VGP规范下艉轴承用环保油运行情况分析

周鲁兵

（扬州大洋造船有限公司，扬州 225107）

0 引言

近来不少船舶企业在使用BIO-seal生物环保密封圈和 BIO-oil生物环保油（以下简称环保油）阶段都或多或少遇到艉轴承短时间温升较快的问题，有些船厂还遇到艉轴承磨损、实船进坞压装新艉管轴承现象。传统经验表明，对于出现轴承高温现象回复最多的无外乎船厂自身的问题，经过重新校中、调整和清洁等就能恢复正常。但目前短时间内多个船厂、多条船同时出现轴承高温现象，而且这些船都是运用 BIO-oil环保油后出现高温，尤其值得关注的是，这些出现高温的船舶一旦换回矿物油后，轴承运行一切正常。本文主要通过案例总结以及分析可能出现这种现象的种种原因，并结合 2014年11月7日CCS船级社在南京召开的关于《美国环保署环保油应用研讨会》[5]，各个造船厂和轴承厂家以及滑油厂家共同讨论，提出今后的新造船舶在运用这种 BIO-oil环保油时需要注意的事项和改进措施的建议。

1 新规范的由来

2013年美国环保局颁发的新规范规定，2013年12月19日之后新造船，如需要到美国海岸3英里，在国际海洋安全公约和国际船舶组织之外，还必须强制按照满足 VGP要求，即所有船舶在油水界面上的设备必须使用环保润滑油，除非技术上不可行（一般新造船不考虑技术上不可行这个方案）[3]

VPG规定船上主要设备存在油水分界面的地方如图1所示。

图1 生物降解油船上使用的具体设备和位置

从图表可以看出，对于船厂影响最大最重要的地方，也是本文重点讲的，是艉管环保生物降解油。目前各油品巨头纷纷开足马力研发和测试，已经出现了以粘度100cst、150cst和220cst为主的常用艉管滑油，见图2。

图2 海运生物降解油范围

2 案例汇总与分析

随着 VGP的执行，目前周边船厂如扬州大洋造船、金陵船厂、城西船厂等，相继更换了部分船舶的艉轴环保油，表1是一份整理关于部分船舶运用新环保油后，艉轴承出现的一些异常现象的汇总，结合表 1，我们分析了可能出现问题的原因以及应对措施。

2.1 环保油的选择

直观地从案例中可以发现，凡是出现轴承高温报警的环保油，一旦换成矿物油或者提高环保油的粘度，轴承温度就能恢复正常，以下是对环保油的初步分析：

静态轴承负荷为N，轴承有效接触面积为S，轴承的静态比压f0=N/S，为了安全的冗余度，考虑艉管轴承比压选择 0.8Mpa，中间轴承选择2.0Mpa[1,2]；轴在运转期间，油在轴表面的吸附力随着轴转动形成油膜来避免轴和轴承机械接触摩擦产生损耗（见图3）。

艉轴承处油的线速度 V（通常需要大于3.5m/S），油膜的比压为f1（λ×S×V），轴实际受到比压为f2，这中间的相互关系为：

1/f2=1/f0+1/f1

由式中可以得知：

艉轴f2=0.8 f1/(0.8+ f1)

表1 实船案例情况汇总

图3 模拟运行摩擦效果

同样运行情况下，油黏度越大，在形成同样油膜的情况下，要求轴系转速越小（见图4）。换言之，同样在推进系统相同的情况下，高黏度的油在启动过程中安全系数更高，因此建议新造船提高艉轴环保油的粘度，目前可以选择150CST[2,4]。

另外在选择高粘度的环保时候需要注意，轴承温度上稍微比100CST粘度的滑油温度高～3°左右，其不同粘度的生物环保油，均以30℃为起点，其在两个转速下，可适用的温度范围见图5和表2[2,4]。

3.2 轴承设计优化

从目前我们收集各个船厂的实际艉轴损害的照片来分析，轴承磨损主要出现在轴承后端，约200mm内的扇型面积内出现少部分摩擦（见图6）。

图4 粘度和油膜形成对比表

图5 两个转速下的适用温度范围

传统的轴承合金的磨损，大部分原因是由于润滑不良或者断油、滑油进水变质、轴承-轴相对转角过大、轴承间隙过小，以及轴颈失园表面粗糙度过大等造成油膜破坏，发生干摩擦引起轴承发热造成。目前针对用于 BIO-oil环保油出现高温，而换成矿物油后温度又正常的情况，经过和油品厂家讨论，分析如下（见图7）。

