李 波

（舟山中遠海運重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

對載重為20 000 t及以上的載運閃點（閉杯試驗）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，均應設置惰性氣體系統(tǒng)[1]。用于降低貨油艙大氣含量，使其達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，補償油艙內壓力，防止空氣進入大艙，保護大艙由于真空大而被吸癟變形。油船惰氣風機是保證船舶安全儲油的重要設施，它確保產生的惰氣源源不斷地輸送到儲油艙室封艙確保油品的安全輸送。惰氣風機的正常運轉尤為重要。惰氣風機為電動離心風機。風機的風量應保證最大泄油量時油艙內能維持微小的正壓。風機的風量比貨油泵的排量大25%，主輔惰氣風機含有2臺離心式風機。

1 船舶惰氣風機常見問題

通過多年的船廠維修經驗發(fā)現離心式風機問題主要出現在以下幾點：

1）開始運行風機起動困難；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）整機振動。

2 惰氣風機修理相關要求

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

檢查風機軸是否磨損或腐蝕，鍵槽是否扭裂，進而影響軸的強度；軸承檔是否磨損，軸承是否走內圈；軸上車床或校中工裝，用百分表檢查其跳動量，不得超過0.05 mm。風機軸直線度公差在轉速＞3 000 r/min時要求其公差值0.05 mm。

風機軸應進行著色檢查，其表面光滑、無裂紋、銹蝕及麻點，其他處不應有機械損傷和缺陷。軸頸表面粗糙度為Ra0.8。軸段磨損修復時要記錄其各個部位的原始尺寸和公差值，尤其是原始軸承軸承檔的尺寸，并注意個軸肩處的過度圓角的應力槽等部位的存在。

軸承是否有軸向竄動，內外圈是否有發(fā)藍高溫燒傷痕跡，軸承座孔是否磨損，軸承是否走外圓。軸承換新時要求對其軸承室進行清潔和測量工作，對嚴重銹蝕、磨損、超差和走外圓的端蓋軸承室進行電鍍、金屬噴涂或鑲套等處理方法來恢復其原始尺寸。

檢查氣封狀況。

葉輪動平衡校正允許的質心偏移量按表2規(guī)定[3]。

表2 葉輪動平衡允許質心偏移量

3 葉輪裂縫修理

分析出現連續(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)的修理項目也較多，而比較特別的事就是惰氣風機風葉軸套位置出現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

惰氣風葉在出廠前都是經過嚴格檢驗以及效能試驗，因此新的風葉不存在缺陷。但是不排除有亞健康型的焊接質量，例如：

1）焊縫的高度剛好滿足風葉使用要求，待風機運行使用一段時間后，風機的性能以及材料性質發(fā)生改變，致使出現裂紋。

2）焊接材料沒有進行保溫，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）腐蝕余量計算未能滿足要求

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

3）材料沒有達到腐蝕要求的性能。

3.1.3 操作不當

1）風葉的動平衡發(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 本身設計問題

按照圖1所示，在風葉軸轂的兩道焊縫之間是整個風葉的最薄弱區(qū)域，風葉外環(huán)為風葉兩側板以及導流葉組成的結構，風葉內側為軸轂實體，中間區(qū)域為兩道焊縫連接的薄弱區(qū)域，近期船舶的惰氣風機的裂紋發(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機為例，惰氣風機馬達參數為99 kw、440 V、60 Hz、195 A、3 600 r/min。按照此參數，馬達輸出端即風葉的輸出扭矩啟動時的瞬間扭矩：

T=9550P/N＝787.875（N·m）

式中：T為扭矩，N·m；P為功率，kW；N為轉速，r/min。其中3倍為啟動時的瞬間功率。

而按照近期修理船舶主要出現的裂紋位置也在直徑D=120 mm、內孔尺寸直徑d=105 mm的這道焊縫線位置，而此處所受的在馬達啟動時瞬間慣性矩為[4]

