中油應急302船主機經常超負荷運轉原因分析

熊廣偉，丁 峰，張彥明，曾力平，郭立軍

(中國石油海上應急救援響應中心，河北唐山 063200)

0 前言

中油應急302船是中國石油海上應急中心的第一艘雙體溢油應急處置船。該船總長19.7 m，寬6.9 m，凈噸34 t，配備2臺100 kW濰柴華豐生產的主機 (型號:R6105ZLC)，采用360°全回轉螺旋槳推進器。由于采用360°全回轉推進器，該船具有靈活的操縱性能，在多次處理狹窄水域溢油應急工作中發揮了極其重要的作用，其原地360°任意轉向的特點給人留下了深刻的印象。在該船使用過程中，發現該船自2010年建成使用以來，多次發生主機故障問題，嚴重影響了中心的應急救援處置工作。根據對該船的使用觀察和故障分析，認為該船主機超負荷運轉是導致主機經常發生故障的主要原因，本文以船舶在航行中受力情況為依據，分析導致主機超負荷運轉的常見因素，找出導致該船主機超負荷運轉的主要原因，期望能夠為以后船舶建造和使用避免類似故障起到一定的指導作用。

1 302船主機故障及原因分析

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

主機超負荷長期運轉時，將對曲柄連桿機構，燃燒室部件等產生嚴重損害。輕者表現為汽缸墊、排汽缸墊等燒毀，排煙總管及波紋管等燒裂，嚴重的情況將導致缸蓋裂紋、拉缸、曲軸疲勞損壞等機損事故。主機超負荷一般表現為排煙溫度嚴重超高(排煙管燒紅)，冒黑煙，增壓器喘振，油水溫度升高，機器聲音異常等。

通過多次對該船主機故障維修和分析，基本判斷該船主機經常性故障是由主機經常超負荷運轉引起的。

2 導致船舶主機超負荷運轉的常見原因

當船舶航行時，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)，空氣阻力很小，水阻力是主要的。當風級高時，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，需要通過船舶主機產生動能，通過傳動軸傳給推進器，由推進器產生后推力克服空氣阻力和水阻力。同時船舶推進器推力通過推力軸反作用于主機，形成主機負荷。當主機負荷超過主機標定的最高功率時，主機處于超負荷狀態。所以導致主機超負荷常見原因有如下幾種。

2.1 設計時機槳不匹配

對于一定功率的主機，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，造成主機帶不動，主機在高速運轉時就會造成超負荷。相反，如果螺旋槳直徑過小或螺距比過小，螺旋槳就會過輕，主機即使在額定轉速下也不能充分發揮它的功率。在實際選配螺旋槳和主機配合時，將考慮船舶污底、惡劣海況以及主機使用一段時間后功率下降等因素，一般主機留有10%～15%的儲備功率，以防主機超負荷。

中油應急302出廠時，主機額定轉速為1 800 r/min，靜水航速8.5 kn，此時左右主機排煙總管燒紅 (無溫度表顯示)，估計排煙溫度至少在500℃以上，主機嚴重超負荷。導致主機超負荷的原因應為機槳不匹配，槳配得太重 (主機功率太低)，每當全速航行時，主機就超負荷。

2.2 在大風浪中航行

船舶在航行時，船體的推進力和阻力平衡時，船舶保持穩定船速前進。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，當風力不大時，空氣阻力很小，船舶阻力主要是水的阻力。在風力達到5級以上時，風對船舶的阻力明顯增加。風力加大后，船體在風浪中產生搖擺起伏也將引起興波阻力。船舶在大風浪中為保持航向，舵經常需要偏轉一定角度，從而使船舶阻力進一步增加。因此，風浪增大后，船舶的各種阻力都明顯增大，在船舶推力不變的情況下，船速就會相應的降低。船速的降低，使螺旋槳的進程比減小，其特性線變陡;在油門不變的情況下，柴油機轉速就會下降，發出的功率也有所下降;最后船舶將在降低后新的推進力與船舶阻力平衡的條件下，以較低的航速前進。此時，如果因為主機轉速降低，用增加油門來恢復主機轉速，就會使主機循環供油量增加而最高爆發壓力增高，導致機械負荷增加，形成主機超負荷運轉，甚至導致汽缸部件損壞。

