油輪惰氣風(fēng)機(jī)修理淺析

李 波

（舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

對載重為20 000 t及以上的載運(yùn)閃點(diǎn)（閉杯試驗(yàn)）不超過60℃的原油或成品油輪，以及所有使用原油洗艙的油船，均應(yīng)設(shè)置惰性氣體系統(tǒng)[1]。用于降低貨油艙大氣含量，使其達(dá)到不能支持燃燒的程度，使全部空貨油艙呈惰性[2]。起到防火、防爆、防腐的作用；外輸時(shí)，補(bǔ)償油艙內(nèi)壓力，防止空氣進(jìn)入大艙，保護(hù)大艙由于真空大而被吸癟變形。油船惰氣風(fēng)機(jī)是保證船舶安全儲(chǔ)油的重要設(shè)施，它確保產(chǎn)生的惰氣源源不斷地輸送到儲(chǔ)油艙室封艙確保油品的安全輸送。惰氣風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)尤為重要。惰氣風(fēng)機(jī)為電動(dòng)離心風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)保證最大泄油量時(shí)油艙內(nèi)能維持微小的正壓。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量比貨油泵的排量大25%，主輔惰氣風(fēng)機(jī)含有2臺(tái)離心式風(fēng)機(jī)。

1 船舶惰氣風(fēng)機(jī)常見問題

通過多年的船廠維修經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)離心式風(fēng)機(jī)問題主要出現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）開始運(yùn)行風(fēng)機(jī)起動(dòng)困難；繞組高溫；軸承高溫；噪聲大；

2）軸封破裂漏氣、噪聲；軸封布司磨損；

3）葉輪變形；葉輪開裂，葉輪軸向移位；

4）軸承損壞；軸磨損、變形或彎曲；

5）端蓋軸承室磨損；端蓋開裂；

6）整機(jī)振動(dòng)。

2 惰氣風(fēng)機(jī)修理相關(guān)要求

對以上出現(xiàn)的問題要采取科學(xué)的方法針對性地進(jìn)行處理，通過望、聞、問、切的手法診斷，準(zhǔn)確推斷問題所在，電氣系統(tǒng)問題結(jié)合控制原理圖在備件充足的情況下基本都能現(xiàn)場排除故障，對于機(jī)械系統(tǒng)的故障建議進(jìn)車間拆解，詳細(xì)檢查后再制定合理的修理方案。

檢查風(fēng)機(jī)軸是否磨損或腐蝕，鍵槽是否扭裂，進(jìn)而影響軸的強(qiáng)度；軸承檔是否磨損，軸承是否走內(nèi)圈；軸上車床或校中工裝，用百分表檢查其跳動(dòng)量，不得超過0.05 mm。風(fēng)機(jī)軸直線度公差在轉(zhuǎn)速＞3 000 r/min時(shí)要求其公差值0.05 mm。

風(fēng)機(jī)軸應(yīng)進(jìn)行著色檢查，其表面光滑、無裂紋、銹蝕及麻點(diǎn)，其他處不應(yīng)有機(jī)械損傷和缺陷。軸頸表面粗糙度為Ra0.8。軸段磨損修復(fù)時(shí)要記錄其各個(gè)部位的原始尺寸和公差值，尤其是原始軸承軸承檔的尺寸，并注意個(gè)軸肩處的過度圓角的應(yīng)力槽等部位的存在。

軸承是否有軸向竄動(dòng)，內(nèi)外圈是否有發(fā)藍(lán)高溫?zé)齻圹E，軸承座孔是否磨損，軸承是否走外圓。軸承換新時(shí)要求對其軸承室進(jìn)行清潔和測量工作，對嚴(yán)重銹蝕、磨損、超差和走外圓的端蓋軸承室進(jìn)行電鍍、金屬噴涂或鑲套等處理方法來恢復(fù)其原始尺寸。

檢查氣封狀況。

葉輪動(dòng)平衡校正允許的質(zhì)心偏移量按表2規(guī)定[3]。

表2 葉輪動(dòng)平衡允許質(zhì)心偏移量

3 葉輪裂縫修理

分析出現(xiàn)連續(xù)性穿透性裂紋的原因，由于近期修船油船較多，惰氣系統(tǒng)的修理項(xiàng)目也較多，而比較特別的事就是惰氣風(fēng)機(jī)風(fēng)葉軸套位置出現(xiàn)多起穿透性裂紋的事件。對于此事件的高概率原因，分析如圖1所示。

圖1 葉輪裂縫修理

3.1 原因分析

3.1.1 焊接缺陷

惰氣風(fēng)葉在出廠前都是經(jīng)過嚴(yán)格檢驗(yàn)以及效能試驗(yàn)，因此新的風(fēng)葉不存在缺陷。但是不排除有亞健康型的焊接質(zhì)量，例如：

1）焊縫的高度剛好滿足風(fēng)葉使用要求，待風(fēng)機(jī)運(yùn)行使用一段時(shí)間后，風(fēng)機(jī)的性能以及材料性質(zhì)發(fā)生改變，致使出現(xiàn)裂紋。

