風電安裝船液壓系統污染預防措施

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摘要：液壓系統因其執行元件和動力原件可分開布置，易大范圍實現無極調速，擁有相同體積的情況下易獲得較大的輸出力或扭矩、易實現直線和往復運動、穩定可靠等優點，在船舶設備中有較為廣泛的應用，諸如液壓舵機、液壓錨絞設備、液壓閥門等都是較為常見的應用案例。近年來，隨著我國在海洋工程領域的快速發展，液壓系統在海工裝備中越來越重要，且出現了2個明顯的趨勢，即精細化和大型化。精細化主要表現在液壓與電控系統相結合，利用高精度傳感器，高精度比例閥、換向閥，優秀的控制算法實現對液壓系統的精準線性控制。大型化主要體現在液壓系統的復雜性，液壓驅動原件和執行機構的大型化、高壓化。隨著精細化與大型化的深入發展，對系統穩定性的要求也越來越高。

關鍵詞：船舶；液壓系統；系統設計；油液污染

0引言

據統計，液壓油污染帶來的故障占液壓系統故障的70%以上，而精細化和大型化又增加了系統對污染物的敏感度，這給液壓系統的設計、制造帶來了新的考驗[1]。本文以國內某風電安裝船最新的液壓升降系統為例，淺談液壓系統污染的來源、危害以及預防措施。

1某風電安裝船液壓升降系統簡介

某風電安裝船采用液壓插銷式連續升降系統。該系統較為復雜，配有4個樁腿及4套液壓站，油箱總容積超過80000L，每套液壓站驅動16個大型升降油缸，16個升降油缸被油缸耳環連接到上下2個環梁，環梁又與船體固定在一起。工作時，由升降油缸驅動上下環梁帶動4個樁腿或船舶上下運動，以實現船舶的連續升降。單個樁腿的最大輸出壓力為9600T，系統高壓部分工作壓力為26MPa，設計壓力30MPa。

2液壓系統污染物的來源與危害
經過長時間的實踐積累，現在普遍認為造成液壓系統污染的來源主要有：1）制造過程中的內部殘留，如金屬碎屑、殘渣、加工毛刺等；2）外部侵入，系統在投入使用后，污染物通過如活塞桿、泵軸密封、油箱呼吸器等其他密封不良位置侵入系統或因維修保養不當導致了污染物侵入；3）系統內部產生，這既包括系統運行時產生的磨粒，也包括油液反應生成的酸性物質、絮狀沉積物等。污染物的危害主要由污染物性質決定。固體污染物進入系統后，較大的顆粒會阻塞濾器，若阻塞發生在液壓泵吸口，會造成液壓泵吸空，引起系統異常震動，氣蝕，若阻塞發生在回油濾器，則會導致系統背壓升高，回油不暢，系統動作遲滯、錯誤。較細的顆粒則會阻塞換向閥、阻尼孔，造成系統運行不穩定，細顆粒也會加速系統內摩擦副的磨損，破壞密封，加大內漏。空氣進入系統后，最主要的問題來自2個方面：1）空氣在液壓系統高壓、低壓的變化中時而溶解入油中，時而從油液中析出，從而產生震動、噪聲，造成液壓元件氣蝕，甚至失靈。2）改變液壓油性質。一般認為，油液是不可壓縮的。而相較于油液而言，空氣的可壓縮率極大，約為油液的一萬倍。有試驗數據顯示，當油液中混入1%的空氣后，其彈性模量即降低到純油的35%。當混入的空氣超過2%時，油液開始變渾濁，各方面性能顯著降低。水分進入系統后：①會直接降低液壓油的粘度。②水分與油液中物質反應生產酸性絮狀物質，與金屬部件反應，產生鐵銹，顯著增加系統故障率。③大量水分可直接導致油液乳化，使整個液壓系統失效。水污染的危害在三者中最大，不單表現在其危害性上，還表現在相較固體顆粒與氣體，水很難從油液中分離、清除出來。發生污染后往往需要徹底更換所有液壓油，成本巨大[2]。

3液壓系統污染的預防措施

液壓系統污染的預防本身是一項系統工程，而且船舶液壓系統有其特殊性，相較于陸地，海上的作業環境惡劣，液壓系統長期暴露在高鹽、高濕的環境中，各部件更容易受到污染物的侵入，海上缺少岸基支持，液壓油及零部件在船上更換也較為困難。因此，船舶液壓系統在設計、施工時更應從多個角度重點考慮系統防污染的問題。

