大中型船舶艉轴密封装置结构及维修

发布时间：2022-02-11

许琼俊，马培良，李晓燕

（中交广州航道局有限公司）

导读

世界贸易离不开数以万计的大中型船舶为主的航运，船舶艉轴及螺旋桨系统是大中型船舶能够正常航行的关键部件，艉轴密封装置具有隔绝船体内外、保证艉轴正常运转的关键作用，艉轴密封由前艉轴密封和后艉轴密封两部分组成。

前艉轴密封主要用于隔绝艉轴管与船舱，由于其位于船舱内，一旦损坏，艉轴管内滑油会泄漏入船舱，容易发现和维护，因此其结构相对简单。

后艉轴密封主要在于保证艉轴管和舷外海水的隔绝，以阻止舷外海水的内漏和艉轴管内滑油的外漏，因后艉轴密封承受可能来自舷外海水、泥浆（航行于浅水区域时）、渔网、艉轴及螺旋桨的振动等的破坏，工作环境恶劣，较为容易损坏，后艉轴密封装置一旦发生故障，轻则海水内漏，艉轴和艉轴承磨损加剧，重则滑油外漏，污染水域，所以后艉轴密封装置是现代大中型船舶推进系统设计和使用管理的关键部件之一，随着造船、材料、工艺等技术的发展和环保要求的提高，后艉轴密封装置也在不断发展更新中，下面就对后艉轴密封装置的发展情况做一简单介绍。

一、船舶电力推进系统的技术特点

传统艉轴后密封装置基本组成包括艉轴密封轴封套（艉轴白钢套）、L型唇式油封和水封、高置重力油柜以及简单的轴封保护外罩。

图1　传统型后艉轴密封结构图

唇式密封胶圈一般有3道（图1），第二、第三道方向向后布置作为水封，道方向向前布置作为油封，油封腔连接高置重力油柜；密封胶圈油封受弹簧预紧力、密封胶圈本身预紧力、高置重力油柜的油压力而紧紧抱住后艉轴白钢套；水封亦因弹簧预紧力、胶圈预紧力和舷外水压力的综合作用而紧紧抱住后艉轴白钢套，因为船舶吃水或者波浪的影响，舷外水压力会不断变化，所以白钢套和水封唇口相互磨损严重，一旦密封失效，则舷外水就会进入艉轴管，造成滑油乳化变质，严重时甚至滑油外泄污染水域，传统型后艉轴密封装置通常设计寿命只有1～2年，如果要更换艉轴密封和白钢套，则船舶必须进坞修理，拆卸螺旋桨或抽出整条艉轴，维修耗时长，成本高。

针对更换后艉轴密封和白缸套不方便的缺点，在上世纪90年代中，荷兰Lagersmit公司发明了艉轴密封胶圈现场粘接技术。

二、粘接型艉轴密封装置

图2　胶圈粘接专用工具与现场粘接

粘接型艉轴密封装置主要具有一套专用粘接工具和胶水（图2），轴封套设计成对开式，可以用螺栓连接成一个完整的整体，因此需要更换密封胶圈或轴封套时可以在不抽出艉轴或拆卸螺旋桨的情况下实现现场更换，可以节省大量的船舶进坞时间和修理费用。

1.艉轴白钢套的修理、更换

整体式艉轴白缸套磨损后一般可采取调整垫片厚度的方法临时处理，通过增/减艉轴管与轴封盒间的垫片数量或厚度，或者调整白钢套的安装垫片厚度，使密封圈唇口与白钢套接触位置位移到一个新的未磨损位，等待多次调整位移或者白钢套磨损、腐蚀严重时，才拆卸螺旋桨或者整体抽出艉轴后换新白钢套，为减少腐蚀和磨损，延长使用寿命，一般整体式白钢套采用表面镀层处理。

对开两半式艉轴白钢套则可在船舶进坞时直接拆开两半，现场更换，但对开两半式白钢套要求安装好后两半结合处无缝隙，整体表面光洁度、尺寸和形状误差与整体式无异，所以对开两半式白钢套制造加工精度要求高，目前国内较少使用。

