4 800 kW油田守護供應船導流罩振動問題的分析

張 偉

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

0 引言

4 800 kW油田守護供應船是為海洋石油和天然氣勘探開采平臺、工程建筑設施等提供多種作業和服務的多功能守護船，其參數為：總長68.84 m，垂線間長60.0 m，型寬14.8 m，型深6.9 m，設計吃水4.6 m，全船總重約為2 157 t。該船采用雙機雙槳帶導流罩的可調螺距螺旋槳。在試航和運營過程中發現該船螺旋槳螺距在80%左右時導流罩振動很大進而引起全船振動[1]，進塢檢查后發現導流罩內環和槳葉稍有磨損刮擦情況。查閱相關文獻發現，這些文獻多是從共振、流體、艉部結構合理性等角度分析船舶的振動問題，如：許晶等[2]對螺旋槳在不均勻流場中運轉時產生的激振力會導致船體振動的問題進行了研究，通過在艉部設計并加裝整流鰭改善了振動問題。本文則從槳葉和導流罩設計間隙過小角度分析船體振動問題。

本文針對導流罩內環和槳葉之間磨損刮擦問題，從導流罩的設計、制造、檢驗環節進行追溯分析，最終發現槳葉和導流罩設計間隙過小，為此進塢更換導流罩從而解決了此問題[3]，為相似問題提供參考解決方案。

1 振動原因分析

槳葉與導流罩內環的間隙及導流罩安裝傾斜角見圖1。圖中：槳葉最大直徑為2 900 mm，導流罩內環直徑為2 920 mm，兩者之間的間隙為10 mm。導流罩安裝角度為前傾1°，外翻2°。

圖1 導流罩與螺旋槳的布置(單位：mm)

依據GB/T 34000—2016要求：導流罩與槳葉的間隙設計標準為10 mm～槳葉最大直徑/133 mm，4 800 kW油田守護供應船導流罩與槳葉的間隙應為10～22 mm。按照設計理論，導流罩與槳葉之間間隙越小，水流穿過導流罩和槳葉時紊流情況就越小，所以設計時該船導流罩與槳葉的間隙定為10 mm理論上是可行的。

在試航和運營時發現該船導流罩振動并引起全船振動的情況。經多次進塢檢查發現：導流罩與槳葉間隙偏小，最小間隙為4.1 mm；槳葉邊緣有明顯磨損，導流罩不銹鋼環帶有明顯刮痕。因此初步判定：4 800 kW油田守護供應船的振動是由導流罩內環與槳葉間隙過小導致直接刮擦造成的。根據進塢檢查發現的情況，必須對導流罩制作、安裝的過程進行分析，以便找到振動原因。

(1)導流罩設計不當

國外設計時導流罩與槳葉間隙一般選取15 mm以上。本船依據GB/T 34000—2016導流罩與槳葉間隙為10～22 mm的設計標準，最終設計時選用了最小值10 mm。同時，導流罩有前傾1°、外翻2°的安裝角度要求。這種設計未考慮到船廠實際的安裝水平，即安裝時既要保證導流罩的傾斜角，又要滿足最小間隙10 mm要求，不允許有任何安裝偏差。目前大部分船廠無法達到該安裝要求。

(2)設備廠商提供的驗收標準有誤

螺旋槳制造廠商提供的資料顯示：槳葉在100%螺距時直徑最大。螺旋槳安裝后船廠按此標準在100%螺距時驗收導流罩與槳葉間隙合格，最小間隙達到10 mm以上。但進塢后調整槳葉螺距時發現80%螺距時槳葉直徑最大，此時最小間隙只有4.1 mm。

(3)導流罩質量較差

導流罩的制作質量比較差。后期復檢發現：導流罩內環為負公差，圓度也不滿足圖紙要求。

2 振動處理方案

4 800 kW油田守護供應船槳葉在80%螺距運行時全船振動比較大。經過船廠、船東、設計院共同討論，原導流罩與槳葉設計間隙10 mm偏小，同意重新設計導流罩圖紙，將導流罩內環直徑由原來的2 920 mm增大為2 940 mm，使導流罩內環與槳葉間隙增大為20 mm。重新采購了內環直徑為2 940 mm的導流罩后進塢更換。

導流罩結構位于設計水線以下，結合該部件在船體中的位置，擬定如下更換流程：船舶進塢→拆卸襟翼舵→拆卸螺旋槳軸→設立軸線標桿→拆卸原導流罩→安裝新導流罩→艉管軸孔位置校核→復裝螺旋槳軸→復裝襟翼舵→船舶出塢。

2.1 導流罩拆卸前的準備工作

2.1.1 船舶進塢

船塢選擇起重設備需具備吊裝螺旋槳軸(質量約8.7 t)的能力；船塢布墩需滿足軸系拉線，高度滿足襟翼舵拆裝。

2.1.2 拆卸襟翼舵

襟翼舵各部件質量如下：舵葉5.2 t；舵桿3.4 t；舵筒2.16 t；連桿裝置0.2 t；舵機2.5 t。

拆卸順序如下：保險等設備附件→襟翼小舵連桿→舵葉→舵桿。拆卸前需注意以下2點：

(1)因部件較重，拆卸前需在艉部外板上現場燒焊拉碼、吊耳等輔助工裝件，利用手拉葫蘆、鋼絲繩等進行保護。

(2)拆卸前，需測量舵桿與舵筒間隙、舵桿與甲板密封間隙，并做好書面記錄。

2.1.3 拆卸螺旋槳軸

(1)拆卸液壓聯軸節時需注意對兩側CCP油管端口用保鮮膜進行保護。

(2)螺旋槳軸放置在擱凳上，用橡膠墊保護好軸承部位。

2.1.4 設立軸線標桿

在船舶艉部設立輔助工裝：軸線標桿支架。依照現場艉管的前后鑄鋼件中心(即現有軸線的實際位置)進行拉線測量，作好樣沖標記。同時，將軸系中心線、舵系中心復刻到船塢地面，作為導流罩安裝后的檢驗依據。

