浅谈应用环保润滑油情况下的尾管轴承高温现象

杨世知刘国立

（1.中国船级社江苏分社 南京210011；2.中国船级社总部 船舶建造检验管理处 北京100006）

浅谈应用环保润滑油情况下的尾管轴承高温现象

杨世知1刘国立2

（1.中国船级社江苏分社 南京210011；2.中国船级社总部 船舶建造检验管理处 北京100006）

［摘 要］美国环保署VGP 2013单方面强制生效，要求所有进入美国水域的船舶在其油水界面使用环保润滑油（除非技术上不可行）。国内诸多船厂包括日韩船厂在使用环保润滑油以后，多次发生尾管高温报警，由此引发了行业对于环保润滑油的思考。文章结合环保润滑油的调查反馈报告，对反馈数据进行分类统计，在此基础上梳理出若干种可能造成尾管高温的因素并进行逐一剖析，最后有针对性地提出一系列实施建议，供业界参考。

［关键词］环保润滑油；VGP2013；尾管高温

引 言

2013年12月19日，美国环保署（EPA）2013船舶通用许可（VGP）正式生效。根据VGP 2013 第2部分第2.2.9条规定：在美国水域，凡长度超过79 ft（约24 m）的所有商船在油水界面上必须使用环保润滑油（Environmentally Acceptable Lubricants，以下简称EALs），除非技术上不可行。这是EPA VGP 2013对船舶正常营运中易于发生排放位置提出的最新要求。同时，美国环保署与海岸防卫队之间签署备忘录授权其监管VGP的实施［1］。

环保润滑油的概念早在10年前就已提出，其初衷在于缓解船舶碰撞、船舶水下维护保养等可能给港口等水域造成的环境污染。自VGP 2013强制生效以来，环保润滑油在中国造船市场刮起一阵“热潮”。伴随EALs密集出现的船舶尾管高温频发现象，让环保润滑油热度至今不减。业界纷纷展开尾管高温的相关调查研究，但研究结果层出不穷，至今尚无定论。自2013年美国环保署发布VGP 2013要求以来，中国船级社即开始关注并跟踪市场使用情况。对于高温报警案例，有针对性地编制调查信息反馈表，在高温报警比较集中的辖区，开展调查研究，并于2014年11月7日在江苏南京成功召开“美国环保署环保润滑油应用研讨会”。在此背景下，本文对尾管高温的成因进行系统性分析，并将有关情况总结如下。

1 EALs的适用范围

根据VGP 2013第2.2.9条规定：EALs适用于2013年12月19日及以后进入美国水域，船长大于等于79英尺所有商船，在其油水界面必须使用EALs（除非技术上不可行）［2］。

EALs：系指“可生物降解”和“最低限度毒性”以及VGP定义的“非生物积聚”三类润滑油。就VGP的目的而言，满足通用许可定义的EALs包括那些通过以下认证并获得标识的油品：

（1）German Blue Angel（蓝天使）。

（2）European Eco-label（欧洲之花）。

（3）Nordic Swan（北欧天鹅）。

（4）the Swedish Standards SS 155434 and 155470（瑞典标准）。

（5）Convention for the Protection of the Marine Environment of the North-East Atlantic （OSPAR）requirements ）（《东北大西洋海洋环境保护公约》（OSPAR）要求）。

（6）EPA's Design for the Environment （DfE）（EPA的环境设计项目）。

油水界面：可调距桨、推进器液压油及其他油水界面（明轮、尾轴管、螺旋桨轴承、减摇装置、舵承、全回转推进器、吊舱式推进器、浸没的钢丝绳和机械设备）。

技术上不可行，主要分为以下几种情况：

（1）没有经认可的满足设备制造商规格书要求的EALs产品（如油封）可供使用。

（2）需预润滑的设备（如钢丝绳）没有可用EALs替代产品。

（3）船舶航经港口内无法获得满足制造商规格书要求的EALs产品。

（4）必须等到船舶下次进干坞才能更换或使用EALs。

（5）美国水域：沿海3 n mile。

（6）商船：除私人游艇和美国军舰以外从事商业用途的船舶。

2 EALs高温案例分析

自2013年12月19日VGP 2013强制生效以来，环保润滑油在中国的造船厂（特别是江苏地区船厂）获得广泛应用，但环保润滑油在使用过程中尾管高温的现象比较明显。部分船厂在使用环保润滑油以后，都不同程度出现尾管高温，甚至出现尾管轴瓦烧毁情况（如图1所示）。

图1 艉管高温造成尾轴承烧伤

业界对于尾管高温成因众说纷纭、莫衷一是，轴系设计、安装工艺、校中工艺、精度控制以及油品特性等都有可能造成尾管高温。根据初步掌握的高温报警情况，我分社全面梳理可能影响尾管高温的主要因素，以调查报告的形式发至辖区各船厂。根据反馈情况，调查报告中重点保留以下三个方面，供后续进一步分析（统计结果截止至2014年12月1日）：

