中油應(yīng)急302船主機(jī)經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)原因分析

熊廣偉，丁 峰，張彥明，曾力平，郭立軍

(中國石油海上應(yīng)急救援響應(yīng)中心，河北唐山 063200)

0 前言

中油應(yīng)急302船是中國石油海上應(yīng)急中心的第一艘雙體溢油應(yīng)急處置船。該船總長19.7 m，寬6.9 m，凈噸34 t，配備2臺100 kW濰柴華豐生產(chǎn)的主機(jī) (型號:R6105ZLC)，采用360°全回轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)器。由于采用360°全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，該船具有靈活的操縱性能，在多次處理狹窄水域溢油應(yīng)急工作中發(fā)揮了極其重要的作用，其原地360°任意轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)給人留下了深刻的印象。在該船使用過程中，發(fā)現(xiàn)該船自2010年建成使用以來，多次發(fā)生主機(jī)故障問題，嚴(yán)重影響了中心的應(yīng)急救援處置工作。根據(jù)對該船的使用觀察和故障分析，認(rèn)為該船主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)是導(dǎo)致主機(jī)經(jīng)常發(fā)生故障的主要原因，本文以船舶在航行中受力情況為依據(jù)，分析導(dǎo)致主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的常見因素，找出導(dǎo)致該船主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的主要原因，期望能夠?yàn)橐院蟠敖ㄔ旌褪褂帽苊忸愃乒收掀鸬揭欢ǖ闹笇?dǎo)作用。

1 302船主機(jī)故障及原因分析

自2011年11月到現(xiàn)在的半年時間里，302船主機(jī)出現(xiàn)過2次缸頭墊破裂，1次主機(jī)缸頭排煙總管破裂，多次排煙波紋管破裂等故障。作為一款成熟的、國內(nèi)知名品牌的柴油機(jī)，尤其是新機(jī)，不應(yīng)該有如此高的故障率，基本可以排除設(shè)備自身隨機(jī)性故障。

主機(jī)超負(fù)荷長期運(yùn)轉(zhuǎn)時，將對曲柄連桿機(jī)構(gòu)，燃燒室部件等產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害。輕者表現(xiàn)為汽缸墊、排汽缸墊等燒毀，排煙總管及波紋管等燒裂，嚴(yán)重的情況將導(dǎo)致缸蓋裂紋、拉缸、曲軸疲勞損壞等機(jī)損事故。主機(jī)超負(fù)荷一般表現(xiàn)為排煙溫度嚴(yán)重超高(排煙管燒紅)，冒黑煙，增壓器喘振，油水溫度升高，機(jī)器聲音異常等。

通過多次對該船主機(jī)故障維修和分析，基本判斷該船主機(jī)經(jīng)常性故障是由主機(jī)經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)引起的。

2 導(dǎo)致船舶主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的常見原因

當(dāng)船舶航行時，其水下部分受到水的阻力，水上部分受到空氣阻力。在一般情況下 (3～4級風(fēng))，空氣阻力很小，水阻力是主要的。當(dāng)風(fēng)級高時，空氣阻力則不可低估。船體的水阻力包括摩擦阻力、形狀阻力和興波阻力3種。空氣阻力和水的阻力共同作用于船體，阻止船舶航行。船舶要保持航行，需要通過船舶主機(jī)產(chǎn)生動能，通過傳動軸傳給推進(jìn)器，由推進(jìn)器產(chǎn)生后推力克服空氣阻力和水阻力。同時船舶推進(jìn)器推力通過推力軸反作用于主機(jī)，形成主機(jī)負(fù)荷。當(dāng)主機(jī)負(fù)荷超過主機(jī)標(biāo)定的最高功率時，主機(jī)處于超負(fù)荷狀態(tài)。所以導(dǎo)致主機(jī)超負(fù)荷常見原因有如下幾種。

2.1 設(shè)計(jì)時機(jī)槳不匹配

對于一定功率的主機(jī)，必須選配合適的螺旋槳。如果螺旋槳直徑和螺距比過大，螺旋槳會過重，造成主機(jī)帶不動，主機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時就會造成超負(fù)荷。相反，如果螺旋槳直徑過小或螺距比過小，螺旋槳就會過輕，主機(jī)即使在額定轉(zhuǎn)速下也不能充分發(fā)揮它的功率。在實(shí)際選配螺旋槳和主機(jī)配合時，將考慮船舶污底、惡劣海況以及主機(jī)使用一段時間后功率下降等因素，一般主機(jī)留有10%～15%的儲備功率，以防主機(jī)超負(fù)荷。