2）焊接材料沒有進(jìn)行保溫，或許使用別的材料替代。

3）焊工焊接的成型缺陷，如存在咬邊、裂紋或氣孔等。

3.1.2 腐蝕缺陷

1）腐蝕余量計(jì)算未能滿足要求

2）由于惰氣的原發(fā)性氣體腐蝕強(qiáng)度突然增高，超出計(jì)算范圍之內(nèi)，破環(huán)焊縫的焊接連接面積，致使強(qiáng)度減弱。

3）材料沒有達(dá)到腐蝕要求的性能。

3.1.3 操作不當(dāng)

1）風(fēng)葉的動(dòng)平衡發(fā)生破環(huán)，致使扭力增加。

2）電流電壓不穩(wěn)定，造成輸出扭矩發(fā)生突變。

3）其他船員操作問題。

3.1.4 本身設(shè)計(jì)問題

按照圖1所示，在風(fēng)葉軸轂的兩道焊縫之間是整個(gè)風(fēng)葉的最薄弱區(qū)域，風(fēng)葉外環(huán)為風(fēng)葉兩側(cè)板以及導(dǎo)流葉組成的結(jié)構(gòu)，風(fēng)葉內(nèi)側(cè)為軸轂實(shí)體，中間區(qū)域?yàn)閮傻篮缚p連接的薄弱區(qū)域，近期船舶的惰氣風(fēng)機(jī)的裂紋發(fā)生處都在此區(qū)域中發(fā)生。

按照30萬噸油輪上的惰氣風(fēng)機(jī)為例，惰氣風(fēng)機(jī)馬達(dá)參數(shù)為99 kw、440 V、60 Hz、195 A、3 600 r/min。按照此參數(shù)，馬達(dá)輸出端即風(fēng)葉的輸出扭矩啟動(dòng)時(shí)的瞬間扭矩：

T=9550P/N＝787.875（N·m）

式中：T為扭矩，N·m；P為功率，kW；N為轉(zhuǎn)速，r/min。其中3倍為啟動(dòng)時(shí)的瞬間功率。

而按照近期修理船舶主要出現(xiàn)的裂紋位置也在直徑D=120 mm、內(nèi)孔尺寸直徑d=105 mm的這道焊縫線位置，而此處所受的在馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)瞬間慣性矩為[4]

Ip1=π(D4－d4)/64=421（cm4）

在焊縫裂紋處的應(yīng)力為

τb裂＝T/Ip1×D/2 =11.2（Mpa/m2）＝11.2（N/mm2）

惰氣風(fēng)葉的主要材料為 TA2（鈦合金），sus316L（耐酸腐不銹鋼），這2種材料的抗拉強(qiáng)度都差不多，TA2的抗拉強(qiáng)度為520 N/mm2，抗扭強(qiáng)度τb為173 N/mm2；sus316L的抗拉強(qiáng)度δb為480 N/mm2，抗扭強(qiáng)度 τb為 160 N/mm2。

以sus316L材料為例：

S=τb裂/τb=0.07

式中：S為截面積，mm2。

因此其焊角高度要滿足≧0.37 mm，才能滿足惰氣風(fēng)機(jī)的力學(xué)性能。而要達(dá)到其使用要求，必須考慮腐蝕余量，即焊縫表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)腐蝕掉的余量。焊縫本體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)造成材料變性、強(qiáng)度減低需要考慮的余量。因此每個(gè)因素＋1，焊接焊角高度須≧2.37 mm。具體要求請見圖2。

圖2 具體要求

3.2 解決穿透性裂紋的方案

對于上述分析的原因，應(yīng)對風(fēng)葉加強(qiáng)以下幾方面的跟蹤與落實(shí)。

1）對焊接缺陷應(yīng)加強(qiáng)幾方面的跟蹤：（1）焊工技能；（2）焊材；（3）克服產(chǎn)生焊接缺陷的環(huán)境。

2）腐蝕缺陷的控制：（1）腐蝕余量的計(jì)算；（2）對于重油燃燒后的廢氣對風(fēng)葉的腐蝕計(jì)算。

3）操作不當(dāng)?shù)目刂疲海?）船員操作的控制；（2）修理過程中的控制。

3.3 修理工藝以及需要注意的問題

以30萬噸油輪上的惰氣風(fēng)機(jī)修理為例（見圖2）。

1）按船上圖紙檢查其材料性質(zhì)，確認(rèn)為316L，準(zhǔn)備軸轂材料以及焊材；

2）測繪軸轂尺寸，特別是軸轂的長度尺寸控制；

3）按裂紋外緣用等離子切割，需分段切割控制變形；

4）校調(diào)并車圓風(fēng)葉焊縫位尺寸并留臺(tái)階（用做軸向與徑向相對位置的固定）；

5）初加工風(fēng)葉軸套，并對幾個(gè)尺寸留好余量，軸套內(nèi)徑為5 mm，長度尺寸+2 mm，氣封檔尺寸+5 mm，鍵槽尺寸按照計(jì)算可以現(xiàn)行加工。