（1）尾轴支撑型式（有无尾管前轴承）。

（2）高温时船舶状态（螺旋桨附加弯矩），例如系泊拟或试航，螺旋桨是否全浸没、是否全回转阶段、螺旋桨转速。

（3）环保润滑油特性。例如：粘度、牌号、尾管高温报警时是否乳化（水溶性问题）。注：调查反馈滑油均无乳化，保留粘度等级进行分析。

2.1 尾轴支撑型式

尾轴支撑型式分单支撑（无尾管前轴承）和双支撑（设尾管前轴承）。考虑到单支撑的受力、轴系载荷分布同双支撑不一致，且两者之间安装、校中工艺要求存在细微变化。因此，在调查报告中，重点对于尾轴支撑型式作了统计分析。尾管高温多出现在单支撑（无尾管前轴承）的情况。统计结果如表1所示。

表1 调查报告统计a（尾轴支撑型式）

据不完全的现有统计结果来看，尾管高温案例中单支撑情况居多。于是，我们提出疑问：单支撑和双支撑之间有何区别，如何在两者之间进行合理选择？研究表明：在无尾管前轴承的情况下，尾管后轴承局部载荷加大，则会同时要求船厂提高施工工艺精度。表2详细对比了两者之间的优势和劣势。

表2 尾管支撑形式优劣势对比

建议：

在轴系顶升阶段，如果船厂工艺能够做到不需要调整中间轴承，推荐采用无前轴承的布置。因为这种布置对于船体梁变形的适应性更强。

如果不能保证船厂工艺，则可能需要调整中间轴承。为安全起见，推荐采用前轴承的设计。因为顶升阶段对于中间轴承的调整，无前轴承的设置对尾管后轴承与轴的相对倾角影响很大；稍有不慎，就可能造成边缘负荷过大。此外，轴系校中计算书对于船体梁变形量（特别是校中阶段的船体梁状态）以及主机和中间轴承的支撑区域结构变形情况无法准确估计。对于此种情况，建议采用尾管前轴承的设计方案［3］。

2.2 螺旋桨附加弯矩

据统计分析，轴承损坏大多出现在尾管后部。于是在调查反馈表中，特别添加船舶高温时的状态，例如系泊阶段、全回转阶段、螺旋桨是否全浸没等。

表3 调查报告统计2（螺旋桨附加弯矩分析）

从现有统计结果来看，系泊阶段和高速操舵全回转阶段为尾管高温现象多发阶段，其中系泊阶段高温问题居多，其次为右满舵全回转阶段（右旋桨）。可能原因分析如下：

（1）系泊阶段螺旋桨非全浸没，轴系校中计算书一般要求为螺旋桨50%浸没。此时，螺旋桨转动产生推力，推力直接作用在螺旋桨下部，产生附加弯矩，使得尾管后轴承负荷加大，轴-轴承相对倾角增大，尾部轴系间隙变小，油膜较难建立。

（2）系泊试验阶段，主机低速运转，油膜尚未完全建立。

（3）全回转阶段，特别是高速操舵全回转阶段，螺旋桨尾流场不均匀，导致螺旋桨产生不定常的附加弯矩；尤其在恶劣海况（螺旋桨可能出现飞车现象），容易造成尾管高温。

（4）右满舵全回转时，尾管温度一般均略有上升，其原因是右旋桨的推力中心一般集中在第一象限（右上角），右满舵时，受舵叶影响，螺旋桨第一象限尾流场压力增大，同螺旋桨推力呈叠加效应，因此，右旋桨在右满舵全回转时，容易高温。

注：部分船级社建议，附加弯矩区间限定在螺旋桨扭矩的-15% ～ 40%之间。由建议值可见，对于负值要求相对严格得多。

图2 螺旋桨作用在尾轴承上附加弯矩

建议：

（1）优化轴系设计，尽量降低尾轴承载荷，提高尾轴承可承受载荷冗余度。

（2）尽量避免螺旋桨非全浸没下高速运转。低速运转试验时，在满足我社要求的前提下，尽量选择油品提供商提供的建议转速区间。

（3）主机尽量避免在恶劣工况下（特别是螺旋桨飞车时）高速运转。

2.3 EALs粘度等级

调查结果分析：

（1）据目前掌握情况，有船厂先采用矿物油做系泊试验，然后在试航后期更换成环保油，特别是提高滑油粘度至150等级后获得较好效果，但也有失败案例发生。

（2）从现场反馈来看，滑油粘度等级提高以后，异常高温现象相对减少。

油品提供商指出：试验数据表明，环保润滑油和矿物油相比在粘度等级、冷却、耐压、流动性等特性上无较大差异，有关粘度问题部分船厂也通过后期化验得以验证。因此对于尾密封厂家推荐的油品清单中不包括150粘度等级的情况，油品提供商不建议船厂单方面更改滑油粘度等级。

