某VLOC 船增设空气润滑系统改造方案

张 浩，程 涵，赵福志，倪进旭

（友联船厂（蛇口）有限公司，深圳 518054）

1 前言

随着全球航运业节能减排要求日益严格，低碳、节能成为目前船舶新造或改造的核心指标之一。气泡减阻技术作为船舶空气润滑系统（简称ALS）中应用最广泛的节能措施之一，是一种利用微气泡来减少船体与海水之间航行阻力的技术方法。通过将空压机压缩后的空气不断地输往空气释放单元（简称ARU），以微气泡形态释放到边界层，大量的气泡在船底聚集形成气液两相混合流，从而减小船体周围水的密度、黏性以及湍流流动结构，使摩擦力显著降低，达到减阻节能的效果。船舶采用该技术可节省5%～10%的燃料消耗，从而减少碳排放，为绿色船舶提供了一种解决方案。

2 空气润滑系统组成

空气润滑系统，主要由10 套压缩空气单元（空压机撬块）、空气管、10 个Y 形三通管、20 个液动蝶阀、20 套空气释放单元（ARU）、1 个HPU 液压动力单元、1 个控制柜、1 套电磁阀箱、20 个应急阀块、电缆管、阀控管、动力电缆、控制电缆、操作台（集控室及驾驶室各1 个）、8 台轴流通风机（4 进4 出）等组成，图1 为其中一组的原理图：空压机压缩后的空气经过空气管、Y 形三通管后分成两路，Y 形管出口各设置一个止回阀，两路空气再经过液动蝶阀控制后到达船底部的ARU 单元，经过其底部的导流板不断释放出微气泡滑过船体底部，从而达到减阻的效果。

图1 空气润滑系统原理图

3 某VLOC 船增设空气润滑系统的改造方案

3.1 结构及舾装改造

结构改造部分主要包括：ARU 单元在船底开孔、定位及焊接；内部结构加强；新制沿1 号货舱前壁下仓的空气管路的槽型护罩等。

舾装改造部分主要包括：新增设备的底座预制；液压管线；控制管线的护罩等。

其中，ARU 单元在船底开孔、定位、与底板间的焊接质量为关键控制节点；ARU 单元作为整个空气润滑系统的核心装置，为了使气泡减阻达到最佳效果，20 套ARU 单元在船首部沿船宽方向弧形布置；ARU单元与船体间的安装精度、ARU 单元与导流板的装配间隙等，必须满足设备厂家的设计安装要求。

3.1.1 进坞前准备工作

1）ARU 单元内场检查，复核备件的精度（见图2），做好各项数据的记录；如精度超差，可适当校正ARU单元的底板以及加工导流板，确保坞内安装完ARU 本体及导流板。其导流板的装配间隙，需满足以下要求：

图2 ARU 底板及ARU 与导流板装配精度控制图

底板整体平面度±2 mm 以内；

测量点A～H,导流板与空气释放单元四周的许可装配间隙为21±3 mm；

测量点A～G,导流板与空气释放单元垂直高度为50±3 mm。

2）ARU 单元焊前准备:ARU 单元底板为板厚40 mm，船底板板厚20 mm。为此，需对ARU 单元底板四周预先削边至20 mm（斜度1:5），再开正面22.5°的单边坡口；焊接好施工用四角吊装吊耳及四角调整用吊耳；焊口防护，整体油漆；划好ARU 单元定位中心线的标记线以及根据中心线及ARU 底板轮廓，制作好舱底内划线的模板。

3）ARU 单元安装舱室的准备：舱室先通风、测爆合格；内底板工艺孔割除；将ARU 单元本体的中心线反在ARU 单元船壳的本体上，并做好样冲标记，在相邻100 mm 的位置标识一条检验线；现场焊接吊装ARU 单元用的四角吊耳以及四角定位调整吊耳。

4）割旧板的准备：根据反出的ARU 单元中心线，结合图纸定位尺寸以及划线模板，划出船底板的切割线；根据ARU 单元的中心线以及ARU 单元本体的线型及模板，对需要切割的纵骨或框架等提前划好切割线。

5）ARU 单元摆放在坞底的准备：每套ARU 重约4.3～4.6 t，长4 700 mm，宽1 480 mm，高470 mm。进坞前，根据进坞布置及ARU 单元的分布方位，将ARU 单元按照编号尽可能吊运摆放至坞底的相应位置，以免进坞后再转运大大增加工作量。

