新型空气型艉密封的特点

CCS浙江分社 贾建雄

早期船舶，由于桨轴直径小、转速较低和功率较小，一般都采用水来润滑和冷却轴承。随着主机功率的提高和轴径的增大，油润滑轴承及轴封应运而生。但如何确保润滑油能有效地封闭在轴承区间而不向舷外和机舱泄漏就成了问题的关键。因为漏油不仅增加油耗，造成润滑不良，更会污染环境。

艉轴密封装置能保证艉轴在运转中有下沉、径向跳动及偏心运动、轴向窜动等情况时具有良好的密封性，有效隔离滑油和海水、泥沙，防止尾管滑油泄漏或海水进入机舱。所以艉密封装置工作性能的好坏，直接影响船舶能否正常营运，它是船舶动力装置的一个重要组成部分。随着美国环保署（EPA）对进入美国水域的船舶提出更严格的船舶通用许可（VGP）要求，近两年来，一种新型的空气型艉密封应运而生。

空气型艉密封，充分利用传统艉密封的型式，将原水封环和油封环之间的一个油腔改为气腔，注入压缩空气，以分隔外部海水和艉轴管滑油，且有一路回收管回收可能泄漏的水和滑油至回收柜。常压型空气密封，通过加装调压装置，将气腔的气源气压控制在恒定值P气，在气腔保持密封的条件下，气腔内气压P应与P气相等并保持恒定。

新型空气型艉密封，是在常压型空气密封的基础上，通过增加控制单元，调解气腔的空气恒流量的向海水逸出，或保证密封环之间的压差恒定，实现水密封环和油密封环两侧压力分别同步变化，其工作状态不改变，一直能够分别保持无磨损和仅有轻微磨损。

KEMEL公司的空气型艉密封，主要有控制空气单元、泄放收集单元、滑油柜单元和艉密封单元组成（图1）。

其结构特点是具有更多的密闭腔室，腔室由法兰环、中间环、盖环等多道用螺栓互相上紧的金属环组成，金属环之间有4道密封环，由螺栓紧固在密封环壳体中，密封环壳体由螺栓固定在螺旋桨轴输出端上，不随螺旋桨转动(图2)。密封环的唇部与衬套紧密贴合，在海水压力、滑油压力、密封环本身的弹性以及弹簧的夹紧力共同作用下，唇部与衬套保持一定的径向力，从而达到其密封性能，保证装置的密封性。密封环包括0#、1#、2#、3#四道，此外靠近海水一侧还装置一道合成橡胶P环，防止渔网及碎片进入装置内。0#、1#密封环的作用是防止海水进入尾管，0#和1#、1#和2#密封环之间是空气腔，2#和3#密封环之间是油腔，前2道环是向后的肘拐型，后2道环是向前的肘拐型。

图1 KEMEL空气型艉密封

图2 KEMEL结构图

图3 KEMEL控制原理图

空气控制单元内的空气来自机舱中的控制空气，控制空气经空气控制单元降为Pc，在气控单元控制面板的左上方有一个流量计，可根据需要调节空气流量，压缩空气经气控单元后一部分进入艉密封单元的空气腔室，另一部分进入滑油柜单元，控制滑油柜内的压力。空气腔内的空气一部分经泄放孔泄放到海水中，一部分进入泄放收集单元，通过其上的节流阀泄放到舱底。该密封装置还包含滑油柜和滑油泵。滑油柜为封闭式油柜，船舶吃水变化时艉密封处的海水压力也变化，当海水压力升高时空气的背压升高，空气控制单元自动调整空气压力，始终保证空气腔内的压力高于海水压力，保证海水不进入空气腔。当空气腔内压力升高时，滑油柜单元内的压力也会升高，这样滑油泵的出口压力也会升高，使艉密封油腔的压力始终高于气腔的压力。

该空气控制单元为流量恒定的单元，监测并调节空气流量，保证在任何情况下气腔的空气恒流量地向海水逸出。

1、对于水密封环，气腔空气恒流量地流过水密封环向海水逸出，水密封环的工作压力基本为零，并由空气隔开水密封环和密封套筒，极好地保证了水封环的工作寿命。

2、对于油密封环，假设控制单元出口处气压为Pc。气腔内的气压P气腔，等于Pc减去C点至气腔这一段管路的流动阻力损耗。考虑空气流动阻力损耗甚小，可认为P气腔近似等于Pc。

油侧压力先考虑油泵不启动，滑油不循环时的状态，按静压传递原理，油侧压力P油=P油柜内气压+油柜压头(该设备一般设置为0.3MPa)，由于控制单元出口点至尾轴滑油高置压力油箱压力这一路气管中空气仅有轻微流动或不流动，P油柜内气压=Pc，所以P油=Pc+0.3MPa。在油泵驱动滑油循环时，考虑滑油流速低，阻力损耗不大，且循环是由油泵驱动，仍可认为P油=Pc+0.3MPa。

