LNG船液货舱殷瓦卡舌折边机改进

2018-09-27 06:58邬昌平

造船技术 2018年4期

邬昌平，赵亮，谢妤

(1.上海江南长兴造船有限责任公司，上海201913； 2. 沪东中华造船(集团)有限公司，上海200129)

0 引言

液化天然气(Liquefied Natural Gas， LNG)船是国际公认的高技术、高难度和高附加值的“三高”船舶，其液货围护系统、液货驳运系统和特殊的动力推进系统构成了LNG船的3大特点，其中液货围护系统是整个LNG船最特殊的区域，必须确保运输的-163 ℃液化天然气不会在液货舱内大量挥发，设计与建造难度极大。

上海江南长兴造船有限责任公司(以下简称公司)承建的No.96薄膜型LNG船设有4个液货舱，液货舱钢结构通过结构性验收后开始建造液货舱绝缘层，液货舱绝缘层由次绝缘层(次绝缘箱+次层殷瓦)和主绝缘层(主绝缘箱+主层殷瓦)组成(见图1)，次绝缘层和主绝缘层对于每一个10面体的液货舱来说均是能够承受一定压力的密封层。

殷瓦卡舌折边机主要用于将殷瓦舌板预制成L形(见图2)，并将其穿入上述次绝缘箱表面开设的T形槽内。液货舱轴线方向的L形卡舌长度约为43 m，横向每相隔500 mm就会放置这种L形卡舌，直至布满液货舱的10个面，卡舌左右两侧安装了厚度为0.7 mm的等长于舌板的殷瓦列板，液货舱前后方向的殷瓦卡舌和列板安装完成后，殷瓦缝焊机对卡舌与左右两侧的殷瓦列板做缝焊，形成液货舱的次绝缘层。

图2 折弯前后的舌板材料

殷瓦卡舌折边机是建造LNG船液货围护系统的关键设备之一，公司自2005年从法国ERI公司引进，至今已完成近20条该类型船舶的建造。然而，在液货围护系统的建造过程中，该设备暴露出稳定性差、舌板成形缺陷和质量不佳、伺服控制器损坏严重等诸多问题，严重影响现场生产。

1 殷瓦卡舌折边机机械性能及存在的问题

殷瓦卡舌折边机主要由伺服控制箱、卡舌折边机机头和控制盒组成，卡舌折边机机头(见图3)主要由伺服控制器、伺服电机、减速机、成形轮、输送导向臂组成，是典型的机电一体化产品，由法国ERI公司生产，通过法国GTT(Gaztransport & Technigaz)公司认可，适用于No.96-2(标准)的LNG船建造，在日本、韩国及法国大西洋等船厂中均有使用。

1.1 机械功能

设备功能是将殷瓦舌板材料放置在料盘内，通过30°、60°、90°压轮，连续滚压成L形殷瓦舌板，并根据法国GTT公司的要求，插入次绝缘箱的T形槽内。

1.2 技术性能

(1) 机械参数。速度：0～n可调；额定速度：n=3 000 mm/min；最大速度：nmax=4 100 mm/min。

(2) 供电及控制。伺服控制供电：DC 48 V；直流无刷电机控制：带换相监测霍尔传感器的三相变频伺服控制；配电箱供电：单相230 V，50 Hz。

1.3 存在的问题

现场调研和跟踪考察发现，法国ERI公司殷瓦卡舌折边机存在如下问题：

(1) 稳定性较差。设备无法长时间稳定工作，大多数设备通常在折弯5～10条长约43 m的舌板后，便会出现停止运行的现象，严重影响现场的连续生产。

(2) 存在失控现象。在实船建造过程中，为缩短操作盒电缆的长度，通常将伺服控制箱布置在液货舱中部位置(距离卡舌折边机机头约22 m处)。当设备在使用过程中出现控制盒失控现象时，须按下伺服控制箱上的紧急停止按钮方可使设备停止工作。在操作人员跑向伺服控制箱的这段时间里，L形舌板前端在次绝缘箱卡舌槽内被顶死，卡舌折边机又继续以设定的速度输出，使得设备尾端的L形舌板隆起，导致卡舌报废。

(3) 伺服控制器损坏严重。该进口设备在连续使用后会出现机械运行走走停停的现象，甚至发生控制器、电路板损毁的现象，不但影响生产而且增加维修成本。

(4) 机械设计存在缺陷。该设备几乎所有的伺服电机与齿轮箱均会产生松动现象，甚至在卡舌折边机工作期间发生伺服电机与齿轮箱脱落的情况。

2 问题剖析与解决

卡舌折边机运行机构(见图4)主要由伺服控制器、伺服电机、齿轮箱组成。伺服电机连续做功导致温升及发热，而该设备的伺服控制器散热面积过小，对伺服控制器造成严重影响，具体分析如下。

图4 卡舌折边机运行机构结构图

2.1 电机做功温升过高所引起的机构不稳定分析与对策

滚压L形殷瓦卡舌成形需约200 W功率，采用48 V、230 W瑞典产直流无刷伺服电机(见图5)作为驱动电机，连续运行1个工作日，电机温度可达70～80 ℃，这一温度致使放置在电机内用以监测位置的传感器非常敏感，甚至会出错，这是造成机械运行不稳定的因素之一。

图5 直流无刷伺服电机

从图5所示的直流无刷伺服电机图可以看出：该电机没有设置散热装置，在工作负载暂载率≤40%的工况下，没有任何问题；若工作负载暂载率为100%，则会出现温度随时间不断升高的问题，导致电机过热，影响机构稳定性。

在电机表面无散热材料的工况下，根据傅里叶定律，热阻方程式为

(1)

式中：R为热阻，°C/W；q为热流或功率，W；T1为电机温度，℃；T2为电机散热器温度，℃；ΔT为2个不同表面的温度差，℃。

根据上述方程式，当电机没有设置散热器时ΔT=T1，当其他条件相同时，热阻最大。

对于过大的热阻所引起的电机过热，可以通过增加电机的散热器予以解决，如图6所示。

图6 电机安装的散热器

电机加装散热器后，增加了散热面积，设定散热器允许温度T2为50 ℃，如图7所示。

图7 散热器安装

将电机表面温度T1=80 ℃，q=200 W，散热器表面温度T2=50 ℃，代入式(1)，得出

(1) 电机没有设置散热器时的热阻为

(2) 电机设置散热器时的热阻为

由式(2)和式(3)可以得出：电机设置散热器后的热阻是没有设置散热器热阻的37.5%，该结论得到法国ERI公司认可，改造后的卡舌折边机用于实船生产效果显著，能连续工作而不停顿，提高了工作效率，降低了设备使用成本。

2.2 伺服控制器温升过高所引起的机构不稳定及控制器损坏分析与对策

该设备使用的伺服控制器用于直流无刷电机的伺服控制，俗称直流变频器。在连续工作的工况下，随着时间的推移，伺服控制器及控制器内部的功率器件的温度会不断升高，导致伺服控制器工作不稳定，严重时会出现损坏，故伺服控制器的散热非常重要，为此对其进行重新设计。下面以三维实体模型展现设计，并且对照法国ERI公司的伺服控制器的散热设计，比较发现其散热的特性远胜于法国ERI公司的设计，已通过1条船次层液货舱的施工验证该设计是高效合理的，如图8～图10所示。