3.1重視中間管系

液壓系統中，如液壓動力源、執行機構等主要部件

一般采購成品件，該船液壓升降系統也不例外。這些部件在廠家生產線批量制作，只要能夠通過船東出廠驗收（FAT），通常能夠保證質量，但液壓泵站、閥箱、升降油缸等設備之間的液壓管路均是由船廠現場制作，無法像成品件一樣有良好的加工環境，容易成為液壓系統污染的重要來源，該船升降系統液壓管系總長度約2134m，怎樣保證如此長的液壓管線不對整個系統造成污染至關重要。1）管路系統在設計時對材料提出明確要求。不同材料的強度和對腐蝕的耐受程度大不相同。如果該液壓系統對清潔度的要求較高，那么選用焊接性能良好、強度高、耐腐蝕的材料制作中間管系十分必要。該船升降系統所有中間管系、法蘭、過度接頭等均采用022cr17ni12mo2材料（不銹鋼316L），相較于傳統碳鋼材料，其在強度、抗氣蝕、耐銹蝕方面有著明顯的優勢，能夠最大可能消除管路氣蝕、銹蝕對系統的影響。2）嚴格控制施工工藝，良好的施工工藝是管路質量的保證。①重視內壁焊接質量，所有焊口均采用氬弧焊。管材焊接不僅要確保全焊透且通過壓力測試，還要控制內部余高不能過高，不要出現焊渣、飛濺、焊瘤等情況，因其在系統油的長期沖刷下，容易產生顆粒脫落，直接影響系統安全，且內壁焊接不平滑也容易導致液壓油出現湍流，造成液壓油擾動，形成氣泡，導致系統運行不穩定。②嚴格控制定型彎頭使用數量，因管路與定型彎頭相接的2條焊縫通常不易檢查，難以控制焊接質量，所以該船升降系統管路要求在保證強度的前提下，DN150以下的管路均采用彎管工藝，避免產生多余焊縫，盡量減少風險點。

3.2優化系統油箱

油箱是液壓系統的重要組成部分，也是容易造成污染物侵入和沉積的地方，其設計不僅應考慮容量、散熱、透氣、補油等常規要求，還應在如何防止內部產生銹渣、如何防止空氣及懸浮污染物侵入，如何合理沉降、分離雜質等方面進行優化。1）該船升降系統油箱材料也選擇了不銹鋼316L，杜絕了油箱生銹產生內部污染的可能。2）相較于傳統油箱與空氣直接接觸式的“呼吸”系統，該升降系統采用了配有皮囊式“呼吸”隔離裝置的半封閉式油箱，以隔絕外部空氣，有效降低了空氣中的雜質、水汽等侵入液壓系統的可能性。3）油箱上若有其他開孔全部帶有隔斷開關且全部具備除濕功能。4）油箱內合理的設置了隔板、將油箱分成了4個空間，通過優化布置吸油口、回油口、分區隔板和除沫網，使得液壓油在油箱內形成合理的流通油道，既有利于油液降溫，也保證了系統內產生的雜質能夠得到有效沉降，并可以通過放殘口排出。5）在適當位置布置了強磁體，對于金屬磨損產生的碎屑進行吸附。

3.3重視液壓油的冷卻

通常液壓油在40℃以下時，如果與氧氣接觸不多，則氧化很慢。但若油溫在55℃以上時，油液中細微污染物與油液中添加劑的反應就會變得活躍，氧化加速，而氧化產物又會繼續催化反應，造成惡性循環。所以將液壓油溫度控制在合理范圍內是保證系統不生成內在污染物的關鍵。在船舶自重、可變載荷一定的情況下，該船液壓升降系統工作的發熱量也是一定的，控制油溫最直接有效的方式是保證冷卻器的冷卻效果。相較于部分同類型系統采用風冷式冷卻方式，該船液壓升降系統采取水冷的方式。且考慮到液壓泵站均布置在船舶機艙，周圍熱源較多，故冷卻器設計的環境溫度輸入條件提升到了50℃。冷卻器采用板式冷卻器，材料為不銹鋼，厚度不小于0.5mm，冷卻介質采用淡水，這樣既保證了冷卻效果，又降低了冷卻器受腐蝕從而污染系統的風險。冷卻器換熱量按理論計算換熱量的1.5倍進行選型，留足了余量空間，確保了即使隨設備使用，換熱能力下降或在部分臟堵的情況下，依然有良好的冷卻效果。冷卻器設有有效的旁通保護回路，在系統誤動作、油液沖擊、長期侵蝕、沉積物堵塞等異常情況下保證不會發生油水混合事故。除了常規的就地溫度表、壓力表以外，冷卻器油出口帶有溫度傳感器，水進口帶有比例閥，通過控制比例閥開度可實現對液壓油溫度的精確控制。冷卻水進口處設有容污機構，便于清洗維護，并設有壓差傳感器，壓差報警信號與液壓油溫度信號一并接入了全船監測報警系統。除了對冷卻器進行重點考慮，整個冷卻系統的管路及泵組也做了冗余設計，這樣即使船舶連續升降過程中冷卻系統出現了單點故障，也不影響冷卻效果，不會因冷卻系統故障而影響液壓系統使用和作業安全。需要指出的是，液壓油的溫度并不是越低越好，該升降系統采用的是L-HM46抗磨液壓油。在油溫低于30℃時，粘度會有明顯的增加，容易造成流動阻力增加和泵吸入真空，而且低溫也容易造成濕氣混入液壓油。故冷卻的目的不是一味追求低溫，而是讓油溫保證在合理的范圍內，系統啟動前若油溫過低，對液壓油的加熱是靠泵站油箱內置加熱器完成的。

