某FSO 舵系故障分析及修理工藝

趙福志，陳拔云

（友聯(lián)船廠（蛇口）有限公司，深圳 518054）

1 前言

某FSO 是由一艘110 000 DWT 原油船改造而成，在某油田投產(chǎn)服役不到半年，在一次解脫單點(diǎn)自航避臺(tái)的過程中，發(fā)現(xiàn)舵角需保持在右20°左右才能正向行駛。據(jù)初步判斷，舵葉與舵桿發(fā)生了相對(duì)滑移，需進(jìn)廠檢查和修理。為了縮短修期，減少FSO 因停產(chǎn)對(duì)油田收益造成損失，需事先進(jìn)行排查分析，制定一套完善的舵系修理方案，確保施工的進(jìn)度、質(zhì)量和安全。

2 舵系基本結(jié)構(gòu)

該FSO 采用內(nèi)置單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，單槳、單舵、柴油機(jī)推進(jìn)，其舵系采用轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)、半懸掛舵結(jié)構(gòu)，舵葉重約80 t、舵機(jī)重約22 t，舵桿重約18 t，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 半懸掛舵結(jié)構(gòu)圖

舵桿上部與舵機(jī)轉(zhuǎn)子間、下部與舵葉間，均通過無鍵錐體過盈配合的方式進(jìn)行連接，并通過液壓螺母固定。當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)子通過錐孔與舵桿錐體間的脹緊配合方式，將轉(zhuǎn)舵力矩傳遞給舵桿，舵桿再將扭矩傳遞給舵葉，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵作業(yè)。

3 進(jìn)廠前的勘驗(yàn)排查

安排技術(shù)人員出海，對(duì)該船的舵機(jī)、反饋機(jī)構(gòu)、機(jī)械保護(hù)等系統(tǒng)進(jìn)行檢查，未見異常；查看出廠時(shí)舵機(jī)轉(zhuǎn)子與舵桿間的原位置對(duì)中標(biāo)記，無偏離，證明舵機(jī)轉(zhuǎn)子和舵桿錐體間沒有發(fā)生相對(duì)滑移；委派潛水員在水下現(xiàn)場勘驗(yàn)并拍照，見舵葉外觀良好，無受損跡象，基本可排除舵葉遭受硬物碰撞、磕碰的可能；將舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)至正常零位時(shí)，舵機(jī)的指針指示在右偏20°左右。

將該舵的結(jié)構(gòu)完工圖、舵系計(jì)算參數(shù)、服役期間最惡劣一天的海域工況、船舶吃水、壓載及載荷狀況等數(shù)據(jù)，發(fā)送給研究院進(jìn)行舵扭矩載荷計(jì)算分析，證實(shí)當(dāng)天舵扭矩值多次超出設(shè)計(jì)扭矩值，基本可以確定舵發(fā)生不可恢復(fù)性左偏是由波浪抨擊造成的，但仍難判斷究竟是舵桿產(chǎn)生扭曲引起的，還是舵葉與舵桿錐體間產(chǎn)生相對(duì)滑移造成的。

4 修理方案

為縮短修期并避免類似故障再次發(fā)生，經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)研分析，船方?jīng)Q定對(duì)原舵葉、舵桿、舵銷進(jìn)行整體換新處理；同時(shí)，設(shè)計(jì)院通過模擬改造后的FSO 在系泊海域工況下作業(yè)，計(jì)算其結(jié)構(gòu)的受力情況，決定將舵面積比由原來的1.858%減少至1.6%，以減少風(fēng)浪下舵葉對(duì)舵桿的扭矩影響；舵葉與舵銷錐孔鑄鋼件的兩側(cè)連接鋼板，由原來的26 mmDH36 板更換為44 mmEH36 板；舵銷的液壓螺母與舵桿舵葉的液壓螺母外徑，由原來的740 mm 增大至800 mm；舵桿與舵葉間連接錐體長度，由原來的900 mm 增長至950 mm，以增大受力面積；舵桿其余主體部分，仍與原舵桿設(shè)計(jì)一致，以保證原船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備（舵機(jī)、舵承等）不需要改造，通過增加錐體連接處的壓入量來提高舵葉的設(shè)計(jì)扭矩值，大大減少了施工量。