2.艉轴密封胶圈的现场粘接

艉轴密封胶圈的现场更换主要利用专门的胶圈粘接剂和胶圈粘接工具，该专用工具可在艉轴密封狭窄空间处操作，可保证切割后的新密封胶圈两端切口对接后的良好对位，同时其具有的加热和恒温及定时功能可保证胶圈接口在设定的温度和时间条件下在粘接剂作用下实现良好的粘接，一般粘接好一道胶圈的时间周期约需半小时甚至更短（加热温度和恒温时间主要依据胶水特性而定）。

由于新型胶水只有在达到一定温度和保温时间才能让胶圈接口有效粘合，常温下不起作用，所以操作者可以慢慢放心操作，一般换新整套艉轴油/水封胶圈只需要2h～3h即可完成，粘接好的胶圈接口平滑，性能与原装无异。

艉轴密封胶圈的现场粘接更换工艺虽然解决了不需要拆卸螺旋桨或抽出艉轴的情况下即可换新密封胶圈的难题，节省了大量的进坞时间和拆装费用，但后密封胶圈油封、水封唇口和轴封套相互磨损严重，使用寿命短的缺陷依然未能解决，所以约在10年前，由荷兰Lagersmit公司发明了supperme SGV型空气平衡式艉轴密封装置。

三、空气平衡式艉轴密封装置

针对传统型艉轴密封胶圈和轴封套磨损快、寿命短以及密封失效后判断困难以及滑油外泄污染水域环境等的缺陷，新型艉轴密封装置设计成空气平衡式，大大延缓了艉轴密封胶圈的磨损，轴封套表面也采用硬质合金或陶瓷镀层工艺处理，大大减少了磨损和腐蚀，故轴封套设计寿命一般超过5年，当密封胶圈遇意外情况提早失效时，只需要进坞采用现场胶圈粘接技术换新艉轴密封胶圈即可。

新型空气平衡式艉轴密封装置还设有报警监控和泄放单元，根据控制空气的流量和泄放单元收集柜内的介质，即可判断艉轴密封的状态。

水封失效或油封失效，或油、水封均失效，或空气释放阀失效等故障均可及时诊断。

(1)结构特点与工作原理

图3　空气平衡式艉轴密封结构原理图

空气平衡式后艉轴密封装置（图3）主要由传统艉轴密封组件、低置重力油柜、控制空气单元、泄放监控单元、报警监控单元组成。

低置重力油柜布置于船舱内，一般只高于艉轴2m～3m，经减压后的控制空气（初始设定压力依船舶Z大吃水而定）同时通至低置重力油柜与艉轴油封、水封之间的空间，艉轴油封、水封间的安装壳体上安装有空气释放阀，艉轴油封、水封间的控制空气还从空间底部的专设通路连通至低于艉轴管布置的泄放单元，再经过节流阀泄放至大气，这样就可以保证始终有一部分控制空气的流动，防止艉轴油封、水封空间及泄放管路的堵塞。

空气释放阀相当于一个自动放气的单向阀，正常工作时，控制空气的压力由空气释放阀外的水压实现自动控制，当船舶吃水增加，空气释放阀外的水压增加，控制空气释放至舷外水里的空气量减少，压力相应增加，当船舶吃水减少，空气释放阀外的水压下降，控制空气释放至舷外水里的控制空气量增加，压力相应下降。

由于控制空气压力能跟随舷外水压的变化而变化，所以艉轴水封胶圈两侧的压力基本恒定，则密封胶圈水封唇口与艉轴后轴封套的接触只受胶圈本身预紧力、弹簧预紧力而有恒定而轻微的压力接触；密封胶圈油封唇口与艉轴后轴封套的接触亦只受弹簧预紧力、胶圈本身预紧力和低置重力油柜的油压力而有恒定而轻微的压力接触，所以油封、水封唇口和艉轴轴封套磨损较小，使用寿命长。

