某型主机轴封泄漏故障实例

0　引言

船用大型低速主机主轴承大多采用液体动压润滑。主滑油泵提供3.5～4.0 bar的滑油, 经由主轴承上盖管道注入轴承与曲轴间隙, 在二者的相对运动面之间形成动压油膜, 在保证主机设计转速和滑油油压正常的状况下, 曲轴和轴承被动压油膜完全抬起、脱离接触, 极大地减缓磨损, 有效提高主机运转的可靠性和稳定性。

Journal Bearing是大型主机靠近飞轮端的末位主轴承, 被业内称为期刊轴承。该轴承紧邻倒车推力轴承组, 其注入的压力滑油由轴体与轴承间隙向前后2个方向喷溅流出, 后部油流直接冲刷机体端盖, 因此在端盖与转轴间设置轴封。

该处端盖轴封大多采用迷宫式密封方式, 是大型低速柴油机Z常用也是Z简单有效的一种密封方式。各厂家依据主机的额定转速和输出轴轴径大小, 选择设计1～3道刮油环, 较高转速的主机除选择多道刮油环外, 还会在末端密封迷宫油槽内增加羊毛毡, 进一步增强密封效果。

尽管这种迷宫式密封的设计理念值得肯定, 但由于设计和制造安装方面的瑕疵, 以及设备部件的磨损等原因, 绝大多数船舶的主机飞轮端轴封都存在不同程度的滑油渗漏现象。笔者接管某新船出厂时该处轴封就存在严重的泄漏状况, 厂家工程师到船修理未果, 后经船员自行修理得以成功解决泄漏故障。

1　轴封结构和泄漏故障原因及检修

1.1 故障概况

某62 487总吨的巴拿马极限型散货船的主机为MITSUI-MAN B&W 6S50 ME-B9.5型电喷主机, Z大持续功率7 220 k W, 额定转速94.0 r/min, 持续服务功率5 980 kW, 经济转速88.3 r/min。应租约要求, 航行期间主机转速保持在75～81 r/min。

某航次离开日本富山港后, 主机轴封开始出现轻微的滴漏现象, 随着大风浪加剧和环境温度的降低, 泄漏现象逐渐增加。在到达俄罗斯东方港加油驶出后, 航经高纬度水域, 泄漏量进一步增加 (2.5～3.0 L/d) 。主机轴封泄漏故障报请公司转呈厂家分析, 厂家工程师表示某艘姊妹船也出现过相同故障, 系主机曲轴箱透气管在某平铺安装处有下倾斜角度, 该处管路聚集较多的油雾冷凝滑油, 堵塞透气通道, 造成曲轴箱内压力过高, 油气从轴封处窜出, 带出滑油造成泄漏。

船方根据厂家要求, 在航行中拆卸主机链轮箱首段透气管, 持续观察1 d, 轴封泄漏现象未有任何改变。3 d后装复透气管, 并尝试将主机逐步加车至93 r/min, 发现转速超过87 r/min时泄漏量减少, 当转速超过92 r/min时泄漏现象消失。

当船舶靠泊日本横滨港卸货时, 主机厂家工程师到船检修。拆卸主机轴封端盖后检查, 研判为某部位缺少液态密封胶, 清洁后重新涂抹密封胶并装复。猜测可能是技术保密原因, 厂家工程师未与船员认真沟通讨论, 且不允许留下任何技术图纸的复印件 (船方的主机说明书也缺少该部件的详细图纸) , 其检修报告未能详细说明故障原因。