正常船舶运行，螺旋桨轴与轴承的末端在恶劣的运行环境中（转速突变、螺旋桨浸没、轴瓦受力不均等）可能导致轴承间隙过小，引起边缘摩擦，目前运用的 BIO-oil环保油和矿物油的抗磨性能虽然都是12级，但是由于环保油和矿物油分子结构不同，会导致环保油在抗摩擦的同时，在保护轴与轴承表面能力稍强于矿物油，通俗地讲，即矿物油在正常磨合的时候能够加快轴与轴承表面细小的摩擦，并且带走摩擦后的杂质；而环保油相反会阻止轴与轴承摩擦，更能保护轴与轴承的表面。另外，轴与轴承间隙在边缘缩小的情况下，环保油比矿物油更难形成保护油膜，这个需要等待滑油厂家和轴承厂家进一步试验。鉴于目前多条运用环保油损害船舶轴承的程度来看，损害主要集中在轴承尾部，而非整个轴承。从DNV船级社了解到，目前正在启用的双斜度轴承（见图 8）的设计能够更好地减小轴承边缘摩擦[7]。

表2 粘度和温升对比表

图6 实际案例照片

图7 模拟轴实际运行情况

图8 双斜度轴承图示

3.3 其它可能导致轴承高温的原因分析和建议

1）目前出现轴承高温的船舶，主要集中在单轴承船舶，建议优化轴系载荷布置，考虑增加前轴承方案；

2）轴系校中计算过程中，充分考虑由于不同工况下船体变形导致的轴承位置发生变化，并且考虑螺旋桨附加弯矩的影响，以及提高轴和轴承表面粗糙度等级；

3）完善轴系施工、校中工艺，确保施工精度，在无前轴承的时候，轴系顶升阶段，尽量避免对中间轴承的调整；

4）尽量避免螺旋桨非全浸没状态下，高速运转，尤其是在过浅摊时，排压载水后，要减速慢行，避免突然加速操作；

5）改善投油工艺，提高艉管滑油投油等级至相应的要求，尽量减少环保油参杂其它杂质的可能性。

4 结束语

船舶设计和建造一方面在大量重复性的工作中不断积累经验，另一方面需要不断打破常规，勇于分析探索。鉴于当前运用BIO-oil环保油出现轴承高温的现象还没有找到根本原因，以下有两种方法可以保持目前轴系现有设计，满足 VGP要求，减小轴承高温报警的风险，保证船厂的交船利益，供现有新造船厂参考。

1）更换艉轴冷却方式（换成海水冷却）或者更换密封型式（换成艉轴气密封）。前者换成海水冷却，这个方案相对与后者改成气封密封型式，船厂成本较大，一般船厂很难接受，大多数船厂接受后者换成气密封型式，空气密封理论上在正常运行时，不存在油水界面，可以继续使用普通矿物油，就能够满足VGP相关要求，而且气密封是强制润滑系统，比目前重力式润滑系统更加安全可靠，在没有找出运用环保油出现轴承高温现象的真正原因之前，保持现状继续使用矿物油比较稳妥。另外如果选择气密封型式需要船级社认可，以及船东需要向 VGP当局提出申请。

2）考虑到现有船舶可能来不及更换密封环型式，而且还要用环保油，也可以尝试另外一种方法。码头系泊直接用矿物油磨合，试航也用矿物油完成所有相关测试，回厂途中换成环保油，继续做主机负荷试验，最后用环保油交船。虽然这种做法还没有找到理论依据支持，但从目前实际操作的情况来看，的确能够减少出现轴承温度异常现象的几率，并且多条已交付的船舶在正常营运后，也没有出现船东反馈轴承温度异常；少数船舶在以后营运过程中出现轴承温度异常现象，经排查应属在特殊恶劣海况下运行。综合考虑，这个方案是对目前已经具备系泊、试航条件船舶的最优方案，可供现有新造船参考。

[1]船舶设计实用手册：轮机分册.ISBN 7-118-02154-7/U.162, 1999.

[2]轴承密封选型设计手册.

[3]美国环保局2013 VESSEL GENERAL PERMIT FOR DISCHARGES INCIDENTAL TO THE NORMAL OPERATION OF VESSELS (VGP) FINAL 2013 VGP.

[4]CASTROL /TOAL/MOBIL润滑油手册 .

[5]CCS美国环保署环保油应用研讨会相关资料,2014.

[6]上海船舶研究设计院,使用环保油对轴系运行的影响及应对措施,2014.

[7]DNV-GL shaft alignment-revised class handling 2014.