LNG船液貨艙殷瓦卡舌折邊機改進

2018-09-27 06:58:00鄔昌平

造船技術 2018年4期

鄔昌平，趙亮，謝妤

(1.上海江南長興造船有限責任公司，上海201913； 2. 滬東中華造船(集團)有限公司，上海200129)

0 引言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas， LNG)船是國際公認的高技術、高難度和高附加值的“三高”船舶，其液貨圍護系統、液貨駁運系統和特殊的動力推進系統構成了LNG船的3大特點，其中液貨圍護系統是整個LNG船最特殊的區域，必須確保運輸的-163 ℃液化天然氣不會在液貨艙內大量揮發，設計與建造難度極大。

上海江南長興造船有限責任公司(以下簡稱公司)承建的No.96薄膜型LNG船設有4個液貨艙，液貨艙鋼結構通過結構性驗收后開始建造液貨艙絕緣層，液貨艙絕緣層由次絕緣層(次絕緣箱+次層殷瓦)和主絕緣層(主絕緣箱+主層殷瓦)組成(見圖1)，次絕緣層和主絕緣層對于每一個10面體的液貨艙來說均是能夠承受一定壓力的密封層。

殷瓦卡舌折邊機主要用于將殷瓦舌板預制成L形(見圖2)，并將其穿入上述次絕緣箱表面開設的T形槽內。液貨艙軸線方向的L形卡舌長度約為43 m，橫向每相隔500 mm就會放置這種L形卡舌，直至布滿液貨艙的10個面，卡舌左右兩側安裝了厚度為0.7 mm的等長于舌板的殷瓦列板，液貨艙前后方向的殷瓦卡舌和列板安裝完成后，殷瓦縫焊機對卡舌與左右兩側的殷瓦列板做縫焊，形成液貨艙的次絕緣層。

圖2 折彎前后的舌板材料

殷瓦卡舌折邊機是建造LNG船液貨圍護系統的關鍵設備之一，公司自2005年從法國ERI公司引進，至今已完成近20條該類型船舶的建造。然而，在液貨圍護系統的建造過程中，該設備暴露出穩定性差、舌板成形缺陷和質量不佳、伺服控制器損壞嚴重等諸多問題，嚴重影響現場生產。

1 殷瓦卡舌折邊機機械性能及存在的問題

殷瓦卡舌折邊機主要由伺服控制箱、卡舌折邊機機頭和控制盒組成，卡舌折邊機機頭(見圖3)主要由伺服控制器、伺服電機、減速機、成形輪、輸送導向臂組成，是典型的機電一體化產品，由法國ERI公司生產，通過法國GTT(Gaztransport & Technigaz)公司認可，適用于No.96-2(標準)的LNG船建造，在日本、韓國及法國大西洋等船廠中均有使用。

1.1 機械功能

設備功能是將殷瓦舌板材料放置在料盤內，通過30°、60°、90°壓輪，連續滾壓成L形殷瓦舌板，并根據法國GTT公司的要求，插入次絕緣箱的T形槽內。

1.2 技術性能

(1) 機械參數。速度：0～n可調；額定速度：n=3 000 mm/min；最大速度：nmax=4 100 mm/min。

(2) 供電及控制。伺服控制供電：DC 48 V；直流無刷電機控制：帶換相監測霍爾傳感器的三相變頻伺服控制；配電箱供電：單相230 V，50 Hz。

1.3 存在的問題

現場調研和跟蹤考察發現，法國ERI公司殷瓦卡舌折邊機存在如下問題：

(1) 穩定性較差。設備無法長時間穩定工作，大多數設備通常在折彎5～10條長約43 m的舌板后，便會出現停止運行的現象，嚴重影響現場的連續生產。

(2) 存在失控現象。在實船建造過程中，為縮短操作盒電纜的長度，通常將伺服控制箱布置在液貨艙中部位置(距離卡舌折邊機機頭約22 m處)。當設備在使用過程中出現控制盒失控現象時，須按下伺服控制箱上的緊急停止按鈕方可使設備停止工作。在操作人員跑向伺服控制箱的這段時間里，L形舌板前端在次絕緣箱卡舌槽內被頂死，卡舌折邊機又繼續以設定的速度輸出，使得設備尾端的L形舌板隆起，導致卡舌報廢。