為滿足船方的修期要求，需在該船進(jìn)廠前預(yù)訂好舵葉、舵桿、舵銷、舵桿下軸套以及舵銷軸套等備件，并制作好相關(guān)的拆卸、吊運(yùn)工裝及修復(fù)方案等。

5 施工難點(diǎn)

（1）舵桿和舵機(jī)的中心線在0#，其正上方飛機(jī)平臺(tái)的強(qiáng)結(jié)構(gòu)不宜拆除，但強(qiáng)結(jié)構(gòu)最前端為0#+300，對(duì)舵桿及舵機(jī)的整體吊運(yùn)進(jìn)出艙均有阻礙；

（2）舵葉受強(qiáng)外力影響產(chǎn)生20°偏移后，舵葉與舵桿、舵機(jī)轉(zhuǎn)子與舵桿間的無鍵連接錐體可能已產(chǎn)生滑移，錐體間有損傷，舵桿上下兩端液壓螺母被擠壓，大大增加了松出的難度；

（3）舵桿下軸套下方的油漆保護(hù)層過厚，且下舵承襯套內(nèi)孔處積聚了大量水垢等雜質(zhì)，在吊出舵桿的過程中，舵桿下軸套容易卡住舵承襯套，給拔出帶來很大的阻力。

6 施工工序

船舶進(jìn)塢前后，安排人員核對(duì)舵機(jī)及舵桿尺寸，確定舵機(jī)及舵桿的出艙路徑，在舵桿正上方甲板面上保護(hù)性割除工藝孔（預(yù)留吊裝安全間隙500 mm），并拆除周邊一切妨礙吊運(yùn)的管線和設(shè)備等，包括飛機(jī)平臺(tái)上的部分防墜網(wǎng)及其支撐，但仍保留飛機(jī)平臺(tái)的強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

6.1 舵葉拆除

（1）在舵葉左右兩側(cè)分別焊接2 個(gè)100 t 吊耳，用4 個(gè)50 t 手拉葫蘆配合固定住舵葉，但不必過緊；

（2）割除舵銷、舵桿螺母兩側(cè)的工藝門以及半弧形工藝罩，分別查看舵銷和舵桿的螺母保險(xiǎn)指針狀況，發(fā)現(xiàn)舵桿下螺母保險(xiǎn)完好，但保險(xiǎn)指針已往左后方向偏移約20°，這表明舵桿與舵葉的錐體間已發(fā)生了滑移，導(dǎo)致舵葉左偏約20°；

（3）割除保險(xiǎn)后，用5 t 葫蘆拉住扳手并用撞錘配合沖擊，仍無法拆動(dòng)舵桿下螺母；

（4）往舵桿下螺母的液壓柱塞內(nèi)泵油，使其產(chǎn)生向上的頂升力F1，同時(shí)往舵葉錐體內(nèi)泵油，使錐體內(nèi)孔膨脹擴(kuò)大，產(chǎn)生向下的分力F2，使F1 ＞ F2；

（5）舵葉往上移動(dòng)少許后泄掉膨脹壓力，螺母推進(jìn)壓力需繼續(xù)保持15 min 后才泄壓，使舵桿下螺母與舵葉分離，再用螺母轉(zhuǎn)盤、5 t 葫蘆、插桿等配合拆松舵桿下螺母，并在舵葉與舵桿下螺母間墊上一片5 mm厚的橡膠墊；

（6）液壓泵松舵葉，拆出舵桿下螺母，將舵葉緩緩吊運(yùn)下放到塢底進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)舵桿錐體大端以及舵葉錐體孔大端均有滑移、燒損、麻點(diǎn)等痕跡；

（7）拆出舵銷螺母和舵銷，未見舵銷及舵銷孔有松動(dòng)、滑移或磨損痕跡。

6.2 舵機(jī)拆卸

（1）為了拆松舵桿上螺母，特制如圖2 所示的專用沖擊扳手。用扳手卡住舵桿上螺母后，安排人員在兩側(cè)分別用5 t 葫蘆對(duì)稱反向用力拉緊的同時(shí)，用撞錘輪番敲擊，配合拆松舵桿上螺母；

