中油应急302船主机经常超负荷运转原因分析

2012-12-18熊广伟张彦明曾力平郭立军

中国修船 2012年6期

熊广伟，丁峰，张彦明，曾力平，郭立军

(中国石油海上应急救援响应中心，河北唐山 063200)

0 前言

中油应急302船是中国石油海上应急中心的第一艘双体溢油应急处置船。该船总长19.7 m，宽6.9 m，净吨34 t，配备2台100 kW潍柴华丰生产的主机 (型号:R6105ZLC)，采用360°全回转螺旋桨推进器。由于采用360°全回转推进器，该船具有灵活的操纵性能，在多次处理狭窄水域溢油应急工作中发挥了极其重要的作用，其原地360°任意转向的特点给人留下了深刻的印象。在该船使用过程中，发现该船自2010年建成使用以来，多次发生主机故障问题，严重影响了中心的应急救援处置工作。根据对该船的使用观察和故障分析，认为该船主机超负荷运转是导致主机经常发生故障的主要原因，本文以船舶在航行中受力情况为依据，分析导致主机超负荷运转的常见因素，找出导致该船主机超负荷运转的主要原因，期望能够为以后船舶建造和使用避免类似故障起到一定的指导作用。

1 302船主机故障及原因分析

自2011年11月到现在的半年时间里，302船主机出现过2次缸头垫破裂，1次主机缸头排烟总管破裂，多次排烟波纹管破裂等故障。作为一款成熟的、国内知名品牌的柴油机，尤其是新机，不应该有如此高的故障率，基本可以排除设备自身随机性故障。

主机超负荷长期运转时，将对曲柄连杆机构，燃烧室部件等产生严重损害。轻者表现为汽缸垫、排汽缸垫等烧毁，排烟总管及波纹管等烧裂，严重的情况将导致缸盖裂纹、拉缸、曲轴疲劳损坏等机损事故。主机超负荷一般表现为排烟温度严重超高(排烟管烧红)，冒黑烟，增压器喘振，油水温度升高，机器声音异常等。

通过多次对该船主机故障维修和分析，基本判断该船主机经常性故障是由主机经常超负荷运转引起的。

2 导致船舶主机超负荷运转的常见原因

当船舶航行时，其水下部分受到水的阻力，水上部分受到空气阻力。在一般情况下 (3～4级风)，空气阻力很小，水阻力是主要的。当风级高时，空气阻力则不可低估。船体的水阻力包括摩擦阻力、形状阻力和兴波阻力3种。空气阻力和水的阻力共同作用于船体，阻止船舶航行。船舶要保持航行，需要通过船舶主机产生动能，通过传动轴传给推进器，由推进器产生后推力克服空气阻力和水阻力。同时船舶推进器推力通过推力轴反作用于主机，形成主机负荷。当主机负荷超过主机标定的最高功率时，主机处于超负荷状态。所以导致主机超负荷常见原因有如下几种。

2.1 设计时机桨不匹配

对于一定功率的主机，必须选配合适的螺旋桨。如果螺旋桨直径和螺距比过大，螺旋桨会过重，造成主机带不动，主机在高速运转时就会造成超负荷。相反，如果螺旋桨直径过小或螺距比过小，螺旋桨就会过轻，主机即使在额定转速下也不能充分发挥它的功率。在实际选配螺旋桨和主机配合时，将考虑船舶污底、恶劣海况以及主机使用一段时间后功率下降等因素，一般主机留有10%～15%的储备功率，以防主机超负荷。

中油应急302出厂时，主机额定转速为1 800 r/min，静水航速8.5 kn，此时左右主机排烟总管烧红 (无温度表显示)，估计排烟温度至少在500℃以上，主机严重超负荷。导致主机超负荷的原因应为机桨不匹配，桨配得太重 (主机功率太低)，每当全速航行时，主机就超负荷。

2.2 在大风浪中航行

船舶在航行时，船体的推进力和阻力平衡时，船舶保持稳定船速前进。其位于水上部分承受空气阻力而水下部分则承受水的阻力，当风力不大时，空气阻力很小，船舶阻力主要是水的阻力。在风力达到5级以上时，风对船舶的阻力明显增加。风力加大后，船体在风浪中产生摇摆起伏也将引起兴波阻力。船舶在大风浪中为保持航向，舵经常需要偏转一定角度，从而使船舶阻力进一步增加。因此，风浪增大后，船舶的各种阻力都明显增大，在船舶推力不变的情况下，船速就会相应的降低。船速的降低，使螺旋桨的进程比减小，其特性线变陡;在油门不变的情况下，柴油机转速就会下降，发出的功率也有所下降;最后船舶将在降低后新的推进力与船舶阻力平衡的条件下，以较低的航速前进。此时，如果因为主机转速降低，用增加油门来恢复主机转速，就会使主机循环供油量增加而最高爆发压力增高，导致机械负荷增加，形成主机超负荷运转，甚至导致汽缸部件损坏。

