本原因，以下有兩種方法可以保持目前軸系現有設計，滿足 VGP要求，減小軸承高溫報警的風險，保證船廠的交船利益，供現有新造船廠參考。

1）更換艉軸冷卻方式（換成海水冷卻）或者更換密封型式（換成艉軸氣密封）。前者換成海水冷卻，這個方案相對與后者改成氣封密封型式，船廠成本較大，一般船廠很難接受，大多數船廠接受后者換成氣密封型式，空氣密封理論上在正常運行時，不存在油水界面，可以繼續使用普通礦物油，就能夠滿足VGP相關要求，而且氣密封是強制潤滑系統，比目前重力式潤滑系統更加安全可靠，在沒有找出運用環保油出現軸承高溫現象的真正原因之前，保持現狀繼續使用礦物油比較穩妥。另外如果選擇氣密封型式需要船級社認可，以及船東需要向 VGP當局提出申請。

2）考慮到現有船舶可能來不及更換密封環型式，而且還要用環保油，也可以嘗試另外一種方法。碼頭系泊直接用礦物油磨合，試航也用礦物油完成所有相關測試，回廠途中換成環保油，繼續做主機負荷試驗，最后用環保油交船。雖然這種做法還沒有找到理論依據支持，但從目前實際操作的情況來看，的確能夠減少出現軸承溫度異常現象的幾率，并且多條已交付的船舶在正常營運后，也沒有出現船東反饋軸承溫度異常；少數船舶在以后營運過程中出現軸承溫度異常現象，經排查應屬在特殊惡劣海況下運行。綜合考慮，這個方案是對目前已經具備系泊、試航條件船舶的最優方案，可供現有新造船參考。

[1]船舶設計實用手冊：輪機分冊.ISBN 7-118-02154-7/U.162, 1999.

[2]軸承密封選型設計手冊.

[3]美國環保局2013 VESSEL GENERAL PERMIT FOR DISCHARGES INCIDENTAL TO THE NORMAL OPERATION OF VESSELS (VGP) FINAL 2013 VGP.

[4]CASTROL /TOAL/MOBIL潤滑油手冊 .

[5]CCS美國環保署環保油應用研討會相關資料,2014.

[6]上海船舶研究設計院,使用環保油對軸系運行的影響及應對措施,2014.

[7]DNV-GL shaft alignment-revised class handling 2014.