2.3 船舶重量增加，導致吃水增加

船舶由于增加設備、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，進而導致船舶在航行過程中受到水的阻力增加，主機負荷相應增大。

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，船舶負荷會增加。

2.5 在高航速下使用全回轉進行減速或者倒航

本船360°全回轉推進器的特點是推進器可繞垂直軸作360°的旋轉，螺旋槳可以在水平面360°內任意位置上發出推力，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，主機通過減速齒輪箱減速后，由傳動軸將動能傳遞到推進器的螺旋槳，螺旋槳產生推力，克服船舶阻力，同時螺旋槳產生的推力的反作用力通過螺旋槳、推力軸反作用于主機，即為主機受到的負荷 (如圖1)。在船舶處于勻速行駛時，螺旋槳產生的推力等于船舶受到的阻力。船舶動力系統受到的負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，動力系統尤其是柴油機的負荷小于其標定的額定功率，一般為額定功率的85%～90%，在特殊情況下，柴油機允許超負荷功率為標定功率的110%，并且12 h運轉期內超負荷運轉不超過1 h［1］。當正常全速航行中，突然調轉螺旋槳方向，使用全回轉推進器進行減速或者倒航 (船舶仍處于前航狀態)，在不改變主機轉速的情況下，船舶動力系統所受到的負荷為螺旋槳的推力加上船舶的阻力 (如圖2)，即動力系統受到的負荷是前進航行時的兩倍。這種情況會使船舶動力系統處于嚴重超負荷狀態，有時能達到主機額定功率的180%，嚴重損傷主機。在大連處理7·16溢油事故時，302船在港池內使用全回轉轉向，主機瞬時出現冒黑煙現象，說明主機處于嚴重超負荷狀態。

3 全回轉推進器船舶在使用中的注意事項

圖2 船舶在使用全回轉推進器減速或者倒航時受力示意圖

在使用常規螺旋槳推進器推進的船舶中，如果從正航轉為倒航，船舶阻力會增大，主機倒車運行后，當主機轉速達到標定轉速的40%時，主機轉矩就能達到額定值［1］。若轉速過高，主機和軸系就會超負荷，此時操作應該根據緊急情況，控制主機轉速。除非不得已，在保船不保機的情況下才能主機超負荷運轉。本船使用全回轉推進器進行減速或者倒航，也應該是在非不得已的緊急情況下使用。根據該船在使用過程中的經驗與分析，使用全回轉推進器進行減速或者倒航的頻率較高，且在使用時沒有相應的調低主機轉速，致使動力系統經常處于嚴重超過允許限額的負荷下運行。

通過對該船在使用過程的觀察與分析，本船設計時機槳不匹配，槳配得太重 (或主機功率太低)和經常性使用全回轉推進器進行減速和倒車，且沒有相應的降低主機轉速，是導致該船主機超負荷運轉的主要原因。

通過以上分析，該船主機經常性故障的主要原因基本確定為動力系統 (主機)經常超負荷運轉。本船設計時機槳不匹配，槳配得太重 (或主機功率太低)和經常性使用全回轉推進器進行減速和倒車，且沒有相應的降低主機轉速，是導致該船主機超負荷運轉的主要原因。由于該船機槳配置已經形成既定事實，短期內不易進行更改;為避免該船在以后使用中經常出現超負荷運轉現象，應在使用全回轉推進器進行減速或者倒航方面采取注意事項。在使用全回轉進行減速或者倒車時，動力系統受到船舶阻力和螺旋槳的推力聯合作用，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轉速的二次方成正比［1］。在使用全回轉推進器進行減速或倒航時，為減少動力系統的負荷，主要從兩個方面采取注意事項:一是控制船速，船速降低，船體受到水的阻力降低;二是控制主機轉速，主機轉速降低，螺旋槳的推力降低。所以在以后的船舶使用過程中，用全回轉推進器進行減速或者倒航時，應當根據船舶航速，控制主機轉速。在船舶速度較快時，主機轉速一般不超過額定轉速的40%。

4 結束語

通過上文分析，找出了該船主機超負荷運轉的主要原因及使用中應該注意的事項。中心在以后還會有使用360°全回轉推進器的船舶投入使用，望以后在后續船舶的建造和使用上，能夠引以為戒，避免主機超負荷使用現象的出現。

［1］吳曉光.輪機概論 ［M］.大連:大連海事大學出版社，2009.