大中型船舶艉軸密封裝置結(jié)構(gòu)及維修

許瓊俊，馬培良，李曉燕

（中交廣州航道局有限公司）

導(dǎo)讀

世界貿(mào)易離不開(kāi)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的大中型船舶為主的航運(yùn)，船舶艉軸及螺旋槳系統(tǒng)是大中型船舶能夠正常航行的關(guān)鍵部件，艉軸密封裝置具有隔絕船體內(nèi)外、保證艉軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵作用，艉軸密封由前艉軸密封和后艉軸密封兩部分組成。

前艉軸密封主要用于隔絕艉軸管與船艙，由于其位于船艙內(nèi)，一旦損壞，艉軸管內(nèi)滑油會(huì)泄漏入船艙，容易發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，因此其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

后艉軸密封主要在于保證艉軸管和舷外海水的隔絕，以阻止舷外海水的內(nèi)漏和艉軸管內(nèi)滑油的外漏，因后艉軸密封承受可能來(lái)自舷外海水、泥漿（航行于淺水區(qū)域時(shí)）、漁網(wǎng)、艉軸及螺旋槳的振動(dòng)等的破壞，工作環(huán)境惡劣，較為容易損壞，后艉軸密封裝置一旦發(fā)生故障，輕則海水內(nèi)漏，艉軸和艉軸承磨損加劇，重則滑油外漏，污染水域，所以后艉軸密封裝置是現(xiàn)代大中型船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用管理的關(guān)鍵部件之一，隨著造船、材料、工藝等技術(shù)的發(fā)展和環(huán)保要求的提高，后艉軸密封裝置也在不斷發(fā)展更新中，下面就對(duì)后艉軸密封裝置的發(fā)展情況做一簡(jiǎn)單介紹。

一、船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

傳統(tǒng)艉軸后密封裝置基本組成包括艉軸密封軸封套（艉軸白鋼套）、L型唇式油封和水封、高置重力油柜以及簡(jiǎn)單的軸封保護(hù)外罩。

圖1　傳統(tǒng)型后艉軸密封結(jié)構(gòu)圖

唇式密封膠圈一般有3道（圖1），第二、第三道方向向后布置作為水封，道方向向前布置作為油封，油封腔連接高置重力油柜；密封膠圈油封受彈簧預(yù)緊力、密封膠圈本身預(yù)緊力、高置重力油柜的油壓力而緊緊抱住后艉軸白鋼套；水封亦因彈簧預(yù)緊力、膠圈預(yù)緊力和舷外水壓力的綜合作用而緊緊抱住后艉軸白鋼套，因?yàn)榇俺运蛘卟ɡ说挠绊?，舷外水壓力?huì)不斷變化，所以白鋼套和水封唇口相互磨損嚴(yán)重，一旦密封失效，則舷外水就會(huì)進(jìn)入艉軸管，造成滑油乳化變質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)甚至滑油外泄污染水域，傳統(tǒng)型后艉軸密封裝置通常設(shè)計(jì)壽命只有1～2年，如果要更換艉軸密封和白鋼套，則船舶必須進(jìn)塢修理，拆卸螺旋槳或抽出整條艉軸，維修耗時(shí)長(zhǎng)，成本高。

針對(duì)更換后艉軸密封和白缸套不方便的缺點(diǎn)，在上世紀(jì)90年代中，荷蘭Lagersmit公司發(fā)明了艉軸密封膠圈現(xiàn)場(chǎng)粘接技術(shù)。

二、粘接型艉軸密封裝置

圖2　膠圈粘接專用工具與現(xiàn)場(chǎng)粘接

粘接型艉軸密封裝置主要具有一套專用粘接工具和膠水（圖2），軸封套設(shè)計(jì)成對(duì)開(kāi)式，可以用螺栓連接成一個(gè)完整的整體，因此需要更換密封膠圈或軸封套時(shí)可以在不抽出艉軸或拆卸螺旋槳的情況下實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)更換，可以節(jié)省大量的船舶進(jìn)塢時(shí)間和修理費(fèi)用。

