船舶机械设备状态监测及标准应用探讨

2010-02-13周新聪张月雷孙争兵

中国设备工程 2010年9期

周新聪，孙斌，张月雷，孙争兵

（1．武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所，湖北武汉 4 30063；2．船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北武汉 4 30063；3．长江武汉航道局，湖北武汉 4 30010）

现代船舶机械日趋高性能化和结构复杂化，人员配备趋于减少，加之世界范围的能源紧张，船舶机械设备的监测和维护便成为营运船舶技术管理的重要内容。及时、准确和动态地掌握船舶机械的运行状态和预测潜在故障，已成为船舶技术管理追求的目标，这促使现代船舶机械设备状态监测及标准的不断更新和发展。据有关资料统计，世界上60%的船舶营运故障源于机舱，为了保障船舶机械的安全运行，世界各国积极开展了船舶机械设备的状态监测技术的研究，动态地获取船舶机械设备的各种信息，分析其运行状态、诊断潜在故障并预测发展趋势。

一、船舶机械设备故障特点及类型

船舶动力机械工况复杂多样、结构复杂，且船舶机械工作环境和工作状态大都比较恶劣，这就要求船舶机械设备具有较高的可靠性。伴随科学技术发展虽然船舶动力装置的自动化、智能化程度不断提高，可靠性也大有提高，但船机故障仍不可避免，每年因机损故障造成的损失很大。

据某国海难厅对600例机损故障的分析表明，在船机损伤中，船舶主、辅机都可能发生故障，其中以柴油机的故障为主，约占全部机损事故的85%，其次是轴系占9.3%。在主机故障中，活塞、缸套、曲轴、气阀故障86例，占主机故障的45.7%；燃油喷射系统故障36例，占19.1%；增压器故障28例；启动和换向系统故障28例；调速器故障10例。在电站故障中，发电柴油机故障51例，占电站故障的64.6%，电机故障23例，配电板故障3例。在辅助机械故障中，润滑系统故障29例，冷却系统故障28例，燃油系统故障9例，压缩空气和进化系统故障4例。这些故障多为磨损、疲劳、老化、破裂或破损、断裂、变形和错位、锈蚀或咬着、松动、卡死、松脱或剥落、缺水和缺油、烧损和短路、转子失衡、漏油漏水漏气等泄漏、堵塞和脏堵、劣质燃油等造成。可见，在船舶机舱设备中主机系统是故障发生率最高的部位，据统计，在二冲程柴油机中，活塞的损伤占全部损伤的30%左右，在四冲程柴油机中，曲柄销轴承以及主轴承的轴瓦磨损及擦伤报告，大多是润滑油管理不当造成的。通过采用合适的状态监测技术可以有效防止故障的发生，确保安全。

二、船舶机械设备的监测与诊断方法

采用状态监测技术可以及早发现故障征兆，进行视情维修，不仅可以防止突发事故，保障船舶安全，而且可以减少维修费用，提高设备利用率，并带来巨大的经济效益和社会效益。船舶设备监测与诊断的方法很多，目前最常用的有以下分析法。

1．热力参数分析法

该方法通过获取船舶柴油机工作时的汽缸压力示功图、排气温度、转速、滑油温度、冷却水进出口温度及排放等热力参数的变化来实现其工作状态的判断和故障预测。该方法是目前船舶机械状态监测诊断中应用最广最成熟的方法，且该方法易实现在线实时监测，被广泛应用于船舶动力机械的各种设备。其中示功图包含的信息量最多，根据示功图可以计算指示功、压力升高率和压缩压力，可以判断燃烧质量的好坏及各缸是否功率平衡。

2.振动分析法

该方法利用船舶柴油机在工作时产生的振动信号，经测试、数据分析及处理来掌握内部零部件的状态并进行故障趋势分析和诊断。其方法具有诊断速度快、准确率高和能够实现在线诊断的特点，在船舶动力机械中被广泛应用。该方法目前主要应用在船舶动力机械以下设备的监测诊断。

（1）活塞—缸套磨损的振动监测。根据活塞—缸套在不同磨损状态下机身振动响应，可以用功率谱峰值和总能量作为判别活塞—缸套磨损状态的特征参数。

（2）气阀漏气故障的振动监测。根据汽缸盖振动响应的时域波形图和气阀定时规律和上止点信号，可以从汽缸盖表面的振动响应中，识别主要激励源的振动响应。可以从汽缸盖表面振动响应的功率谱判别气阀漏气状态。

