許瓊俊，馬培良，李曉燕
（中交廣州航道局有限公司）
導讀
世界貿(mào)易離不開數(shù)以萬計的大中型船舶為主的航運，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)滑油會泄漏入船艙，容易發(fā)現(xiàn)和維護，因此其結(jié)構(gòu)相對簡單。
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自舷外海水、泥漿（航行于淺水區(qū)域時）、漁網(wǎng)、艉軸及螺旋槳的振動等的破壞，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)代大中型船舶推進系統(tǒng)設計和使用管理的關(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，下面就對后艉軸密封裝置的發(fā)展情況做一簡單介紹。
一、船舶電力推進系統(tǒng)的技術(shù)特點
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單的軸封保護外罩。
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緊力、密封膠圈本身預緊力、高置重力油柜的油壓力而緊緊抱住后艉軸白鋼套；水封亦因彈簧預緊力、膠圈預緊力和舷外水壓力的綜合作用而緊緊抱住后艉軸白鋼套，因為船舶吃水或者波浪的影響，舷外水壓力會不斷變化，所以白鋼套和水封唇口相互磨損嚴重，一旦密封失效，則舷外水就會進入艉軸管，造成滑油乳化變質(zhì)，嚴重時甚至滑油外泄污染水域，傳統(tǒng)型后艉軸密封裝置通常設計壽命只有1～2年，如果要更換艉軸密封和白鋼套，則船舶必須進塢修理，拆卸螺旋槳或抽出整條艉軸，維修耗時長，成本高。
針對更換后艉軸密封和白缸套不方便的缺點，在上世紀90年代中，荷蘭Lagersmit公司發(fā)明了艉軸密封膠圈現(xiàn)場粘接技術(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），軸封套設計成對開式，可以用螺栓連接成一個完整的整體，因此需要更換密封膠圈或軸封套時可以在不抽出艉軸或拆卸螺旋槳的情況下實現(xiàn)現(xiàn)場更換，可以節(jié)省大量的船舶進塢時間和修理費用。
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處理，通過增/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、腐蝕嚴重時，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，延長使用壽命，一般整體式白鋼套采用表面鍍層處理。
對開兩半式艉軸白鋼套則可在船舶進塢時直接拆開兩半，現(xiàn)場更換，但對開兩半式白鋼套要求安裝好后兩半結(jié)合處無縫隙，整體表面光潔度、尺寸和形狀誤差與整體式無異，所以對開兩半式白鋼套制造加工精度要求高，目前國內(nèi)較少使用。
2.艉軸密封膠圈的現(xiàn)場粘接
艉軸密封膠圈的現(xiàn)場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接后的良好對位，同時其具有的加熱和恒溫及定時功能可保證膠圈接口在設定的溫度和時間條件下在粘接劑作用下實現(xiàn)良好的粘接，一般粘接好一道膠圈的時間周期約需半小時甚至更短（加熱溫度和恒溫時間主要依據(jù)膠水特性而定）。
由于新型膠水只有在達到一定溫度和保溫時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，性能與原裝無異。
艉軸密封膠圈的現(xiàn)場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)省了大量的進塢時間和拆裝費用，但后密封膠圈油封、水封唇口和軸封套相互磨損嚴重，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計成空氣平衡式，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，故軸封套設計壽命一般超過5年，當密封膠圈遇意外情況提早失效時，只需要進塢采用現(xiàn)場膠圈粘接技術(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有報警監(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診斷。
(1)結(jié)構(gòu)特點與工作原理
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（初始設定壓力依船舶Z大吃水而定）同時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通路連通至低于艉軸管布置的泄放單元，再經(jīng)過節(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，防止艉軸油封、水封空間及泄放管路的堵塞。
空氣釋放閥相當于一個自動放氣的單向閥，正常工作時，控制空氣的壓力由空氣釋放閥外的水壓實現(xiàn)自動控制，當船舶吃水增加，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，壓力相應增加，當船舶吃水減少，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緊力、彈簧預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緊力、膠圈本身預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。
(2)應急措施與結(jié)構(gòu)改進
空氣平衡式艉軸密封裝置雖然理論上使用壽命可以超過5年，但水下情況復雜多變，意外性的軸封損壞、失效故障時有發(fā)生，為了保證在特殊情況下的應急使用，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，則可以常開放殘單元收集柜泄放閥，讓泄漏水直接流入機艙內(nèi)堅持使用，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，堅持使用，等待進塢時機。
在使用過程中還經(jīng)常發(fā)生如下現(xiàn)象：
泄放柜經(jīng)常有水流出，進塢檢查油/水封狀態(tài)卻完好無損，原來是空氣平衡閥臟污、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)另設一個通海舷外閥，利用管路連接并使空氣平衡閥達到與舷外水直接接觸的效果，這樣就可以隨時現(xiàn)場拆洗、保養(yǎng)此空氣平衡閥了。
四、迷宮式艉軸密封保護罩
圖4 漁網(wǎng)纏繞螺旋槳和進入艉軸密封空間
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)設計精巧，理論使用壽命長，但在實際使用中卻經(jīng)常會被水下漁網(wǎng)纏繞車葉（圖4），過多的漁線或繩索進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，有時同一條船舶一次塢修間隔期螺旋槳會多次被漁網(wǎng)纏繞而出現(xiàn)艉軸漏油的情況，從而船舶被迫多次進塢修理，造成直接或間接的經(jīng)濟損失，迷宮式艉軸密封保護罩能有效阻止?jié)O網(wǎng)、繩索等進入艉軸密封空間，延長唇式密封的使用壽命。
圖5 迷宮式艉軸密封保護罩結(jié)構(gòu)圖
迷宮式艉軸密封罩的結(jié)構(gòu)特點主要是在常規(guī)的艉軸密封保護罩的內(nèi)部空間設計安裝有迷宮結(jié)構(gòu)（圖5），在原艉軸密封保護罩內(nèi)部空間設計安裝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圓環(huán)支架，支架上焊接兩道圓環(huán)作為動環(huán)，這樣定環(huán)和動環(huán)相間布置就形成一個迷宮結(jié)構(gòu)，定環(huán)和動環(huán)的頂部均車削成鋒利的刀鋒結(jié)構(gòu)。
同時保護罩外邊緣上還焊接有多個漁網(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，保護罩、迷宮支架、定環(huán)、動環(huán)均做成對稱的兩半結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝到位后焊接即形成一個完整的保護罩整體。
當船舶螺旋槳被漁網(wǎng)或其他繩索垃圾等纏繞時，首先會被保護罩外邊緣的割刀切除，沒有被切斷的漁網(wǎng)、繩索就會被纏繞在漁網(wǎng)支架上，由于有內(nèi)部迷宮結(jié)構(gòu)的阻擋和動環(huán)、定環(huán)頂部刀鋒的切割，多余的漁網(wǎng)、繩索等無法進入到艉軸密封空間從而可有效保護艉軸唇式密封，延長艉軸密封的使用壽命。
經(jīng)過近5年時間的使用觀察，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)卻無任何漁網(wǎng)、繩索等異物，說明迷宮式艉軸密封保護罩的防護效果良好。
五、結(jié)論
艉軸密封裝置是大中型船舶的關(guān)鍵部件之一，先進的材料和結(jié)構(gòu)設計是保證其正常和長周期壽命的關(guān)鍵，使用中的精心維護和正確管理與操作也是保證其正常和延長其使用壽命的有效措施，針對使用中可能出現(xiàn)的新問題和新要求，不斷地進行改良和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，必將為用戶帶來新的體驗。
來源：《船舶工程》2019年第S2期