中油應(yīng)急302出廠時，主機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，靜水航速8.5 kn，此時左右主機(jī)排煙總管燒紅 (無溫度表顯示)，估計(jì)排煙溫度至少在500℃以上，主機(jī)嚴(yán)重超負(fù)荷。導(dǎo)致主機(jī)超負(fù)荷的原因應(yīng)為機(jī)槳不匹配，槳配得太重 (主機(jī)功率太低)，每當(dāng)全速航行時，主機(jī)就超負(fù)荷。

2.2 在大風(fēng)浪中航行

船舶在航行時，船體的推進(jìn)力和阻力平衡時，船舶保持穩(wěn)定船速前進(jìn)。其位于水上部分承受空氣阻力而水下部分則承受水的阻力，當(dāng)風(fēng)力不大時，空氣阻力很小，船舶阻力主要是水的阻力。在風(fēng)力達(dá)到5級以上時，風(fēng)對船舶的阻力明顯增加。風(fēng)力加大后，船體在風(fēng)浪中產(chǎn)生搖擺起伏也將引起興波阻力。船舶在大風(fēng)浪中為保持航向，舵經(jīng)常需要偏轉(zhuǎn)一定角度，從而使船舶阻力進(jìn)一步增加。因此，風(fēng)浪增大后，船舶的各種阻力都明顯增大，在船舶推力不變的情況下，船速就會相應(yīng)的降低。船速的降低，使螺旋槳的進(jìn)程比減小，其特性線變陡;在油門不變的情況下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速就會下降，發(fā)出的功率也有所下降;最后船舶將在降低后新的推進(jìn)力與船舶阻力平衡的條件下，以較低的航速前進(jìn)。此時，如果因?yàn)橹鳈C(jī)轉(zhuǎn)速降低，用增加油門來恢復(fù)主機(jī)轉(zhuǎn)速，就會使主機(jī)循環(huán)供油量增加而最高爆發(fā)壓力增高，導(dǎo)致機(jī)械負(fù)荷增加，形成主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至導(dǎo)致汽缸部件損壞。

2.3 船舶重量增加，導(dǎo)致吃水增加

船舶由于增加設(shè)備、加裝壓載水等原因，致使船舶自重增加，吃水加深，船舶與海水接觸面積增加，進(jìn)而導(dǎo)致船舶在航行過程中受到水的阻力增加，主機(jī)負(fù)荷相應(yīng)增大。

2.4 船舶污底

船舶由于長期處于水中，船底會附著海生物，造成船底表面粗糙，致使船體在水中的阻力增大，在不改變航速的情況下，船舶負(fù)荷會增加。

2.5 在高航速下使用全回轉(zhuǎn)進(jìn)行減速或者倒航

本船360°全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的特點(diǎn)是推進(jìn)器可繞垂直軸作360°的旋轉(zhuǎn)，螺旋槳可以在水平面360°內(nèi)任意位置上發(fā)出推力，故使船舶能獲得良好的操縱性，尤其突出的是它能使船舶后退的推力和使船舶前進(jìn)的推力相同，使船舶快速減速或者后退。在船舶處于勻速航行時，主機(jī)通過減速齒輪箱減速后，由傳動軸將動能傳遞到推進(jìn)器的螺旋槳，螺旋槳產(chǎn)生推力，克服船舶阻力，同時螺旋槳產(chǎn)生的推力的反作用力通過螺旋槳、推力軸反作用于主機(jī)，即為主機(jī)受到的負(fù)荷 (如圖1)。在船舶處于勻速行駛時，螺旋槳產(chǎn)生的推力等于船舶受到的阻力。船舶動力系統(tǒng)受到的負(fù)荷為船舶受到的阻力。