1.艉軸白鋼套的修理、更換

整體式艉軸白缸套磨損后一般可采取調(diào)整墊片厚度的方法臨時(shí)處理，通過(guò)增/減艉軸管與軸封盒間的墊片數(shù)量或厚度，或者調(diào)整白鋼套的安裝墊片厚度，使密封圈唇口與白鋼套接觸位置位移到一個(gè)新的未磨損位，等待多次調(diào)整位移或者白鋼套磨損、腐蝕嚴(yán)重時(shí)，才拆卸螺旋槳或者整體抽出艉軸后換新白鋼套，為減少腐蝕和磨損，延長(zhǎng)使用壽命，一般整體式白鋼套采用表面鍍層處理。

對(duì)開(kāi)兩半式艉軸白鋼套則可在船舶進(jìn)塢時(shí)直接拆開(kāi)兩半，現(xiàn)場(chǎng)更換，但對(duì)開(kāi)兩半式白鋼套要求安裝好后兩半結(jié)合處無(wú)縫隙，整體表面光潔度、尺寸和形狀誤差與整體式無(wú)異，所以對(duì)開(kāi)兩半式白鋼套制造加工精度要求高，目前國(guó)內(nèi)較少使用。

2.艉軸密封膠圈的現(xiàn)場(chǎng)粘接

艉軸密封膠圈的現(xiàn)場(chǎng)更換主要利用專門的膠圈粘接劑和膠圈粘接工具，該專用工具可在艉軸密封狹窄空間處操作，可保證切割后的新密封膠圈兩端切口對(duì)接后的良好對(duì)位，同時(shí)其具有的加熱和恒溫及定時(shí)功能可保證膠圈接口在設(shè)定的溫度和時(shí)間條件下在粘接劑作用下實(shí)現(xiàn)良好的粘接，一般粘接好一道膠圈的時(shí)間周期約需半小時(shí)甚至更短（加熱溫度和恒溫時(shí)間主要依據(jù)膠水特性而定）。

由于新型膠水只有在達(dá)到一定溫度和保溫時(shí)間才能讓膠圈接口有效粘合，常溫下不起作用，所以操作者可以慢慢放心操作，一般換新整套艉軸油/水封膠圈只需要2h～3h即可完成，粘接好的膠圈接口平滑，性能與原裝無(wú)異。

艉軸密封膠圈的現(xiàn)場(chǎng)粘接更換工藝雖然解決了不需要拆卸螺旋槳或抽出艉軸的情況下即可換新密封膠圈的難題，節(jié)省了大量的進(jìn)塢時(shí)間和拆裝費(fèi)用，但后密封膠圈油封、水封唇口和軸封套相互磨損嚴(yán)重，使用壽命短的缺陷依然未能解決，所以約在10年前，由荷蘭Lagersmit公司發(fā)明了supperme SGV型空氣平衡式艉軸密封裝置。

三、空氣平衡式艉軸密封裝置

針對(duì)傳統(tǒng)型艉軸密封膠圈和軸封套磨損快、壽命短以及密封失效后判斷困難以及滑油外泄污染水域環(huán)境等的缺陷，新型艉軸密封裝置設(shè)計(jì)成空氣平衡式，大大延緩了艉軸密封膠圈的磨損，軸封套表面也采用硬質(zhì)合金或陶瓷鍍層工藝處理，大大減少了磨損和腐蝕，故軸封套設(shè)計(jì)壽命一般超過(guò)5年，當(dāng)密封膠圈遇意外情況提早失效時(shí)，只需要進(jìn)塢采用現(xiàn)場(chǎng)膠圈粘接技術(shù)換新艉軸密封膠圈即可。

新型空氣平衡式艉軸密封裝置還設(shè)有報(bào)警監(jiān)控和泄放單元，根據(jù)控制空氣的流量和泄放單元收集柜內(nèi)的介質(zhì)，即可判斷艉軸密封的狀態(tài)。

