4 800 kW油田守护供应船导流罩振动问题的分析

张 伟

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

0 引言

4 800 kW油田守护供应船是为海洋石油和天然气勘探开采平台、工程建筑设施等提供多种作业和服务的多功能守护船，其参数为：总长68.84 m，垂线间长60.0 m，型宽14.8 m，型深6.9 m，设计吃水4.6 m，全船总重约为2 157 t。该船采用双机双桨带导流罩的可调螺距螺旋桨。在试航和运营过程中发现该船螺旋桨螺距在80%左右时导流罩振动很大进而引起全船振动[1]，进坞检查后发现导流罩内环和桨叶稍有磨损刮擦情况。查阅相关文献发现，这些文献多是从共振、流体、艉部结构合理性等角度分析船舶的振动问题，如：许晶等[2]对螺旋桨在不均匀流场中运转时产生的激振力会导致船体振动的问题进行了研究，通过在艉部设计并加装整流鳍改善了振动问题。本文则从桨叶和导流罩设计间隙过小角度分析船体振动问题。

本文针对导流罩内环和桨叶之间磨损刮擦问题，从导流罩的设计、制造、检验环节进行追溯分析，最终发现桨叶和导流罩设计间隙过小，为此进坞更换导流罩从而解决了此问题[3]，为相似问题提供参考解决方案。

1 振动原因分析

桨叶与导流罩内环的间隙及导流罩安装倾斜角见图1。图中：桨叶最大直径为2 900 mm，导流罩内环直径为2 920 mm，两者之间的间隙为10 mm。导流罩安装角度为前倾1°，外翻2°。

图1 导流罩与螺旋桨的布置(单位：mm)

依据GB/T 34000—2016要求：导流罩与桨叶的间隙设计标准为10 mm～桨叶最大直径/133 mm，4 800 kW油田守护供应船导流罩与桨叶的间隙应为10～22 mm。按照设计理论，导流罩与桨叶之间间隙越小，水流穿过导流罩和桨叶时紊流情况就越小，所以设计时该船导流罩与桨叶的间隙定为10 mm理论上是可行的。

在试航和运营时发现该船导流罩振动并引起全船振动的情况。经多次进坞检查发现：导流罩与桨叶间隙偏小，最小间隙为4.1 mm；桨叶边缘有明显磨损，导流罩不锈钢环带有明显刮痕。因此初步判定：4 800 kW油田守护供应船的振动是由导流罩内环与桨叶间隙过小导致直接刮擦造成的。根据进坞检查发现的情况，必须对导流罩制作、安装的过程进行分析，以便找到振动原因。

(1)导流罩设计不当

国外设计时导流罩与桨叶间隙一般选取15 mm以上。本船依据GB/T 34000—2016导流罩与桨叶间隙为10～22 mm的设计标准，最终设计时选用了最小值10 mm。同时，导流罩有前倾1°、外翻2°的安装角度要求。这种设计未考虑到船厂实际的安装水平，即安装时既要保证导流罩的倾斜角，又要满足最小间隙10 mm要求，不允许有任何安装偏差。目前大部分船厂无法达到该安装要求。

(2)设备厂商提供的验收标准有误

螺旋桨制造厂商提供的资料显示：桨叶在100%螺距时直径最大。螺旋桨安装后船厂按此标准在100%螺距时验收导流罩与桨叶间隙合格，最小间隙达到10 mm以上。但进坞后调整桨叶螺距时发现80%螺距时桨叶直径最大，此时最小间隙只有4.1 mm。

(3)导流罩质量较差

导流罩的制作质量比较差。后期复检发现：导流罩内环为负公差，圆度也不满足图纸要求。

2 振动处理方案

4 800 kW油田守护供应船桨叶在80%螺距运行时全船振动比较大。经过船厂、船东、设计院共同讨论，原导流罩与桨叶设计间隙10 mm偏小，同意重新设计导流罩图纸，将导流罩内环直径由原来的2 920 mm增大为2 940 mm，使导流罩内环与桨叶间隙增大为20 mm。重新采购了内环直径为2 940 mm的导流罩后进坞更换。

导流罩结构位于设计水线以下，结合该部件在船体中的位置，拟定如下更换流程：船舶进坞→拆卸襟翼舵→拆卸螺旋桨轴→设立轴线标杆→拆卸原导流罩→安装新导流罩→艉管轴孔位置校核→复装螺旋桨轴→复装襟翼舵→船舶出坞。

2.1 导流罩拆卸前的准备工作

2.1.1 船舶进坞

船坞选择起重设备需具备吊装螺旋桨轴(质量约8.7 t)的能力；船坞布墩需满足轴系拉线，高度满足襟翼舵拆装。

2.1.2 拆卸襟翼舵

襟翼舵各部件质量如下：舵叶5.2 t；舵杆3.4 t；舵筒2.16 t；连杆装置0.2 t；舵机2.5 t。

拆卸顺序如下：保险等设备附件→襟翼小舵连杆→舵叶→舵杆。拆卸前需注意以下2点：

(1)因部件较重，拆卸前需在艉部外板上现场烧焊拉码、吊耳等辅助工装件，利用手拉葫芦、钢丝绳等进行保护。

(2)拆卸前，需测量舵杆与舵筒间隙、舵杆与甲板密封间隙，并做好书面记录。

2.1.3 拆卸螺旋桨轴

(1)拆卸液压联轴节时需注意对两侧CCP油管端口用保鲜膜进行保护。

(2)螺旋桨轴放置在搁凳上，用橡胶垫保护好轴承部位。

2.1.4 设立轴线标杆

在船舶艉部设立辅助工装：轴线标杆支架。依照现场艉管的前后铸钢件中心(即现有轴线的实际位置)进行拉线测量，作好样冲标记。同时，将轴系中心线、舵系中心复刻到船坞地面，作为导流罩安装后的检验依据。