船舶驶离横滨港后, 轴封泄漏现象再次出现, 持续观察泄漏量未有任何改善, 笔者将泄漏状况报请主机厂家后一直未收到进一步的检修建议。

1.2 轴封结构及工作原理

该型主机迷宫式轴封由甩油环、密封环和端盖等3部分组成。刮油环固定在轴体上, 随曲轴一起转动, 该主机只设置1道密封环, 镶嵌在端盖环槽内保持静止不动。环槽宽18 mm, 密封环厚17 mm, 仅留有1 mm的装配间隙;环槽深30 mm, 密封环高30mm, 嵌入环槽的深度为20 mm, 留有5 mm高度的油流腔道。密封环和甩油盘都为两半等分圆面式结构, 也即由2个半圆环结合成1个圆盘, 由紧固螺栓锁紧。密封环与输出轴间周向间隙为5 mm, 与轴体间保持相对运动, 环带上部嵌入上端盖, 借由1个M16细牙螺栓与上端盖固定, 与下端盖间没有固定螺栓方便拆卸。密封环在2个半圆的结合面各自设计有1个中断的环周向端面, 以便装配锁紧螺栓, 见图1。这个断面的垂直高度大于密封环嵌入环槽的深度, 即该断面有一部分没有被端盖环槽遮盖, 而是形成1个开放式的契形空间, 主机运转时甩油环甩出的部分滑油进入该空间, 沿密封环外圆流入环槽间隙通道, 经由环槽底部的3个泄油孔流回曲轴箱。

图1 主机飞轮端轴封

甩油环固定在曲轴上, 二者接触面由圆度面紧密密封, 环厚24 mm;一侧与密封环导流槽间距5mm, 另一侧紧邻期刊轴承, 与机体间距10 mm。在其左右2个盘面均沿周向以45°倾斜角形成2个不同斜线长度的圆锥形轮廓外形 (见图2) , 使受离心力到达盘面边缘时的油液突然改变方向进入锥形斜面, 加速脱离甩油环盘面, 不至于因液流惯性而溅落甩油环后部的轴体上造成泄漏。

图2 主机轴封结构 (下半部分) 示意

1—曲轴;2—飞轮;3—密封环;4—端盖;5—端盖固定螺栓;6—泄放孔;7—甩油环;8—机体;9—期刊轴承

考虑到甩油环的圆面周向不宜中断, 故在半圆结合处设计成不同于密封环的断面装配紧固螺栓, 而是采用圆周切?钻孔, 两侧各使用1只内六角螺栓进行紧配固定。

1.3 故障检修

主机轴封滑油泄漏, 不但造成滑油的浪费以及地板和管路的油污染, 而且需要定时更换接油盘收集泄漏的滑油, 同时作业现场有正在运转的飞轮和艉轴, 对操作人员造成较大的安全隐患。

考虑到船舶仍处于保修期内, 未接到公司指示不敢贸然拆检。在等待无果的情况下, 笔者决定按自己的思路择机进行检修。利用锚泊机会, 拆卸轴封端盖进行检查:甩油盘与密封盘的对接紧固螺栓正常, 无移位可能, 测量各盘面间距也未见异常;吊出端盖运至工作间, 检查端盖油槽底部的3个泄油孔, 测量其孔径均为7 mm, 油槽墙壁厚度为16 mm, 即泄放孔的流通长度为16 mm。

为检验泄放孔的流通能力, 将主机用滑油分别以不同的流量从油槽圆面两端2个方向注入。在注入量稍大于200 m L/min时, 均会出现油槽溢流现象, 即泄放孔流通能力太小, 泄放流量受限。假设工作间的温度为30℃, 初步判定故障原因为泄放孔孔径太小 (见图3) , 导致轴封滑油泄漏。

图3 改造前的端盖油槽泄放孔

将轴封端盖抬至车床钻台, 先后用8、10、12 mm的钻头将泄放孔孔径扩大至12 mm (见图4) , 并在3个泄放孔排列的圆周方向等间距各增加1个孔径为10 mm的泄放孔 (见图5) 。为防止加工面出现裂纹, 在各个新孔两端均打磨倒角, 油槽墙壁平面修配光滑, 端盖清洁后装复。

图4 端盖油槽泄放孔钻孔加大孔径

图5 改造后的端盖油槽泄放孔

开航后, 主机在各种转速下运转、航经上述相同航区时, 都未出现轴封滑油泄漏现象, 主机运转4个多月后轴封密封工况一直保持正常。

1.4 故障机理分析

进入端盖油槽的滑油主要是密封环 (见图6) 半圆结合处紧固螺栓安装断面与端盖环槽形成的契形空间所接纳的滑油, 这部分滑油基本来自甩油环 (见图7) 半圆结合处安装紧固螺栓的切向钻孔。即甩油环盘面上的切向钻孔和密封环与端盖间的契形空间的设计理念, 使得滑油泄漏故障成为必然。

