低速船用柴油機油底殼回油管連接件結構優化設計

中波輪船股份公司 鄭慶國 上海船舶研究設計院 郭晟江

低速柴油機廣泛應用于大型船舶的主動力推進裝置，其運轉可靠性和耐久性對船舶的重要性不言而喻。滑油在柴油機運轉中是不可缺少的潤滑劑，用于潤滑主機曲軸等運動部件的系統滑油，其潔凈程度非常關鍵，被水或其它物質污染的系統滑油，將會對柴油機運動部件產生嚴重破壞，導致船舶失去動力，是非常危險的事情。保護柴油機系統滑油不被污染是非常重要的維護保養任務。在低速船用柴油機油底殼與其底部的滑油循環艙頂部相連之處，設有回油管，用于引導滑油在潤滑完柴油機運動部件后回流到滑油循環艙。在配有低速柴油機的營運船舶中，已經有大量由于回油管連接件的破損導致外部的污水泄漏到滑油循環艙內污染柴油機系統滑油的事故案例。

現有設計

1、油底殼回油管的位置描述及設計初衷

低速船用柴油機系統滑油在由柴油機、循環油艙、滑油泵、冷卻器、濾器等組成的封閉系統內循環。帶有一定壓力的系統滑油，持續地經過柴油機運動部件的潤滑間隙，有效保持運動部件的表面潤滑，保證柴油機的正常運轉。由于低速船用柴油機的系統滑油需要量很大，柴油機自身油底殼的尺寸不足以容納如此大的油量，因此傳統設計上，在柴油機定位安裝的內底板下部雙層底內，設有一個封閉的滑油循環艙，用于存儲充足的系統滑油。

設計在柴油機外部的滑油泵，從滑油循環艙抽吸滑油，泵出足夠壓力和流量的系統滑油。系統滑油依次經過冷卻器、調溫閥、自動沖洗濾器后進入主機，通過分支油管到需要潤滑的各個部位。潤滑后的系統滑油，依靠重力回流到柴油機的油底殼內。油底殼與滑油循環艙之間，有100mm左右的間隙，回油管就布置在這個間隙之間（如圖1所示），回流到油底殼之中的系統滑油，通過回油管流入下部的滑油循環艙，系統滑油形成一個封閉的內循環。

圖1 回油管的位置

回油管連接結構的作用是保證系統滑油能順利由柴油機油底殼流回滑油循環艙，同時將柴油機滑油系統內部和外部隔離開，使得內部的滑油不會泄漏到系統外面，外部的污水等污染物不會進入柴油機滑油系統里面。回油管的設計要求是彈性的密封連接，這是由于柴油機在運轉中會產生左右、上下的振動，和前后、左右的扭轉力矩（如圖2所示），從而帶動油底殼的底板一起振動。滑油循環油艙，相對于柴油機是固定的。在一個固定和一個有相對振動兩個平面之間，不能采用固定式的回油管連接，否則振動的平面將會把回油管震斷，使其失去密封的作用。

圖2 柴油機的振動

2、油底殼回油管連接結構的現有設計

目前低速船用柴油機油底殼回油管連接結構設計基本上都是采用耐油橡膠片連接件，將兩個平面連接起來，環形橡膠連接件內外圈分別固定在兩個平面上（如圖3所示）。

圖3 油底殼回油管連接結構現有設計

在滑油循環艙頂板8的開孔上的管狀基座1上設有法蘭2，在油底殼底板6上設有法蘭4。橡膠連接件7是一個環形的橡膠，其內外邊緣分別固定在法蘭2和法蘭4上，使其將兩個不同水平面上的平面相連，把柴油機的內外分割開來。在油底殼底板6上，還設有另外一個法蘭5，用于安裝圓形濾網3，來防止異物從回油管進入滑油循環艙。在法蘭4上面設有一個導流罩9，起到導流的作用，系統滑油從油底殼回流到滑油循環艙時經過導流罩9，使系統滑油不與橡膠連接件7直接接觸。這不僅可以讓系統滑油順利經過，還減少高溫和油浸泡對橡膠連接件7壽命的影響。橡膠連接件是彈性連接，在安裝的時候，可以補償由于柴油機油底殼底板法蘭定位和滑油循環艙頂板法蘭焊接導致的偏差。在柴油機運轉中產生的振動，橡膠連接件也可以有效地將振動吸收。這種油底殼回油管連接結構設計到達了設計初衷。但是，低速柴油機油底殼回油管連接結構的現有設計存在使用壽命短、結構不可靠的缺點。