2.2 拆卸原導流罩

(1)對艉部與導流罩相連的艙室進行排水，確保導流罩連接區域的艙室無水、無油。

(2)在導流罩外圈和外側船底板(需有結構對筋)對應位置燒焊50 kN工裝吊耳若干。

(3)用100 kN手拉葫蘆和鋼絲繩若干保住導流罩組件。

(4)參照導流罩相關的分段結構圖，將原導流罩組件周邊焊縫逐一割除。割開導流罩斜伸出與呆木相連的橫向鑄鋼件，分別從船體內外割除導流罩組件與船體連接的焊縫。

(5)用100 kN手拉葫蘆和鋼絲繩緩緩引落導流罩組件，并從艉部轉運出。

2.3 安裝新導流罩

(1)參照施工圖，將與新導流罩焊接的原船體結構件邊緣坡口開設到位。開設坡口前需要按照圖紙檢驗導流罩各項尺寸。

(2)將新導流罩組件通過100 kN手拉葫蘆和鋼絲繩移位并初定位。

(3)根據準備工作時設立的軸線標桿標記，對新導流罩進行二次定位。修割導流罩組件上端和橫向鑄鋼件的余量。導流罩與船體和橫向鑄鋼件焊縫位置處加放3 mm焊接收縮余量。

(4)定位時需注意橫向鑄鋼件的定位偏差尺寸，必要時可適當現場借調。

(5)定位后，導流罩組件周邊所有對接焊縫位置采用卡碼板(200 mm/檔)固定。

(6)根據軸線標桿標記再次復測導流罩安裝位置精度，確認無誤后進行焊接作業。

(7)導流罩安裝精度要求為：導流罩導邊距艉軸殼后端面尺寸偏差±3 mm；導流罩中心與軸線高度偏差±2 mm；導流罩中心距離基線高度偏差±2 mm；導流罩中心距離船臺中心線偏差±2 mm；角接縫間隙≤2 mm；十字接頭錯位≤1/4 板厚；與船體結合部線型必須光順。

(8)焊接注意事項如下：

焊接前，對舵筒進行加水保護，防止導流罩焊接對舵筒焊接產生變形；加厚板焊接需提前預熱。

焊接時，先焊對接縫、再焊角接縫；先焊內部焊縫再焊外部焊縫；加厚板焊接過程中需恒溫；焊接過程中必須實時監測，若發現導流罩位置偏離，需立即停止焊接，待調整至偏差范圍內方可繼續焊接；若發現舵筒周邊受熱產生變形，需立即停止焊接，減少一次焊接量并且待溫度降低后再繼續焊接。

焊接后，加厚板需保溫；第3次測量導流罩的安裝精度尺寸并做好書面記錄；按照圖紙要求對焊縫進行探傷；對艙室破壞的油漆進行修補，淡水艙需要使用淡水艙油漆。

2.4 導流罩安裝后的工作

螺旋槳軸及舵桿密封需提前準備，以便復裝時進行更換。

2.4.1 螺旋槳軸復裝

(1)艉軸管同心度測量

為防止導流罩焊接變形對艉管軸承同心度產生影響，必須在導流罩安裝后使用同軸度激光對中儀器對艉軸前后軸承進行測量，同軸度要求不大于0.12 mm。測量前需要對高分子軸承磨損量進行修正，避免影響中心度的測量。

(2)復裝螺旋槳軸

將螺旋槳軸與中間軸的開口、偏移值進行對比，確認差值是否滿足軸系布置圖要求。若不滿足，則待襟翼舵安裝后軸系需進行重新對中。

2.4.2 襟翼舵復裝

(1)復測舵筒中心度，確保滿足以下要求：軸系中心線與舵系中心線相交度不大于3 mm；兩線垂直度不大于1 mm/m。

(2)按照襟翼舵安裝工藝對襟翼舵進行復裝。

2.4.3 軸系頂升試驗

校驗各軸承載荷，若不能滿足要求，則重新進行軸系對中。

2.5 試驗結果

更換了內徑2 940 mm的導流罩后，現場重新測量了導流罩與槳葉的間隙，最小為19 mm。

船舶海上試驗結果表明：當螺旋槳槳葉調整到不同螺距時，導流罩均沒有發生振動，振動問題得以解決。

3 結語

4 800 kW油田守護供應船導流罩與槳葉之間的間隙過小導致槳葉葉稍與導流罩內環發生局部摩擦從而產生激振力，進而引起全船振動。后期更換了內徑更大的導流罩，導流罩與槳葉的設計間隙由原來的10 mm增大到20 mm，從而徹底解決了導流罩的振動問題。

此外，在以后的設計時還需要考慮設備廠家的制作偏差和船廠的安裝偏差，保證槳葉最大直徑時導流罩內環與槳葉之間的間距至少為15 mm，但考慮到紊流情況，間距一般不超過30 mm。同時嚴格控制導流罩內環制作精度，提高導流罩安裝水平，減少導流罩安裝偏心。