2.2 拆卸原导流罩

(1)对艉部与导流罩相连的舱室进行排水，确保导流罩连接区域的舱室无水、无油。

(2)在导流罩外圈和外侧船底板(需有结构对筋)对应位置烧焊50 kN工装吊耳若干。

(3)用100 kN手拉葫芦和钢丝绳若干保住导流罩组件。

(4)参照导流罩相关的分段结构图，将原导流罩组件周边焊缝逐一割除。割开导流罩斜伸出与呆木相连的横向铸钢件，分别从船体内外割除导流罩组件与船体连接的焊缝。

(5)用100 kN手拉葫芦和钢丝绳缓缓引落导流罩组件，并从艉部转运出。

2.3 安装新导流罩

(1)参照施工图，将与新导流罩焊接的原船体结构件边缘坡口开设到位。开设坡口前需要按照图纸检验导流罩各项尺寸。

(2)将新导流罩组件通过100 kN手拉葫芦和钢丝绳移位并初定位。

(3)根据准备工作时设立的轴线标杆标记，对新导流罩进行二次定位。修割导流罩组件上端和横向铸钢件的余量。导流罩与船体和横向铸钢件焊缝位置处加放3 mm焊接收缩余量。

(4)定位时需注意横向铸钢件的定位偏差尺寸，必要时可适当现场借调。

(5)定位后，导流罩组件周边所有对接焊缝位置采用卡码板(200 mm/档)固定。

(6)根据轴线标杆标记再次复测导流罩安装位置精度，确认无误后进行焊接作业。

(7)导流罩安装精度要求为：导流罩导边距艉轴壳后端面尺寸偏差±3 mm；导流罩中心与轴线高度偏差±2 mm；导流罩中心距离基线高度偏差±2 mm；导流罩中心距离船台中心线偏差±2 mm；角接缝间隙≤2 mm；十字接头错位≤1/4 板厚；与船体结合部线型必须光顺。

(8)焊接注意事项如下：

焊接前，对舵筒进行加水保护，防止导流罩焊接对舵筒焊接产生变形；加厚板焊接需提前预热。

焊接时，先焊对接缝、再焊角接缝；先焊内部焊缝再焊外部焊缝；加厚板焊接过程中需恒温；焊接过程中必须实时监测，若发现导流罩位置偏离，需立即停止焊接，待调整至偏差范围内方可继续焊接；若发现舵筒周边受热产生变形，需立即停止焊接，减少一次焊接量并且待温度降低后再继续焊接。

焊接后，加厚板需保温；第3次测量导流罩的安装精度尺寸并做好书面记录；按照图纸要求对焊缝进行探伤；对舱室破坏的油漆进行修补，淡水舱需要使用淡水舱油漆。

2.4 导流罩安装后的工作

螺旋桨轴及舵杆密封需提前准备，以便复装时进行更换。

2.4.1 螺旋桨轴复装

(1)艉轴管同心度测量

为防止导流罩焊接变形对艉管轴承同心度产生影响，必须在导流罩安装后使用同轴度激光对中仪器对艉轴前后轴承进行测量，同轴度要求不大于0.12 mm。测量前需要对高分子轴承磨损量进行修正，避免影响中心度的测量。

(2)复装螺旋桨轴

将螺旋桨轴与中间轴的开口、偏移值进行对比，确认差值是否满足轴系布置图要求。若不满足，则待襟翼舵安装后轴系需进行重新对中。

2.4.2 襟翼舵复装

(1)复测舵筒中心度，确保满足以下要求：轴系中心线与舵系中心线相交度不大于3 mm；两线垂直度不大于1 mm/m。

(2)按照襟翼舵安装工艺对襟翼舵进行复装。

2.4.3 轴系顶升试验

校验各轴承载荷，若不能满足要求，则重新进行轴系对中。

2.5 试验结果

更换了内径2 940 mm的导流罩后，现场重新测量了导流罩与桨叶的间隙，最小为19 mm。

船舶海上试验结果表明：当螺旋桨桨叶调整到不同螺距时，导流罩均没有发生振动，振动问题得以解决。

3 结语

4 800 kW油田守护供应船导流罩与桨叶之间的间隙过小导致桨叶叶稍与导流罩内环发生局部摩擦从而产生激振力，进而引起全船振动。后期更换了内径更大的导流罩，导流罩与桨叶的设计间隙由原来的10 mm增大到20 mm，从而彻底解决了导流罩的振动问题。

此外，在以后的设计时还需要考虑设备厂家的制作偏差和船厂的安装偏差，保证桨叶最大直径时导流罩内环与桨叶之间的间距至少为15 mm，但考虑到紊流情况，间距一般不超过30 mm。同时严格控制导流罩内环制作精度，提高导流罩安装水平，减少导流罩安装偏心。