（3）柴油机主轴承磨损故障的振动监测。可以对振动信号经过功率谱分析后再进行倒频谱分析，从而判别柴油机主轴承磨损状态。

3.油液分析法

油液分析法监测与诊断是通过获取船舶机械设备润滑油中的磨粒浓度、磨粒形状及大小的变化、油质的变化、含铁量的变化，来实现对设备整体磨损状态的分析，进而来判断设备的磨损状态及故障状态。目前已构成铁谱分析、光谱分析、理化试验、污染度分析等油液监测方法，并形成了在线、离线和在线离线相结合的模式。为了推动油液监测技术在船舶机械中的应用，中国船级社先后编写了《螺旋桨轴状态监控系统指南》和《柴油机滑油状态监控系统指南》等指导性文件。详细规定了采用油液分析方法监测螺旋桨轴、柴油机状态的具体要求。

4.综合分析法

该方法是指将热力参数分析法、油液分析法和振动分析法等多种诊断方法综合应用，在大量积累诊断知识的基础上，采用融合的思想通过计算机系统分析，来确定设备状态和判断预测故障，从而有效地提高监测与诊断的准确性的方法。该方法也是当前各国科研机构和企业研究的难点和热点。

总之各种状态监测技术和诊断方法得到了快速发展和推广应用，各船级社相继开展了与状态监测技术有关的规范研究。现已形成螺旋桨轴状态监控系统指南 (SCM)、柴油机滑油状态监控系统指南、船舶机械计划保养系统检验指南 (PMS)等规范。

三、船舶维修保养体系

船舶维修保养体系（CWBT）是将传统的船舶设备管理和国际上插卡式船舶设备管理相结合，形成集计划、管理、指导于一体的一种新颖、科学、实用的船舶设备管理模式。该体系是船舶动力机械状态监测技术各种标准制定的重要基础和内容组成部分，是实现各种状态监测技术数据标准化的基础，是数据交流和融合的平台。目前由GB/T16558.1-1996（总则）、GB/T16558.2-1996（船舶设备分类及代码）、GB/T16558.3-1996（船舶维修保养的分级、标准周期代码及周期允差）、GB/T16558.4-1996（工作卡的格式及其栏目）、GB/T16558.5-1996（工作卡的首排及其表示方法）、GB/T16558.6-1996（船舶维修计划营运管理方法）、GB/T16558.7-1996（表格样式）标准组成，它们对船舶各个设备进行了分类和编码，对维修手册、工作卡格式及其栏目、信息管理系统及计算机的应用等进行了规定，形成了系列标准。这些都为状态监测技术所获取的数据格式的标准化存储和数据之间的关联性奠定了基础条件。目前船舶维修保养体系虽已在船舶领域得到推广和应用，但编码体系未得到充分应用发挥。

四、液压油污染度控制标准

油液分析技术作为机械设备状态监测和故障诊断的一项主要技术被广泛应用在船舶机械设备中，实施液压系统污染控制是提高液压设备工作可靠性和延长元件寿命的重要手段，一直受到国内外有关工业部门的高度重视。伴随油液监测技术的快速发展和广泛推广应用，作为油液污染分析技术不断进步和成熟的重要标志油液污染度标准的建设也得到了快速发展。从最早使用的重量污染度和体积ppm、重量ppm等，逐渐改进为可反映颗粒尺寸及分布的颗粒污染度表示方法。国际标准化组织及一些国家的液压行业组织和标准化机构都成立了污染控制技术委员会，负责液压污染控制技术的推广、应用及有关标准和规范的制定和实施。ISO4406污染度标准是由国际标准化组织制定的。ISO4406标准已被世界各国普遍采用，我国现行的污染度标准即等效采用此标准。ISO4406：1999规定，颗粒计数仪采用≥4μm、≥6μm和≥14μm三个尺寸的颗粒浓度等级代码表示油液的污染度。我国也设立了相应的机构和组织，并且与国际标准化组织相应技术委员会联系开展工作，结合我国各工业部门的需要，也制订了有关液压污染控制的行业标准，主要是应用在航空液压系统油液固体颗粒污染度分级标准GJB420和GJB420A，它们分别与NAS1638和AS4059标准等效。目前国内船舶行业尚未制定相应的污染度控制标准。