現有設計的缺點與風險分析

1、橡膠連接件壽命短

橡膠連接件的材質是耐油橡膠，是耐非極性油類的氟橡膠，外文名稱為Oil resistant rubber。氟橡膠具有高度的化學穩定性，是目前所有彈性體中耐介質性能最好的一種。但橡膠是有壽命的，普通材質的氟橡膠的使用壽命是5～15年，特色配方的氟橡膠使用壽命也在20年之內。船舶的正常壽命都在20年以上，由此可知在船舶的生命周期內，橡膠連接件是不能始終有效起到防護作用的。橡膠連接件在使用中處于長時間吸收柴油機振動的工況之下，高頻的三維振動讓橡膠連接件的使用壽命進一步縮短。如果在安裝的過程中，橡膠連接件局部受到兩個法蘭之間的張力，將會進一步縮短其使用壽命。

2、橡膠連接件不可靠

橡膠連接件在正確的安裝和正常使用中，是不受柴油機振動以外的外力的，其使用效果能夠到達設計初衷。但在柴油機底部出現有污水積存的時候，或者機艙出現險情大量進水的時候，水壓將會直接作用在橡膠連接件的底面。這個壓力很容易將逐步老化的橡膠連接件壓破，特別是橡膠表面的存在龜裂點或有表面缺陷時，橡膠將會很容易被撕開。這是采用橡膠連接件作為回油管連接結構的不可靠之處。

3、破損后的橡膠連接件帶來的風險

在橡膠連接件破損之后，不管是橡膠的老化還是振動導致的開裂，都將使其失去密封的作用。柴油機在運轉的時候，油底殼內部相對于大氣是有一定正壓力的，并且充滿油氣。在橡膠連接件失去密封作用后，帶壓力的油氣將會從破損之處泄漏到機艙的空間內。油的泄漏不但造成浪費，還污染環境，甚至有著火的安全隱患。這個現象非常之多，工作在船舶的輪機人員，都有過這樣的經歷，發現柴油機底部總是有滑油漏出來，又看不到漏油的位置。柴油機在運轉中，尾部飛輪在旋轉，無法清潔，使得柴油機底部的污水井里面始終漂浮著很多油，每次到港后，柴油機停下來都要清潔污水井。

再一個較大的風險就是污水從破損的橡膠連接件處流進滑油循環艙，污染系統滑油。已有多起報道案例，發現柴油機系統滑油水分含量高，甚至被嚴重污染都是由破損的橡膠連接件處漏水進去導致的。有一個典型的案例，是較為嚴重的柴油機系統滑油污染事件。某輪10年船齡，第二個塢修特檢周期，進船廠修理。在船廠修理期間，機艙里更換了很多壓載水管，在裝復新管子后進行測試，多處法蘭漏水，進行了反復拆裝更換法蘭墊片等工作，從而導致機艙出現大量積水。在污水井報警后，未能及時將污水排走。等一切修理結束，準備開航。當班輪機員在測量低速柴油機滑油循環艙的油位時，發現油位已接近滿艙狀態，匯報給輪機長。輪機長經驗非常豐富，馬上意識到滑油循環艙進水了。用滑油分油機的供給泵抽吸滑油循環艙的滑油幾分鐘，停下來將泵前的濾器拆開，發現濾器里面全是水，可確認滑油循環艙真得混入了大量的污水。大約20噸的系統滑油需要被徹底更換，這個費用是非常之大。更換滑油的同時，需要查明漏水的根源。經過排查，最終發現是柴油機油底殼回油管連接結構的橡膠連接件破損（如圖4所示），機艙的污水倒灌進滑油循環艙。該案例中，雖然損失了20噸系統滑油，但沒有造成更大的柴油機損壞。如果沒有去確認滑油循環艙的油位，或者沒有意識到系統滑油被污染，直接開啟主滑油泵，整個柴油機內部運動部件將被污水沖刷，將導致軸系等表面銹蝕，甚至乳化的系統滑油給柴油機造成抱軸等重大機損事件。