圖1 船舶在正航時受力示意圖

船舶正常航行時，動力系統(tǒng)尤其是柴油機(jī)的負(fù)荷小于其標(biāo)定的額定功率，一般為額定功率的85%～90%，在特殊情況下，柴油機(jī)允許超負(fù)荷功率為標(biāo)定功率的110%，并且12 h運(yùn)轉(zhuǎn)期內(nèi)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)不超過1 h［1］。當(dāng)正常全速航行中，突然調(diào)轉(zhuǎn)螺旋槳方向，使用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行減速或者倒航 (船舶仍處于前航狀態(tài))，在不改變主機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，船舶動力系統(tǒng)所受到的負(fù)荷為螺旋槳的推力加上船舶的阻力 (如圖2)，即動力系統(tǒng)受到的負(fù)荷是前進(jìn)航行時的兩倍。這種情況會使船舶動力系統(tǒng)處于嚴(yán)重超負(fù)荷狀態(tài)，有時能達(dá)到主機(jī)額定功率的180%，嚴(yán)重?fù)p傷主機(jī)。在大連處理7·16溢油事故時，302船在港池內(nèi)使用全回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向，主機(jī)瞬時出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，說明主機(jī)處于嚴(yán)重超負(fù)荷狀態(tài)。

3 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器船舶在使用中的注意事項(xiàng)

圖2 船舶在使用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器減速或者倒航時受力示意圖

在使用常規(guī)螺旋槳推進(jìn)器推進(jìn)的船舶中，如果從正航轉(zhuǎn)為倒航，船舶阻力會增大，主機(jī)倒車運(yùn)行后，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到標(biāo)定轉(zhuǎn)速的40%時，主機(jī)轉(zhuǎn)矩就能達(dá)到額定值［1］。若轉(zhuǎn)速過高，主機(jī)和軸系就會超負(fù)荷，此時操作應(yīng)該根據(jù)緊急情況，控制主機(jī)轉(zhuǎn)速。除非不得已，在保船不保機(jī)的情況下才能主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。本船使用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行減速或者倒航，也應(yīng)該是在非不得已的緊急情況下使用。根據(jù)該船在使用過程中的經(jīng)驗(yàn)與分析，使用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行減速或者倒航的頻率較高，且在使用時沒有相應(yīng)的調(diào)低主機(jī)轉(zhuǎn)速，致使動力系統(tǒng)經(jīng)常處于嚴(yán)重超過允許限額的負(fù)荷下運(yùn)行。

通過對該船在使用過程的觀察與分析，本船設(shè)計(jì)時機(jī)槳不匹配，槳配得太重 (或主機(jī)功率太低)和經(jīng)常性使用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行減速和倒車，且沒有相應(yīng)的降低主機(jī)轉(zhuǎn)速，是導(dǎo)致該船主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的主要原因。

通過以上分析，該船主機(jī)經(jīng)常性故障的主要原因基本確定為動力系統(tǒng) (主機(jī))經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。本船設(shè)計(jì)時機(jī)槳不匹配，槳配得太重 (或主機(jī)功率太低)和經(jīng)常性使用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行減速和倒車，且沒有相應(yīng)的降低主機(jī)轉(zhuǎn)速，是導(dǎo)致該船主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的主要原因。由于該船機(jī)槳配置已經(jīng)形成既定事實(shí)，短期內(nèi)不易進(jìn)行更改;為避免該船在以后使用中經(jīng)常出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，應(yīng)在使用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行減速或者倒航方面采取注意事項(xiàng)。在使用全回轉(zhuǎn)進(jìn)行減速或者倒車時，動力系統(tǒng)受到船舶阻力和螺旋槳的推力聯(lián)合作用，船舶受到的阻力主要受船速的影響，與船速的二次方成正比;螺旋槳的推力與主機(jī)轉(zhuǎn)速的二次方成正比［1］。在使用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行減速或倒航時，為減少動力系統(tǒng)的負(fù)荷，主要從兩個方面采取注意事項(xiàng):一是控制船速，船速降低，船體受到水的阻力降低;二是控制主機(jī)轉(zhuǎn)速，主機(jī)轉(zhuǎn)速降低，螺旋槳的推力降低。所以在以后的船舶使用過程中，用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行減速或者倒航時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)船舶航速，控制主機(jī)轉(zhuǎn)速。在船舶速度較快時，主機(jī)轉(zhuǎn)速一般不超過額定轉(zhuǎn)速的40%。

4 結(jié)束語

通過上文分析，找出了該船主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的主要原因及使用中應(yīng)該注意的事項(xiàng)。中心在以后還會有使用360°全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的船舶投入使用，望以后在后續(xù)船舶的建造和使用上，能夠引以為戒，避免主機(jī)超負(fù)荷使用現(xiàn)象的出現(xiàn)。

［1］吳曉光.輪機(jī)概論 ［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2009.