(3) 伺服控制器損壞嚴重。該進口設備在連續使用后會出現機械運行走走停停的現象，甚至發生控制器、電路板損毀的現象，不但影響生產而且增加維修成本。

(4) 機械設計存在缺陷。該設備幾乎所有的伺服電機與齒輪箱均會產生松動現象，甚至在卡舌折邊機工作期間發生伺服電機與齒輪箱脫落的情況。

2 問題剖析與解決

卡舌折邊機運行機構(見圖4)主要由伺服控制器、伺服電機、齒輪箱組成。伺服電機連續做功導致溫升及發熱，而該設備的伺服控制器散熱面積過小，對伺服控制器造成嚴重影響，具體分析如下。

圖4 卡舌折邊機運行機構結構圖

2.1 電機做功溫升過高所引起的機構不穩定分析與對策

滾壓L形殷瓦卡舌成形需約200 W功率，采用48 V、230 W瑞典產直流無刷伺服電機(見圖5)作為驅動電機，連續運行1個工作日，電機溫度可達70～80 ℃，這一溫度致使放置在電機內用以監測位置的傳感器非常敏感，甚至會出錯，這是造成機械運行不穩定的因素之一。

圖5 直流無刷伺服電機

從圖5所示的直流無刷伺服電機圖可以看出：該電機沒有設置散熱裝置，在工作負載暫載率≤40%的工況下，沒有任何問題；若工作負載暫載率為100%，則會出現溫度隨時間不斷升高的問題，導致電機過熱，影響機構穩定性。

在電機表面無散熱材料的工況下，根據傅里葉定律，熱阻方程式為

(1)

式中：R為熱阻，°C/W；q為熱流或功率，W；T1為電機溫度，℃；T2為電機散熱器溫度，℃；ΔT為2個不同表面的溫度差，℃。

根據上述方程式，當電機沒有設置散熱器時ΔT=T1，當其他條件相同時，熱阻最大。

對于過大的熱阻所引起的電機過熱，可以通過增加電機的散熱器予以解決，如圖6所示。

圖6 電機安裝的散熱器

電機加裝散熱器后，增加了散熱面積，設定散熱器允許溫度T2為50 ℃，如圖7所示。

圖7 散熱器安裝

將電機表面溫度T1=80 ℃，q=200 W，散熱器表面溫度T2=50 ℃，代入式(1)，得出

(1) 電機沒有設置散熱器時的熱阻為

(2) 電機設置散熱器時的熱阻為

由式(2)和式(3)可以得出：電機設置散熱器后的熱阻是沒有設置散熱器熱阻的37.5%，該結論得到法國ERI公司認可，改造后的卡舌折邊機用于實船生產效果顯著，能連續工作而不停頓，提高了工作效率，降低了設備使用成本。

2.2 伺服控制器溫升過高所引起的機構不穩定及控制器損壞分析與對策

該設備使用的伺服控制器用于直流無刷電機的伺服控制，俗稱直流變頻器。在連續工作的工況下，隨著時間的推移，伺服控制器及控制器內部的功率器件的溫度會不斷升高，導致伺服控制器工作不穩定，嚴重時會出現損壞，故伺服控制器的散熱非常重要，為此對其進行重新設計。下面以三維實體模型展現設計，并且對照法國ERI公司的伺服控制器的散熱設計，比較發現其散熱的特性遠勝于法國ERI公司的設計，已通過1條船次層液貨艙的施工驗證該設計是高效合理的，如圖8～圖10所示。