圖2 專用敲擊扳手

（2）在舵機(jī)與舵桿上螺母間墊上一片5 mm 厚橡膠墊，往舵機(jī)轉(zhuǎn)子錐體內(nèi)泵油，液壓泵松舵機(jī)與舵桿；

（3）拆出舵桿上螺母，并拆除舵機(jī)管線、舵機(jī)座固定螺栓、密封裝置等；

（4）測量舵機(jī)座固定螺栓的外徑及螺栓孔內(nèi)徑的尺寸，并探傷檢查，若裝配過盈量不符合規(guī)范要求或存在質(zhì)量缺陷，需更換螺栓或就地鏜孔修正。

6.3 舵機(jī)和舵桿吊運(yùn)出艙

為了避開飛機(jī)平臺(tái)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，特制弓形專用吊桿，如圖3 所示。該弓形吊桿的設(shè)計(jì)工作載荷為25 t，均大于舵桿或舵機(jī)的最大重量；弓形吊桿由厚壁無縫鋼管、吊耳、加強(qiáng)板焊接而成，經(jīng)過現(xiàn)場測量、CAD 放樣、外形設(shè)計(jì)、有限元分析優(yōu)化、焊后打磨、探傷檢查、超重試驗(yàn)檢查合格后，方可使用。

圖3 起吊25 t 時(shí)的吊桿有限元分析圖

（1）舵機(jī)吊運(yùn)出艙

① 用碼頭100 t 吊機(jī)將弓形專用吊桿豎直放置在舵機(jī)正上方，在吊桿下懸掛3 個(gè)10 t 手拉葫蘆配合錨緊舵機(jī)；

② 緩緩提升吊桿，先整體向上吊起5.5 m，再往船首方向水平吊運(yùn)1.5 m，使之完全避開上方的飛機(jī)平臺(tái)后，將舵機(jī)整體吊運(yùn)出艙，轉(zhuǎn)運(yùn)回車間進(jìn)行保養(yǎng)；

③ 檢查舵機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔及舵桿上部錐體的接觸面情況，未發(fā)現(xiàn)明顯滑移痕跡。

（2 ） 舵桿吊運(yùn)出艙

① 為避免吊運(yùn)時(shí)舵桿上的油漆皮卡入舵承襯套而產(chǎn)生過大阻力，需事先做好清潔工作；

② 在舵桿下方架設(shè)好頂升工裝，在50 t 螺紋千斤頂及4個(gè)10 t手拉葫蘆的共同配合下，慢慢將舵桿頂起，如圖4 所示；

圖4 頂升舵桿圖

③ 當(dāng)舵桿被頂起約350 mm 后，用吊機(jī)將弓形吊桿放置在舵機(jī)正上方，盡量使弓形吊桿與舵桿處于同一中心線上，將舵桿緩緩吊運(yùn)出艙，如圖5 所示；

圖5 舵桿吊運(yùn)出艙圖

④ 將舵桿先向上吊起約9 m，再往船首方向水平吊運(yùn)1.1 m，使之完全避開上方的飛機(jī)平臺(tái)后，吊運(yùn)到碼頭存放；

⑤ 檢查舵桿下舵承襯套內(nèi)孔，未見嚴(yán)重磨損痕跡，可見舵桿運(yùn)行狀況較好。

6.4 舵系回裝

（1）準(zhǔn)備工作

① 對(duì)照?qǐng)D紙核對(duì)舊舵桿、舊舵銷尺寸，確認(rèn)無誤后，通知廠家對(duì)新舵桿、新舵銷進(jìn)行精加工；

② 完成新舵銷與新舵葉、新舵桿與舵機(jī)、新舵桿與新舵葉間錐體孔的藍(lán)油拂配工作。要求錐孔與錐體應(yīng)均勻接觸，接觸面積應(yīng)大于70%，各錐體研配后每25 mm×25 mm 面積內(nèi)不少于2 ～4 個(gè)油粉斑[1]，在錐孔的兩端50 mm ～100 mm 長度上接觸斑點(diǎn)應(yīng)更密實(shí)；