水封失效或油封失效，或油、水封均失效，或空氣釋放閥失效等故障均可及時(shí)診斷。

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

圖3　空氣平衡式艉軸密封結(jié)構(gòu)原理圖

空氣平衡式后艉軸密封裝置（圖3）主要由傳統(tǒng)艉軸密封組件、低置重力油柜、控制空氣單元、泄放監(jiān)控單元、報(bào)警監(jiān)控單元組成。

低置重力油柜布置于船艙內(nèi)，一般只高于艉軸2m～3m，經(jīng)減壓后的控制空氣（初始設(shè)定壓力依船舶Z大吃水而定）同時(shí)通至低置重力油柜與艉軸油封、水封之間的空間，艉軸油封、水封間的安裝殼體上安裝有空氣釋放閥，艉軸油封、水封間的控制空氣還從空間底部的專設(shè)通路連通至低于艉軸管布置的泄放單元，再經(jīng)過(guò)節(jié)流閥泄放至大氣，這樣就可以保證始終有一部分控制空氣的流動(dòng)，防止艉軸油封、水封空間及泄放管路的堵塞。

空氣釋放閥相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)放氣的單向閥，正常工作時(shí)，控制空氣的壓力由空氣釋放閥外的水壓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，當(dāng)船舶吃水增加，空氣釋放閥外的水壓增加，控制空氣釋放至舷外水里的空氣量減少，壓力相應(yīng)增加，當(dāng)船舶吃水減少，空氣釋放閥外的水壓下降，控制空氣釋放至舷外水里的控制空氣量增加，壓力相應(yīng)下降。

由于控制空氣壓力能跟隨舷外水壓的變化而變化，所以艉軸水封膠圈兩側(cè)的壓力基本恒定，則密封膠圈水封唇口與艉軸后軸封套的接觸只受膠圈本身預(yù)緊力、彈簧預(yù)緊力而有恒定而輕微的壓力接觸；密封膠圈油封唇口與艉軸后軸封套的接觸亦只受彈簧預(yù)緊力、膠圈本身預(yù)緊力和低置重力油柜的油壓力而有恒定而輕微的壓力接觸，所以油封、水封唇口和艉軸軸封套磨損較小，使用壽命長(zhǎng)。

(2)應(yīng)急措施與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

空氣平衡式艉軸密封裝置雖然理論上使用壽命可以超過(guò)5年，但水下情況復(fù)雜多變，意外性的軸封損壞、失效故障時(shí)有發(fā)生，為了保證在特殊情況下的應(yīng)急使用，空氣平衡式艉軸密封裝置在空氣管路和滑油管路上均裝設(shè)有截止閥，依據(jù)從泄放柜的放殘可以判斷是否油封或水封失效，如果僅是水封輕微失效，則可以常開(kāi)放殘單元收集柜泄放閥，讓泄漏水直接流入機(jī)艙內(nèi)堅(jiān)持使用，如果泄放單元收集柜有滑油放出，則證明油封失效，如果伴隨低置重力油柜液位下降過(guò)快，則可以關(guān)閉兩道油封之間的油路閥，只讓道油封起密封作用，堅(jiān)持使用，等待進(jìn)塢時(shí)機(jī)。

在使用過(guò)程中還經(jīng)常發(fā)生如下現(xiàn)象：

泄放柜經(jīng)常有水流出，進(jìn)塢檢查油/水封狀態(tài)卻完好無(wú)損，原來(lái)是空氣平衡閥臟污、異物阻塞閥芯不靈活而漏水，為了能夠不進(jìn)塢而能檢查清洗空氣平衡閥，可以考慮將此閥安裝于船艙內(nèi)同等水平高度的位置，在艙內(nèi)另設(shè)一個(gè)通海舷外閥，利用管路連接并使空氣平衡閥達(dá)到與舷外水直接接觸的效果，這樣就可以隨時(shí)現(xiàn)場(chǎng)拆洗、保養(yǎng)此空氣平衡閥了。