圖4 破損的橡膠連接件

油底殼回油管連接結構的優化設計

根據回油管連接結構設計的初衷，鑒于現有設計存在的風險，針對橡膠連接件的壽命短和強度不足導致的不可靠，在這里進行優化設計。用不銹鋼SUS316L材料做成帶“?”型的金屬連接件來取代橡膠連接件。如圖5所示。

圖5 油底殼回油管連接結構優化設計方案

1、優化設計方案介紹

優化設計方案中，用金屬連接件8將橡膠連接件(圖3中7)取代。金屬連接件是采用耐腐蝕強度比較好的不銹鋼SUS316L材料，其材料穩定性好，壽命長，可以在船舶全壽命周期內正常使用。

采用“?”型環狀的金屬連接件，有良好的彈性變形能力，能有效吸收柴油機運轉中的三維方向的振動，抗振動疲勞效果好。在安裝時，“?”型環狀結構具有可伸縮性，可以補償兩個平面法蘭定位的偏差，使得安裝更為方便。

金屬連接件具有充足的強度，能夠承受較大的外部壓力。當柴油機外部出現積水時，或者機艙大量進水時，水壓壓在金屬連接件8的底面，“?”型環狀結構被拉伸，使金屬連接件8向上貼附在上面金屬導流罩10上，金屬連接件8良好的彈性變形，不會出現撕扯的張力。金屬導流罩10具有一定的強度，可以承受較大的向上壓力，支撐著金屬連接件使整個回油管連接結構具有了良好的密封性和可靠性。

2、優化設計方案的可行性

金屬連接件的加工具有可行性。在1～2mm厚的不銹鋼板上，先用環形模具壓制出“?”型膨脹環，然后根據兩個法蘭定位尺寸，裁剪出金屬連接件的內、外邊，再根據法蘭上的鎖緊螺絲孔的定位及尺寸，打出孔眼，一個金屬連接件就加工好了。

現有船舶，按照優化設計方案進行改造同樣具有可行性。在不改變原來兩個連接平面上法蘭2和法蘭4定位的前提下（改變原來法蘭定位，需要熱工作業，切割和焊接，這在滑油油艙范圍內施工，是需要安排清艙和測氧測爆等成本較高的準備工作的），僅將兩個法蘭上的壓蓋拆下，去掉原來的橡膠連接件，將加工好的金屬連接件換上，在金屬連接件與兩個法蘭的接觸處，上、下面上放上橡膠墊片7，鎖緊兩個法蘭，裝復原來的導流罩10和濾網3，改造任務就能完成。更換好金屬連接件后，需要做一個柴油機油底殼外圍的壓水試驗，來確保其密封性。

在新造船中，低速柴油機廠家可以在初始設計階段就考慮采用金屬連接件的回油管連接結構。在兩個法蘭定位，金屬連接件預制，法蘭固定形式等方面進行全方位的考慮，以安全、可靠，便于安裝為原則，進行詳細的優化設計。

低速船用柴油機油底殼回油管連接結構的優化設計，是在以其功能設計初衷為原則，總結現有設計方案使用中出現的問題，分析其原因，優化其壽命短、不可靠之處，進行的改造優化。該優化設計具有良好的可行性，并已獲得國家實用新型專利證書。采用優化設計方案的油底殼回油管連接結構，能夠做到可靠密封，全壽命周期免維護，還能有效避免偶然情況下機艙積水或進水時對柴油機造成的損壞。建議低速船用柴油機生產廠家，能夠對文章論述的優化設計方案有所關注，在新造柴油機的設計中就能完善油底殼回油管連接結構的設計，使其設計更加完善，更加可靠。

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