注意軸套外徑尺寸加大40 mm左右，有可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)馬達(dá)電流增大，所以盡可能以最小尺寸加工。

強(qiáng)度校核：惰氣風(fēng)機(jī)馬達(dá)參數(shù)為99 kW、440 V、60 Hz、195 A、3 600 r/min。按照此參數(shù)，馬達(dá)輸出端即風(fēng)葉的輸出扭矩啟動(dòng)時(shí)的瞬間扭矩為

T=9 550 P/N＝787.875（N·m）

其中3倍為啟動(dòng)時(shí)的瞬間功率。

而按照近期修理船舶主要出現(xiàn)的裂紋位置也在直徑D=140 mm、內(nèi)孔尺寸直徑d=105 mm的這道焊縫線位置，而此處所受到的在馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)瞬間慣性矩為

Ip1=π(D4－d4)/64=1 288.4（cm4）

在焊縫裂紋處的應(yīng)力：

τb裂＝T/Ip1×D/2=4.28（Mpa/m2）＝4.28（N/mm2）

該值≦sus316L的抗扭強(qiáng)度160 N/mm2，符合抗扭強(qiáng)度要求。

3.4 焊接

將新加工的軸轂與風(fēng)葉進(jìn)行氬弧焊焊接，為控制變形采用分段焊，并為控制變形做好相應(yīng)的胎架固定。在焊接過程中隨時(shí)跟蹤焊接的變形量。焊接的質(zhì)量按相應(yīng)的焊接質(zhì)量要求進(jìn)行。

焊完后冷卻以及放置2天左右做相應(yīng)的時(shí)效處理，然后割除相應(yīng)的胎架固定件，注意如果胎架割除時(shí)，風(fēng)葉位置變動(dòng)很大，說明應(yīng)力還很大，需要重新調(diào)位做時(shí)效處理。

3.5 重新上床機(jī)加工

重點(diǎn)是校調(diào)風(fēng)葉外緣與軸套內(nèi)孔的同軸度，然后按照此基準(zhǔn)精加工軸套內(nèi)徑尺寸、長度尺寸以及氣封處尺寸。經(jīng)加工后的幾項(xiàng)公差確認(rèn)（參照GB11865-89）：

1）輪蓋與輪盤端面的徑向跳動(dòng)量≦2 mm，實(shí)際車床測得0.56 mm，符合要求；

2）輪蓋與輪盤端面的徑向跳動(dòng)量≦3 mm，實(shí)際車床測得0.47 mm，符合要求；

3）輪盤平面度≦4/1 000，實(shí)際車床測得2.5 mm，符合要求。

3.6 進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)

動(dòng)平衡精度不低于G6.3級(jí)，進(jìn)行修復(fù)工作。按照出廠要求修正后的葉輪輪心偏移值為25 μm，低于標(biāo)準(zhǔn)值71 μm。

3.7 上船組裝后的調(diào)試效用

檢查與原風(fēng)葉的數(shù)據(jù)是否相符（油倉通風(fēng)量以及時(shí)間以及振動(dòng)、噪聲、跳動(dòng)量），以30萬噸油輪上的惰氣風(fēng)機(jī)修理為例：

1）初試驗(yàn)

先檢查電流、振動(dòng)和噪聲。風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)電流和2＃原風(fēng)機(jī)一致。

對風(fēng)機(jī)機(jī)殼所測的振動(dòng)值5.1 mm/s，聯(lián)軸器3個(gè)方向測量值為：5.6 mm/s、5.4 mm/s、5.5 mm/s，符合4.2 mm/s～6.0 mm/s的標(biāo)準(zhǔn)。

風(fēng)機(jī)的噪聲在規(guī)定值（GB2888）范圍內(nèi)，比聲壓級(jí)≦27 DB(A)。

2）效用試驗(yàn)

風(fēng)機(jī)的8小時(shí)油倉通風(fēng)封倉試驗(yàn)符合要求；風(fēng)機(jī)的24小時(shí)油倉排風(fēng)試驗(yàn)符合要求；通風(fēng)機(jī)在此工作期間出口風(fēng)壓為 2.16 kPa，符合標(biāo)準(zhǔn)值 2 kPa×(-5%～10%)的變化要求。檢查軸承溫度正常。

3）在船舶的一個(gè)小修理期（2年）內(nèi)，此風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常。

4 結(jié)論

通過對惰氣風(fēng)機(jī)的修理，運(yùn)用工程力學(xué)中慣性矩及應(yīng)力狀態(tài)及強(qiáng)度理論對惰氣風(fēng)機(jī)風(fēng)葉的裂紋產(chǎn)生進(jìn)行了分析，提出了合理的修理方案，規(guī)避了風(fēng)葉發(fā)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，為油輪惰氣系統(tǒng)平穩(wěn)安全運(yùn)行保駕護(hù)航，值得同行借鑒。