四、迷宮式艉軸密封保護(hù)罩

圖4　漁網(wǎng)纏繞螺旋槳和進(jìn)入艉軸密封空間

前述空氣平衡式艉軸密封裝置匹配耐磨陶瓷鍍層的軸封套雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧，理論使用壽命長(zhǎng)，但在實(shí)際使用中卻經(jīng)常會(huì)被水下漁網(wǎng)纏繞車葉（圖4），過(guò)多的漁線或繩索進(jìn)入艉軸密封空間造成唇式密封損壞而漏油或漏水，尤其是近岸航行船舶，由于近海養(yǎng)殖、捕撈的增加，漁網(wǎng)垃圾隨處可見(jiàn)，有時(shí)同一條船舶一次塢修間隔期螺旋槳會(huì)多次被漁網(wǎng)纏繞而出現(xiàn)艉軸漏油的情況，從而船舶被迫多次進(jìn)塢修理，造成直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失，迷宮式艉軸密封保護(hù)罩能有效阻止?jié)O網(wǎng)、繩索等進(jìn)入艉軸密封空間，延長(zhǎng)唇式密封的使用壽命。

圖5　迷宮式艉軸密封保護(hù)罩結(jié)構(gòu)圖

迷宮式艉軸密封罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要是在常規(guī)的艉軸密封保護(hù)罩的內(nèi)部空間設(shè)計(jì)安裝有迷宮結(jié)構(gòu)（圖5），在原艉軸密封保護(hù)罩內(nèi)部空間設(shè)計(jì)安裝2道圓環(huán)作為定環(huán)，再在螺旋槳轂安裝螺栓頭上鉆孔攻牙安裝一個(gè)圓環(huán)支架，支架上焊接兩道圓環(huán)作為動(dòng)環(huán)，這樣定環(huán)和動(dòng)環(huán)相間布置就形成一個(gè)迷宮結(jié)構(gòu)，定環(huán)和動(dòng)環(huán)的頂部均車削成鋒利的刀鋒結(jié)構(gòu)。

同時(shí)保護(hù)罩外邊緣上還焊接有多個(gè)漁網(wǎng)割刀，刀鋒順著螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向傾斜一定角度形成鋸齒結(jié)構(gòu)利于割斷漁網(wǎng)。

為便于拆卸/安裝，保護(hù)罩、迷宮支架、定環(huán)、動(dòng)環(huán)均做成對(duì)稱的兩半結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝到位后焊接即形成一個(gè)完整的保護(hù)罩整體。

當(dāng)船舶螺旋槳被漁網(wǎng)或其他繩索垃圾等纏繞時(shí)，首先會(huì)被保護(hù)罩外邊緣的割刀切除，沒(méi)有被切斷的漁網(wǎng)、繩索就會(huì)被纏繞在漁網(wǎng)支架上，由于有內(nèi)部迷宮結(jié)構(gòu)的阻擋和動(dòng)環(huán)、定環(huán)頂部刀鋒的切割，多余的漁網(wǎng)、繩索等無(wú)法進(jìn)入到艉軸密封空間從而可有效保護(hù)艉軸唇式密封，延長(zhǎng)艉軸密封的使用壽命。

經(jīng)過(guò)近5年時(shí)間的使用觀察，多次發(fā)現(xiàn)螺旋槳軸雖然被大量的漁網(wǎng)纏繞，但艉軸密封空間內(nèi)卻無(wú)任何漁網(wǎng)、繩索等異物，說(shuō)明迷宮式艉軸密封保護(hù)罩的防護(hù)效果良好。

五、結(jié)論

艉軸密封裝置是大中型船舶的關(guān)鍵部件之一，先進(jìn)的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證其正常和長(zhǎng)周期壽命的關(guān)鍵，使用中的精心維護(hù)和正確管理與操作也是保證其正常和延長(zhǎng)其使用壽命的有效措施，針對(duì)使用中可能出現(xiàn)的新問(wèn)題和新要求，不斷地進(jìn)行改良和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，必將為用戶帶來(lái)新的體驗(yàn)。

來(lái)源：《船舶工程》2019年第S2期