(2)应急措施与结构改进

空气平衡式艉轴密封装置虽然理论上使用寿命可以超过5年，但水下情况复杂多变，意外性的轴封损坏、失效故障时有发生，为了保证在特殊情况下的应急使用，空气平衡式艉轴密封装置在空气管路和滑油管路上均装设有截止阀，依据从泄放柜的放残可以判断是否油封或水封失效，如果仅是水封轻微失效，则可以常开放残单元收集柜泄放阀，让泄漏水直接流入机舱内坚持使用，如果泄放单元收集柜有滑油放出，则证明油封失效，如果伴随低置重力油柜液位下降过快，则可以关闭两道油封之间的油路阀，只让道油封起密封作用，坚持使用，等待进坞时机。

在使用过程中还经常发生如下现象：

泄放柜经常有水流出，进坞检查油/水封状态却完好无损，原来是空气平衡阀脏污、异物阻塞阀芯不灵活而漏水，为了能够不进坞而能检查清洗空气平衡阀，可以考虑将此阀安装于船舱内同等水平高度的位置，在舱内另设一个通海舷外阀，利用管路连接并使空气平衡阀达到与舷外水直接接触的效果，这样就可以随时现场拆洗、保养此空气平衡阀了。

四、迷宫式艉轴密封保护罩

图4　渔网缠绕螺旋桨和进入艉轴密封空间

前述空气平衡式艉轴密封装置匹配耐磨陶瓷镀层的轴封套虽然结构设计精巧，理论使用寿命长，但在实际使用中却经常会被水下渔网缠绕车叶（图4），过多的渔线或绳索进入艉轴密封空间造成唇式密封损坏而漏油或漏水，尤其是近岸航行船舶，由于近海养殖、捕捞的增加，渔网垃圾随处可见，有时同一条船舶一次坞修间隔期螺旋桨会多次被渔网缠绕而出现艉轴漏油的情况，从而船舶被迫多次进坞修理，造成直接或间接的经济损失，迷宫式艉轴密封保护罩能有效阻止渔网、绳索等进入艉轴密封空间，延长唇式密封的使用寿命。

图5　迷宫式艉轴密封保护罩结构图

迷宫式艉轴密封罩的结构特点主要是在常规的艉轴密封保护罩的内部空间设计安装有迷宫结构（图5），在原艉轴密封保护罩内部空间设计安装2道圆环作为定环，再在螺旋桨毂安装螺栓头上钻孔攻牙安装一个圆环支架，支架上焊接两道圆环作为动环，这样定环和动环相间布置就形成一个迷宫结构，定环和动环的顶部均车削成锋利的刀锋结构。

同时保护罩外边缘上还焊接有多个渔网割刀，刀锋顺着螺旋桨旋转方向倾斜一定角度形成锯齿结构利于割断渔网。

为便于拆卸/安装，保护罩、迷宫支架、定环、动环均做成对称的两半结构，现场安装到位后焊接即形成一个完整的保护罩整体。

当船舶螺旋桨被渔网或其他绳索垃圾等缠绕时，首先会被保护罩外边缘的割刀切除，没有被切断的渔网、绳索就会被缠绕在渔网支架上，由于有内部迷宫结构的阻挡和动环、定环顶部刀锋的切割，多余的渔网、绳索等无法进入到艉轴密封空间从而可有效保护艉轴唇式密封，延长艉轴密封的使用寿命。

经过近5年时间的使用观察，多次发现螺旋桨轴虽然被大量的渔网缠绕，但艉轴密封空间内却无任何渔网、绳索等异物，说明迷宫式艉轴密封保护罩的防护效果良好。

五、结论

艉轴密封装置是大中型船舶的关键部件之一，先进的材料和结构设计是保证其正常和长周期寿命的关键，使用中的精心维护和正确管理与操作也是保证其正常和延长其使用寿命的有效措施，针对使用中可能出现的新问题和新要求，不断地进行改良和结构优化设计，必将为用户带来新的体验。

来源：《船舶工程》2019年第S2期