2.3 船舶重量增加，导致吃水增加

船舶由于增加设备、加装压载水等原因，致使船舶自重增加，吃水加深，船舶与海水接触面积增加，进而导致船舶在航行过程中受到水的阻力增加，主机负荷相应增大。

2.4 船舶污底

船舶由于长期处于水中，船底会附着海生物，造成船底表面粗糙，致使船体在水中的阻力增大，在不改变航速的情况下，船舶负荷会增加。

2.5 在高航速下使用全回转进行减速或者倒航

本船360°全回转推进器的特点是推进器可绕垂直轴作360°的旋转，螺旋桨可以在水平面360°内任意位置上发出推力，故使船舶能获得良好的操纵性，尤其突出的是它能使船舶后退的推力和使船舶前进的推力相同，使船舶快速减速或者后退。在船舶处于匀速航行时，主机通过减速齿轮箱减速后，由传动轴将动能传递到推进器的螺旋桨，螺旋桨产生推力，克服船舶阻力，同时螺旋桨产生的推力的反作用力通过螺旋桨、推力轴反作用于主机，即为主机受到的负荷 (如图1)。在船舶处于匀速行驶时，螺旋桨产生的推力等于船舶受到的阻力。船舶动力系统受到的负荷为船舶受到的阻力。

图1 船舶在正航时受力示意图

船舶正常航行时，动力系统尤其是柴油机的负荷小于其标定的额定功率，一般为额定功率的85%～90%，在特殊情况下，柴油机允许超负荷功率为标定功率的110%，并且12 h运转期内超负荷运转不超过1 h［1］。当正常全速航行中，突然调转螺旋桨方向，使用全回转推进器进行减速或者倒航 (船舶仍处于前航状态)，在不改变主机转速的情况下，船舶动力系统所受到的负荷为螺旋桨的推力加上船舶的阻力 (如图2)，即动力系统受到的负荷是前进航行时的两倍。这种情况会使船舶动力系统处于严重超负荷状态，有时能达到主机额定功率的180%，严重损伤主机。在大连处理7·16溢油事故时，302船在港池内使用全回转转向，主机瞬时出现冒黑烟现象，说明主机处于严重超负荷状态。

3 全回转推进器船舶在使用中的注意事项

图2 船舶在使用全回转推进器减速或者倒航时受力示意图

在使用常规螺旋桨推进器推进的船舶中，如果从正航转为倒航，船舶阻力会增大，主机倒车运行后，当主机转速达到标定转速的40%时，主机转矩就能达到额定值［1］。若转速过高，主机和轴系就会超负荷，此时操作应该根据紧急情况，控制主机转速。除非不得已，在保船不保机的情况下才能主机超负荷运转。本船使用全回转推进器进行减速或者倒航，也应该是在非不得已的紧急情况下使用。根据该船在使用过程中的经验与分析，使用全回转推进器进行减速或者倒航的频率较高，且在使用时没有相应的调低主机转速，致使动力系统经常处于严重超过允许限额的负荷下运行。

通过对该船在使用过程的观察与分析，本船设计时机桨不匹配，桨配得太重 (或主机功率太低)和经常性使用全回转推进器进行减速和倒车，且没有相应的降低主机转速，是导致该船主机超负荷运转的主要原因。

通过以上分析，该船主机经常性故障的主要原因基本确定为动力系统 (主机)经常超负荷运转。本船设计时机桨不匹配，桨配得太重 (或主机功率太低)和经常性使用全回转推进器进行减速和倒车，且没有相应的降低主机转速，是导致该船主机超负荷运转的主要原因。由于该船机桨配置已经形成既定事实，短期内不易进行更改;为避免该船在以后使用中经常出现超负荷运转现象，应在使用全回转推进器进行减速或者倒航方面采取注意事项。在使用全回转进行减速或者倒车时，动力系统受到船舶阻力和螺旋桨的推力联合作用，船舶受到的阻力主要受船速的影响，与船速的二次方成正比;螺旋桨的推力与主机转速的二次方成正比［1］。在使用全回转推进器进行减速或倒航时，为减少动力系统的负荷，主要从两个方面采取注意事项:一是控制船速，船速降低，船体受到水的阻力降低;二是控制主机转速，主机转速降低，螺旋桨的推力降低。所以在以后的船舶使用过程中，用全回转推进器进行减速或者倒航时，应当根据船舶航速，控制主机转速。在船舶速度较快时，主机转速一般不超过额定转速的40%。