两相比较，油密封环工作在最佳工作压差0.3MPa下，既保证了良好的密封性能，又保证了油密封环和密封套筒仅有轻微磨损。

3、外界水压力变化的影响。空气控制单元，保证在任何情况下，气腔的空气恒流量地向海水逸出。气腔内的气压P气腔=P水+△P（△P：空气抬起水封环向外逸出所需要的压力）。因流量恒定，水封环抬起的高度基本不变，△p基本恒定，所以，气腔压力P气腔可随时反映外界水的压力P水。控制单元出口压力为Pc，根据流量方程：Q=ρVA（流量Q，密度ρ，流通面积A等均为固定值，所以流速V也是固定值）。再根据气体一元定常流动的伯努里方程(理想流体，不考虑流动阻力，且忽略气体重力的影响)：P/γ+V2/2g=常数，对于控制单元出口点和气腔两个界面，V2／29项的差值△(V2／29)也为一固定值，所以对于Pc和气腔两个界面， Pc就反映了P气腔。综上，Pc也就反映了外界水的压力P水。外界水压力P水变化时，P气腔相应变化，Pc也相应变化。

水密封环和油密封环两侧压力分别同步变化，其工作状态不改变，一直能够分别保持无磨损和仅有轻微磨损。

瓦锡兰OLS4A-P空气型艉密封，其与LEMEL公司空气型艉密封结构和原理均类似，但其核心是采用压差控制单元，检测并确保密封环之间的压差恒定，确保恒定压力的空气从气环逸出到海水中，使密封环达到最佳的工作状态。

Blohm+Voss Industries公司Simplex-Compact SC 2000空气型艉密封(图4)，其4道密封环是3前1后布置，三腔内分别为海水、空气和油。其核心原理是设置吃水传感器，根据吃水调整气腔压力始终比海水腔的压力小0.1bar，确保1#密封环处于最优状态。由于密封环的方向和海水的径向压力，密封环被压紧到白缸套上。如果万一海水进入气腔可通过控制电磁阀Y2，将空气腔内的海水泄舱底。

VGP规定所有船舶上的所有油水界面上必须使用环保润滑油（EAL），除非技术上不可行。2013VGP于2012年12月19日正式生效。

技术上不可行的内容及应采取的措施：没有经认可的满足设备（如油封）制造商规格书要求的EALS可供使用；设备装在船上前就因无法获得EALS而使用了非EALS；船舶所到各港口无法获得满足制造商规格书要求的EALS；必须等船舶下次进坞才能更换或使用EALS。此外，VGP明确指出如果技术上不可行，应将关于油水界面上使用EAL不可行的原因文档保存在船上；上述文档必须包含在年度报告中，结合年度报告上报EPA。

图4 SC 2000结构图

图5 SC 2000控制原理图

据上，对于KEMEL公司和瓦锡兰OLS4A-P等类似原理的新型空气型艉密封，当密封环密封性变差或失效时，滑油或海水(可能性比滑油更小)会进入空气腔。但进入的滑油或海水会被空气带入泄放收集单元，不会造成海水进入尾管或滑油漏入海水的情况；而泄放收集单元有高位报警，可由此判断密封环的性能是否变差或失效。对于如SC 2000等类似原理的艉密封，当密封环失效时，海水进入空气腔，电磁阀会打开将其泄放到舱底。

除上述外，对于向外排空气的新型空气型艉密封的显著特征是末端多一道P环，可以有效防止渔网等碎片搅入艉密封装置，密封环增加了一层保障。

根据新型空气型艉密封的结构特征和特殊操作等情况分析，结合VGP对EAL的要求和EPA对空气型密封是否需使用EAL的声明，可以得出结论：使用新型空气型艉密封后，不存在油水界面，故不需要将传统的尾管滑油更换为EAL便可满足VGP的要求。

目前，某些厂家的新型艉密封已获得不需要使用EAL的许可。2014年3月17日DNV GL通过了对SIMPLEX COMPACT空气型艉密封评估认证，认为其不存在油水界面，不需要更换为EAL。Wartsila也于2014年3月4日宣布其Airguard和Oceanguard型艉密封不存在油水界面，不需要更换EAL。KEMEL公司新型空气型艉密封也在申请IACS各船级社的认证。

当前，前往美国水域的商船均需满足VGP的要求。就油水界面使用EAL而言，对于安装了(或即将安装)新型空气型艉密封的船舶，船东应积极与艉密封制造厂联系，以取得是否存在油水界面的声明。当然，艉密封生产厂家应积极争取EPA或第三方机构对其新型产品满足VGP要求的认可，以便更好地服务船东。