3.4對于重點部件進行特殊處理

因功能需要，部分液壓原件可能會暴露在非潔凈的環境中，最常見的是活塞式液壓執行機構，如何使這些機構不將污染物帶入液壓系統也是防污染的設計重點。以該船液壓升降系統為例，其升降油缸屬于關鍵部件，與環梁一起起到支撐船舶的作用，其油缸活塞受力很大，行程較長，在伸出狀態將暴露在高溫、高濕、高鹽的環境中，極易受到污染，當活塞桿收回油缸內時污染物則有可能被帶入液壓系統。除了常規的選擇高品質的密封、重視裝配工藝以外，該套升降系統活塞桿材料選用的是34CrNi1Mo，保證了足夠的強度，并在外層采用陶瓷噴涂工藝，涂層厚度不小于300μm，孔隙率不高于2%，顯微硬度在800~1000HV，結合強度不低于37MPa，該涂層極大降低了海上高鹽水汽對活塞的腐蝕作用，且抗磨能力較強，避免了活塞桿因腐蝕或磨損產生金屬碎屑，對該升降系統減少固體顆粒雜質的產生起了關鍵作用。

3.5系統中加入水分監測及分離裝置

水是對液壓系統破壞力較大且難以分離的污染物。一旦油液乳化，往往不可逆，一次性更換系統內所有液壓油不但成本巨大，而且在海上缺少岸基支持，更換難度大，也容易造成環境污染。故對液壓系統中的水分進行監測，幫助船舶輪機員提早發現問題，及早采取措施是船舶液壓系統發展的新趨勢。該船液壓升降系統就配備了水分傳感器，可實現對液壓油中水含量的有效監控，該傳感器既可以輸出連續的模擬量信號又可以在含水量達到預定值（0.1%）時發出報警信號至全船監測報警系統。除了配有水分傳感器以外，系統在設計時又引入了液壓油脫水裝置，從油箱單獨分出1個支路連接至液壓油脫水裝置、進行循環分離。該裝置可較好地聚集、分離油液中的水分，并可做到定時自動排水。這樣既不影響主油路的流量、壓力，又能將液壓油中的水分含量降至最低，延長了液壓油的使用時間，提高了系統的安全性。

4結語

首先，要想真正做好液壓系統的防污染工作需要每個環節都嚴加把控。設備裝配是否得當，系統串油是否達標，備品備件的防護和儲存是否規范，是否按操作規程使用設備，維護保養是否到位，人員技術能力是否過關等都是船舶液壓系統清潔度的影響因素，各個方面都沒有短板，才能最大限度地保證系統清潔。其次，以該液壓升降系統為例，防污染要求的提高，必然帶來系統制作成本的增加，液壓系統的設計不應一味追求絕對的清潔，而是要綜合考慮系統的制造和使用成本、人員操作便利性、系統安全性等。應該持續跟蹤和收集類似液壓升降系統的使用情況，分析對比系統配置、故障率、液壓油更換率等，找出投入產出的最優結合點，為其他船舶液壓系統的設計積累經驗。

參考文獻：

[1]楊啟正.工程機械液壓傳動系統故障原因及預防措施研究[J].河北農機,2021,(07):92-93.

[2]李毓洲,仇明,張永康,等.超大型風電安裝船液壓升降系統結構件有限元分析[J].船海工程,2020,49(04):77-81+85.

作者:鄭鈞 單位:交通運輸部煙臺打撈局