Ip1=π(D4－d4)/64=421（cm4）

在焊縫裂紋處的應力為

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

惰氣風葉的主要材料為 TA2（鈦合金），sus316L（耐酸腐不銹鋼），這2種材料的抗拉強度都差不多，TA2的抗拉強度為520 N/mm2，抗扭強度τb為173 N/mm2；sus316L的抗拉強度δb為480 N/mm2，抗扭強度 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，才能滿足惰氣風機的力學性能。而要達到其使用要求，必須考慮腐蝕余量，即焊縫表面產生化學反應腐蝕掉的余量。焊縫本體產生化學反應造成材料變性、強度減低需要考慮的余量。因此每個因素＋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，應對風葉加強以下幾方面的跟蹤與落實。

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

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

3）操作不當的控制：（1）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機修理為例（見圖2）。

1）按船上圖紙檢查其材料性質，確認為316L，準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）校調并車圓風葉焊縫位尺寸并留臺階（用做軸向與徑向相對位置的固定）；

5）初加工風葉軸套，并對幾個尺寸留好余量，軸套內徑為5 mm，長度尺寸+2 mm，氣封檔尺寸+5 mm，鍵槽尺寸按照計算可以現行加工。

注意軸套外徑尺寸加大40 mm左右，有可能導致風機馬達電流增大，所以盡可能以最小尺寸加工。

強度校核：惰氣風機馬達參數為99 kW、440 V、60 Hz、195 A、3 600 r/min。按照此參數，馬達輸出端即風葉的輸出扭矩啟動時的瞬間扭矩為

T=9 550 P/N＝787.875（N·m）

其中3倍為啟動時的瞬間功率。

而按照近期修理船舶主要出現的裂紋位置也在直徑D=140 mm、內孔尺寸直徑d=105 mm的這道焊縫線位置，而此處所受到的在馬達啟動時瞬間慣性矩為

Ip1=π(D4－d4)/64=1 288.4（cm4）

在焊縫裂紋處的應力：

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

該值≦sus316L的抗扭強度160 N/mm2，符合抗扭強度要求。

3.4 焊接

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

焊完后冷卻以及放置2天左右做相應的時效處理，然后割除相應的胎架固定件，注意如果胎架割除時，風葉位置變動很大，說明應力還很大，需要重新調位做時效處理。

3.5 重新上床機加工

重點是校調風葉外緣與軸套內孔的同軸度，然后按照此基準精加工軸套內徑尺寸、長度尺寸以及氣封處尺寸。經加工后的幾項公差確認（參照GB11865-89）：

1）輪蓋與輪盤端面的徑向跳動量≦2 mm，實際車床測得0.56 mm，符合要求；

2）輪蓋與輪盤端面的徑向跳動量≦3 mm，實際車床測得0.47 mm，符合要求；

3）輪盤平面度≦4/1 000，實際車床測得2.5 mm，符合要求。

3.6 進行動平衡試驗

動平衡精度不低于G6.3級，進行修復工作。按照出廠要求修正后的葉輪輪心偏移值為25 μm，低于標準值71 μm。

3.7 上船組裝后的調試效用

檢查與原風葉的數據是否相符（油倉通風量以及時間以及振動、噪聲、跳動量），以30萬噸油輪上的惰氣風機修理為例：

1）初試驗

先檢查電流、振動和噪聲。風機的啟動電流和2＃原風機一致。

對風機機殼所測的振動值5.1 mm/s，聯軸器3個方向測量值為：5.6 mm/s、5.4 mm/s、5.5 mm/s，符合4.2 mm/s～6.0 mm/s的標準。

風機的噪聲在規(guī)定值（GB2888）范圍內，比聲壓級≦27 DB(A)。

2）效用試驗

風機的8小時油倉通風封倉試驗符合要求；風機的24小時油倉排風試驗符合要求；通風機在此工作期間出口風壓為 2.16 kPa，符合標準值 2 kPa×(-5%～10%)的變化要求。檢查軸承溫度正常。

3）在船舶的一個小修理期（2年）內，此風機運行正常。

4 結論

通過對惰氣風機的修理，運用工程力學中慣性矩及應力狀態(tài)及強度理論對惰氣風機風葉的裂紋產生進行了分析，提出了合理的修理方案，規(guī)避了風葉發(fā)生裂紋的風險，為油輪惰氣系統(tǒng)平穩(wěn)安全運行保駕護航，值得同行借鑒。