图2 为底板及ARU 与导流板装配精度控制图。

3.1.2 进坞后工作

进坞后，ARU 单元安装作业主要流程为：ARU单元冲水清理泥巴、做好防护→割除旧板（船底板及内部结构）→吊装新ARU 单元到位→ARU 底板装配、报验→底板板缝焊接→底板板缝光面打磨完工并100%UT 检查→内部结构装配→内部结构焊接→底板外侧焊缝磨平→抽真空试验→内部结构打磨→焊接完工报验→油漆修补→安装ARU 单元内部锌块→安装导流板、间隙调整、测量→螺母点焊固定→螺丝卡板凹槽填充铁水泥或环氧树脂。

ARU 单元底板为40 DH40，削边后厚度20 mm,船底板为20 AH36。根据WPS 要求，ARU 单元底板与船底板间的焊接需选用合适的焊接材料以及焊接方法：

焊材：采用YHE71T-1 或等同；

极性：DCEP 直流反接；

方式：CO2自动焊，单面焊双面成型焊接；

保护气体：CO2保护气体，纯度99.5%以上。

现场施工控制的难点：

1）ARU 单元中心线与船底纵骨中心线的对中调整，公差±2 mm 以内；

2）底板以及结构件对接缝的切割量的控制，特别是四角R300 的圆角，如装配间隙过大，母材需按长肉处理，既增加了工作量，也增加了焊缝的质量风险；

3）ARU 单元底板下平面与船底底板下平面的调整，错位公差±2 mm 以内；

4）焊接质量控制，特别要控制ARU 单元底板的变形；

5）ARU 单元底板与船底底板焊缝焊接完毕后，外侧需要修磨至与船底板平齐，防止影响气泡的滑移质量。

为此，需制定合理的施工流程，做好进坞前的准备工作，准备充足的工具设备及人力，现场的准确测量、放样、划线做到无余量切割，采用纵向及横向的长排加强板对称施焊方法，防止ARU 单元底板变形，制作专用的导流板安装工具等，这些措施对提高施工质量、提高效率、缩短坞期均至关重要。

3.2 新增设备的安装

3.2.1 空压机的吊运

该系统共有10 套空压机撬块，每台重约1.7 t，集中安装在船艏水手物料间里，左右各5 台；撬块顶部结构薄弱，不能配置吊运吊耳，这给撬块的吊运、进出物料间以及转运带来不便。为此，在水手物料间中部顶部开割工艺孔，同时制作专用的吊具，如图3 所示；进仓后，再用2 台液压小车配合转运、葫芦配合抬吊到位；工装主要由2 根L140x90x10 角钢以及无缝钢管吊杆等组成，角钢两端焊接好吊运及转运的吊耳，角钢需在底座和侧面与空压机底座配钻好螺纹孔，并用螺栓连接固定。吊运前，钢管吊杆的两侧下方吊耳分别挂接2 个2 t 的葫芦，葫芦钩头连接角钢底座的吊耳，起吊时通过手拉葫芦调节整个空压机的重心，待重心平衡后即可吊起空压机。

图3 空压机撬块吊运工装

3.2.2 ARU 单元导流板的安装

该轮船底新增20 套ARU 单元，每套ARU 单元均有1 个导流板，长3 000 mm、宽1 000 mm，重量约0.5 t；采用传统的方法制作支撑胎教、叉车转运，船底板现场焊接吊耳，葫芦提升、间隙调整、安装等受坞底高度以及坞墩的限制；20 个导流板安装结束后，需对船底新增的近百个吊耳进行割除、打磨、修补油漆，工作量大，安全性低，效率低下。

为此，特别制作了3 套导流板的现场安装工装，如图4 所示，其主要由底座、支撑架、调节丝杆、手动液压叉车、螺旋式千斤顶等组成：底座由槽钢和钢板焊接而成，下部槽钢构成的4 个插槽便于用手动液压叉车在坞墩间进行各个方向的转运，底部的两侧钢板起到平衡和支撑作用，防止导流板装置重心太高导致侧翻的风险；使用时，先将导流板吊至该安装装置的支撑架的调节丝杆上部，让导流板的定位孔全部镶入调节丝杆上部的定位销内进行定位固定，然后用手动液压叉车慢慢转运至导流板配对的ARU 单元位置船底下方；人工调整手动液压叉车的左右前后位置，使得导流板与ARU 单元的中心大体一致后，旋动两个螺旋式千斤顶，将导流板缓缓升起，并插入扳杆调节各丝杠的高度，使导流板上的螺栓孔对准空气释放单元上的螺栓，待导流板的前后左右全部螺栓孔对齐，继续顶推导流板到位，对称对角上紧导流板的固定螺母；检查、调整和测量导流板与ARU 单元底座间的四周装配间隙，直到满足厂家技术要求。该工装不但解决了导流板在坞内船底狭小空间的转运安装困难，而且提高了工作效率，缩短了坞期。