图6 密封环结构

1—内六角螺栓;2—密封环下半部分;3—紧固螺栓;4—螺母;5—密封环下半部分;6—密封环总成

图7 甩油环结构

1—紧固螺栓;2—甩油环上半部分;3—甩油环总成

甩油环半圆结合处的钻孔凹陷部分面积较大, 2段锥形斜面基本完全被破坏, 2个钻孔在正车和倒车旋转方向上行时, 都会使得较多的滑油聚集容纳在钻孔内:下行转至楔形空间位置时, 刚好以Z大量倾倒出容纳的滑油, 使得此处聚集的油流甩出方向不同于甩油环盘面正常锥面的甩油方向, 而是偏向轴线, 致使一部分滑油进入密封环与环槽间的楔形空间。

当转速低于74 r/min时, 甩油环盘面油流的离心力较小, 油流不能到达契形空间;当转速超过88r/min时, 油流的离心力较大, 甩出方向又趋于远离轴线, 进入楔形空间的油流减少。这2种状况下进入油槽的滑油量较小, 聚集的滑油都可以经泄油孔及时流出, 不会从油槽满溢造成泄漏。当转速介于74～88 r/min时, 进入楔形空间的滑油较多, 泄油孔来不及流通, 油槽与密封环之间的油流通道聚集较多的滑油, 由二者侧面间隙渗出造成泄漏。

另外, 端盖油槽泄放孔的流通能力也会受到滑油黏度的影响, 轴封端盖紧靠飞轮, 主机运转时飞轮区域空气扰动较为强烈, 对端盖板和密封环都形成一定的冷却效果, 使得沿密封环外圆流下的滑油温度下降较快, 到达泄放孔时可能会更加接近机舱的环境温?, 黏度增加、流通受阻。该船首航时水域环境温度较高, 未见泄漏;而后2个航次均在高纬度水域航行, 环境温度较低, 轴封一直泄漏。这种情况也从侧面说明, 泄放滑油的温度较低也是造成泄漏的原因之一。

2　轴封设计和装配的改进措施

(1) 在密封环半圆结合处取消紧固螺栓的安装断面, 改用类似甩油环切向钻孔内六角螺栓装配方式, 这样既不破坏密封环外圆轮廓, 又可以消除密封环与油槽间的开放式楔形空间。

(2) 甩油环安装后, 其2个半圆环结合处的切向钻孔可以用液态密封胶进行密封, 并恢复锥形外圆轮廓, 以减少进入楔形空间的油量。

(3) 加大端盖油槽泄放孔孔径或增加泄放孔数量。

(4) 密封环与下端盖间增加固定锁紧螺栓, 使得密封环与油槽后槽 (飞轮侧) 壁间紧密配合, 加强密封;前槽壁 (机体侧) 间可以让出较大间隙, 加快溢流。

3　结束语

主机厂家对轴封的设计理念非常好, 主机在2种模式下运行时轴封都不会出现泄漏现象。但基于当前航运市场的经营状况, 营运船舶大多以租约要求的经济航速运行, 主机实际转速往往明显低于厂家给定的优选转速, 因此或多或少会出现一些非额定工况?的隐性故障。

虽然大型船用主机厂家的技术创新和优化设计大多偏重于设备的经济性能、环保观念, 突出可控电喷、在线监测、柔性控制、自检诊断等, 但轮机管理人员仍需要不断加强自身的专业知识学习, 提高动手能力和主观能动性, 不过分依赖设备厂家和技术图纸的指导, 敢于积极探索, 勤于积累经验, 及时正确处理设备故障, 确保船机设备的正常运转。

参考文献：

[1]徐继林.某型主机轴封泄漏?障实例[J].航海技术,2018(06):41-43.

作者简介：徐继林，轮机长，厦门泛海船舶管理有限公司

（来源：轮机课堂）