表4 调查报告统计3（EALs粘度等级）

3 尾管高温的成因分析

从目前掌握的情况来看，每个船厂使用的环保润滑油品质可能存在差异。不同的船型设计、船厂施工工艺、施工队伍精度控制都存在差异，具体到每一个案例可能形成尾管高温的原因也各不相同。因此，形成尾管高温具有多方面因素，很难单方面归罪于某种因素，准确地说，是多种因素综合起来共同导致尾管高温现象频发。就目前统计来看，可能情况归纳为：无尾管前轴承设置，导致尾轴承负荷整体增大；同时对于施工工艺精度要求增高，造成轴-轴承之间相对转角过大；轴瓦受力不均；形成较大的边缘负荷；轴瓦较难形成足够厚度油膜；在边缘负荷较大的情况下，EALs相对矿物油更难形成足够厚度油膜，最终导致尾管高温。

4 建议与措施

尽管尾管高温由多方面因素造成，但任何单个因素的改进也可能较大程度地避免高温现象的发生。因此，我们提出以下建议：

（1）尽可能采用技术成熟、粘度等级相对较高的环保润滑油产品。

（2）优化轴系载荷布置，尽量降低尾管后轴承上的比压和相对倾角（双斜度尾管）。视情况考虑增加前轴承方案（可以考虑抬高前轴承或后轴承斜镗孔情况而不取消前轴承）。

（3）为降低尾轴相对倾角和比压，可以视情况考虑适当加大轴承位移量。

（4）优化轴系校中计算，充分考虑可能影响船体变形的因素。充分考虑螺旋桨附加弯矩的影响。

（5）完善施工工艺，确保施工精度。无前轴承布置时，在轴系顶升阶段，尽量避免对中间轴承的调整。如无法避免，则尽量减少其对于尾轴相对倾角的影响，例如在轴系校中计算书中，对尾轴位置进行适当标定，从而有效判断中间轴承的调整是否对尾轴存在过大影响。

（6）如能确保EALs置换充分，可先采用矿物油开展系泊试验和试航，然后再更换成环保润滑油试验，以消除磨合期的影响；或在操舵试验、全回转试验等高速运转之前，进行小舵角、小进速充分磨合（Run-in time），以消除磨合期的影响。

（7）建议提升螺旋桨轴和尾管后轴承的加工工艺。例如可视情况将螺旋桨轴的表面粗糙度从1.6提升至0.8。

（8）建议优化尾管内滑油的泄放和取样。例如，将尾管后部的注入泄放口进一步后移，或在尾管后轴承的后部增设取样泄放管路，必要时可以考虑在尾管后端增加泄放槽，以尽量减少更换滑油时尾管中滑油的残留。

（9）建议改善投油工艺。尽量减少环保润滑油被参杂其他杂质的可能性。

5 结 论

（1）进一步完善“EALs调查反馈表”信息，收集新造船和现有船环保油使用情况，建立数据库，分析新造船磨合期影响；分析尾轴承比压（0.6 N/mm2）和相对倾角（0.2×10-3rad）区间对于尾管高温影响。

（2）调查统计尾管高温案例中，轴系顶升阶段调整中间轴承的情况，进一步分析有无尾管前轴承对于轴系校中工艺的影响。

（3）密切关注提高EALs粘度等级的情况。

［参考文献］

［1］ Vessel General Permit for Discharges Incidental to the Normal Operation of Vessels （VGP）. 2013.

［2］ 杨世知. EPA环保润滑油要求及实施要点［J］. 中国船检，2014（12）.

［3］ ABS. Guidance Notes on Propulsion Shafting Alignment ［S］. 2014.

［中图分类号］U661.4

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0092-05

［收稿日期］2014-12-16；［修回日期］2015-01-12

［作者简介］杨世知（1984-），男，硕士，工程师（验船师），研究方向：船舶与海洋工程行业规范及风险评估。刘国立（1983-），男，工程师，研究方向：船舶风险管理与规范。

Analysis of S/T high-temperature alarm along with EALs

YANG Shi-zhi1LIU Guo-li2

(1. China Classifi cation Society Jiangsu Branch, Nanjing 210011, China; 2. Administration of Ship construction & Certifi cation, CCS, Beijing 100006, China)

Abstract：VGP 2013 enforced by EPA unilaterally requests that all the commercial vessels more than 79 feet in length operating in US waters have to use EALs in all oil-to-sea interfaces of the ship “unless technically infeasible”. Many shipyards in China， some others in Japan and Korea， were faced with S/T high-temperature alarm risk after using EALs， which cause a lot of discussion about EALs. Based on some survey reports for EALs，this paper classifi es the feedback data and summaries several factors that possibly cause S/T high-temperature alarm， which are analyzed one by one. Finally some suggestions are given out to avoid S/T high-temperature alarm for industrial reference.

Keywords：EALs； VGP 2013； S/T high-temperature