图4 ARU 单元导流板现场安装工装图

3.3 管系改造

管系改造，主要分为空气管、电缆管、阀控管三部分：空气管和电缆管均是碳钢管，根据设计放样的小票图纸，车间提前预制并镀锌处理；阀控管采用不锈钢盘管，现场铺设，卡套连接。

空气管设计温度为215 ℃，运行温度 0～215 ℃；二级管，系统设计压力为2.5 bar，试验压力3.8 bar；空气管10 路（左右舷各5 路，通径DN150，壁厚11 mm），分别从水手物料间的空压机撬块引出，穿过物料间后壁板，从1 号货舱前壁甲板穿仓一直到人字形下墩，在下墩里每路管子连接1 个成品Y 型三通，分成20 路（通径DN100，壁厚16 mm）分别穿入1 仓双层底和左右空仓后，再分别与20 套ARU 单元相连接；空气管中间设有热胀冷缩的膨胀节，除了穿仓件、与阀门及膨胀节等连接处焊接法兰外，其余管线焊缝均采用对接、全熔焊的型式，焊后进行100%UT 检查及拍片抽检，再进行水压试验；压缩空气从空压机出来后，不需经过冷却；除了压载水仓及空仓外，其余空气管路表面均包覆热绝缘层及不锈钢皮防护。

新电缆管布置在左甲板上，采用法兰连接，动力电缆与控制电缆分别设置在独立电缆管中，以免引起信号干扰；动力电缆管通径为DN300,控制电缆通径为DN150,电缆管中间均设置有伸缩节、电缆箱、避让结构及设备的弯管等附件。由于动力电缆多达11 根，直径约40 mm，每根长达约550 m，动力电缆管的弯管两端务必分别设置工艺孔及道门盖，目的是方便现场拉设及理顺电缆管内的动力电缆，从而提高效率。

新阀控管采用不锈钢管，系统工作压力为100 bar，从水手物料间内的阀控箱系统穿仓到右前甲板，从1 仓右甲板到1/2 仓之间过渡甲板穿入货舱下墩，连接到空气管上的液压阀头上；为提高安装后的质量，防止泄漏而返工，需用精密的不锈钢盘管和配套不锈钢卡套接头，裁管切割及铺管过程，阀控管的两侧端部务必做好防护。

3.4 电气改造

电气改造部分主要包括：集控室配电板改造；新增集控室及驾驶室的ALS 遥控操作台；新增首楼甲板轴流通风机、空压机撬块、液压泵站、遥控阀门、ALS等控制箱或控制柜，以及它们之间动力电缆和控制电缆的铺设等。

动力电缆主要是从机舱集控室配电板铺设至生活区前壁左侧，沿主甲板的动力电缆管直到船艏的水手物料间设备控制箱等。

控制电缆主要是从机舱集控室及驾驶室的ALS 操作台铺设至生活区前壁左侧，沿主甲板的控制电缆管直到船艏的水手物料间的ALS 控制柜等。

为了加强首楼储物间内的通风及降温，首楼甲板面新增了4 台进风机和4 台抽风机；船首位置常常受涌浪、风浪的影响，水汽、浪花特别大，为了减少水雾对舱室内设备的影响，进风机吸口均加装了除水雾的滤器，滤器顶部及甲板间四周安装了牵引绳索。

4 完工调试

改造完成后，按照厂家及试验大纲要求，先调试各设备、系统，然后进行联调联试并调整和固化各有关性能参数，再出海进行功能测试、工况测试、EEDI 效能测试。最终海试结果表明，EEDI 效能满足设计预期。

5 结语

我厂某VLOC船新增空气润滑系统的节能改造成功，船体摩擦力显著降低，极大地提升了船舶减阻节能效果，达到了绿色、节能和环保的要求，对新船设计建造及类似船舶改造项目有一定的借鉴意义。随着国际海事组织对船舶节能减排要求的不断提高，空气润滑系统作为一项新的技术将会越来越受到船东的关注，将在更多的船舶中新增这套系统，经过不断的实践和改进，此项技术将会更加灵活高效，引领船舶新技术的创新。