③ 拆除原船下舵承襯套和舵銷襯套；

④ 以舵機(jī)上舵承孔和舵鈕承孔中心作為基點(diǎn)，拉線檢查發(fā)現(xiàn)下舵承襯套座孔中心最大偏移量為0.86 mm。按照國標(biāo)要求，各舵承中心同軸度應(yīng)不大于安裝間隙（圖紙上為1.65±0.10 mm）的0.7 倍[2]，即1.085 mm，因此舵承孔中心線無需鏜孔加工；

⑤ 分別將原舵承襯套座孔、新舵桿軸頸和新舵銷軸頸的尺寸數(shù)據(jù)告知襯套廠家，通過計(jì)算得出新襯套的加工尺寸；

⑥ 根據(jù)廠家提供的加工尺寸，車制各新襯套，復(fù)核尺寸無誤后，用干冰或液氮將其冷凍安裝到位；

⑦ 待恢復(fù)常溫后，復(fù)測各襯套的內(nèi)徑。確認(rèn)舵銷軸套與舵銷襯套、舵桿軸套與舵承襯套的安裝間隙符合要求。

（2）注意事項(xiàng)

① 按先安裝舵銷至舵葉上，后安裝舵葉，再安裝舵桿，最后安裝舵機(jī)的順序回裝整個(gè)舵系；

② 舵銷和舵桿的所有配合錐體的安裝，務(wù)必按照原拂配標(biāo)記進(jìn)行，壓入量需嚴(yán)格按照說明書執(zhí)行；

③ 回裝后，核對(duì)并確保舵葉零位馬克和舵機(jī)轉(zhuǎn)子零位馬克一致；

④ 根據(jù)安裝后舵桿與舵葉的位置，現(xiàn)配焊接左右兩側(cè)的止跳塊，止跳間隙為2.0 ～2.5 mm；

⑤ 舵系回裝到位后，復(fù)測各個(gè)襯套位的間隙，確保符合要求。

7 轉(zhuǎn)舵試驗(yàn)及舵角校驗(yàn)

舵機(jī)油馬達(dá)系統(tǒng)經(jīng)重新注油、放氣、密性試驗(yàn)合格后，根據(jù)操作手冊(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)舵試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際舵角對(duì)舵機(jī)間、集控室及駕駛臺(tái)的舵角指示進(jìn)行校正和調(diào)整。

8 建議

經(jīng)拆檢分析可知，該FSO 舵系發(fā)生不可恢復(fù)性左偏的原因是：惡劣海況下波浪抨擊舵葉產(chǎn)生的沖擊力大于原設(shè)計(jì)扭矩值，致使舵葉與舵桿無鍵過盈連接錐體間產(chǎn)生相對(duì)滑移；通過減小舵葉面積、增強(qiáng)舵葉結(jié)構(gòu)、增加舵桿及舵葉間的錐體長度以及舵葉液壓螺母的接觸面積，并增加舵桿錐體壓入量等優(yōu)化改造后，雖然能大大增強(qiáng)舵系抵抗惡劣海況的能力，但仍建議在管理上對(duì)船舶作出以下幾方面的改進(jìn)：

（1）在臺(tái)風(fēng)來臨前2 天內(nèi)不進(jìn)行外輸作業(yè)；

（2）若出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)天氣但船舶處于空載狀態(tài)，建議進(jìn)行必要的壓載，增加尾部吃水；

（3）即使船舶處于非空載狀態(tài)，在臺(tái)風(fēng)來臨前，也建議適當(dāng)壓載使船況呈一定程度的尾傾為宜；

（4）臺(tái)風(fēng)季節(jié)，務(wù)必掌握準(zhǔn)確的氣象預(yù)報(bào)信息，如再超過臨界的環(huán)境條件，必須解脫航行，避開臺(tái)風(fēng)影響。

9 結(jié)束語

該FSO 舵系修理工藝流程緊湊合理，施工安全快捷，通過設(shè)計(jì)敲擊扳手、弓形吊桿等工裝，有效解決了液壓螺母拆卸困難、飛機(jī)平臺(tái)阻礙舵桿吊運(yùn)等難題，為縮短修期創(chuàng)造了有利條件。該舵系修理工藝得以實(shí)施驗(yàn)證，維修質(zhì)量得到船方認(rèn)可，希望能為其它船廠提供借鑒和參考。