某VLOC 船增設空氣潤滑系統改造方案

張 浩，程 涵，趙福志，倪進旭

（友聯船廠（蛇口）有限公司，深圳 518054）

1 前言

隨著全球航運業節能減排要求日益嚴格，低碳、節能成為目前船舶新造或改造的核心指標之一。氣泡減阻技術作為船舶空氣潤滑系統（簡稱ALS）中應用最廣泛的節能措施之一，是一種利用微氣泡來減少船體與海水之間航行阻力的技術方法。通過將空壓機壓縮后的空氣不斷地輸往空氣釋放單元（簡稱ARU），以微氣泡形態釋放到邊界層，大量的氣泡在船底聚集形成氣液兩相混合流，從而減小船體周圍水的密度、黏性以及湍流流動結構，使摩擦力顯著降低，達到減阻節能的效果。船舶采用該技術可節省5%～10%的燃料消耗，從而減少碳排放，為綠色船舶提供了一種解決方案。

2 空氣潤滑系統組成

空氣潤滑系統，主要由10 套壓縮空氣單元（空壓機撬塊）、空氣管、10 個Y 形三通管、20 個液動蝶閥、20 套空氣釋放單元（ARU）、1 個HPU 液壓動力單元、1 個控制柜、1 套電磁閥箱、20 個應急閥塊、電纜管、閥控管、動力電纜、控制電纜、操作臺（集控室及駕駛室各1 個）、8 臺軸流通風機（4 進4 出）等組成，圖1 為其中一組的原理圖：空壓機壓縮后的空氣經過空氣管、Y 形三通管后分成兩路，Y 形管出口各設置一個止回閥，兩路空氣再經過液動蝶閥控制后到達船底部的ARU 單元，經過其底部的導流板不斷釋放出微氣泡滑過船體底部，從而達到減阻的效果。

圖1 空氣潤滑系統原理圖

3 某VLOC 船增設空氣潤滑系統的改造方案

3.1 結構及舾裝改造

結構改造部分主要包括：ARU 單元在船底開孔、定位及焊接；內部結構加強；新制沿1 號貨艙前壁下倉的空氣管路的槽型護罩等。

舾裝改造部分主要包括：新增設備的底座預制；液壓管線；控制管線的護罩等。

其中，ARU 單元在船底開孔、定位、與底板間的焊接質量為關鍵控制節點；ARU 單元作為整個空氣潤滑系統的核心裝置，為了使氣泡減阻達到最佳效果，20 套ARU 單元在船首部沿船寬方向弧形布置；ARU單元與船體間的安裝精度、ARU 單元與導流板的裝配間隙等，必須滿足設備廠家的設計安裝要求。

3.1.1 進塢前準備工作

1）ARU 單元內場檢查，復核備件的精度（見圖2），做好各項數據的記錄；如精度超差，可適當校正ARU單元的底板以及加工導流板，確保塢內安裝完ARU 本體及導流板。其導流板的裝配間隙，需滿足以下要求：

圖2 ARU 底板及ARU 與導流板裝配精度控制圖

底板整體平面度±2 mm 以內；

測量點A～H,導流板與空氣釋放單元四周的許可裝配間隙為21±3 mm；

測量點A～G,導流板與空氣釋放單元垂直高度為50±3 mm。

2）ARU 單元焊前準備:ARU 單元底板為板厚40 mm，船底板板厚20 mm。為此，需對ARU 單元底板四周預先削邊至20 mm（斜度1:5），再開正面22.5°的單邊坡口；焊接好施工用四角吊裝吊耳及四角調整用吊耳；焊口防護，整體油漆；劃好ARU 單元定位中心線的標記線以及根據中心線及ARU 底板輪廓，制作好艙底內劃線的模板。

3）ARU 單元安裝艙室的準備：艙室先通風、測爆合格；內底板工藝孔割除；將ARU 單元本體的中心線反在ARU 單元船殼的本體上，并做好樣沖標記，在相鄰100 mm 的位置標識一條檢驗線；現場焊接吊裝ARU 單元用的四角吊耳以及四角定位調整吊耳。

4）割舊板的準備：根據反出的ARU 單元中心線，結合圖紙定位尺寸以及劃線模板，劃出船底板的切割線；根據ARU 單元的中心線以及ARU 單元本體的線型及模板，對需要切割的縱骨或框架等提前劃好切割線。

5）ARU 單元擺放在塢底的準備：每套ARU 重約4.3～4.6 t，長4 700 mm，寬1 480 mm，高470 mm。進塢前，根據進塢布置及ARU 單元的分布方位，將ARU 單元按照編號盡可能吊運擺放至塢底的相應位置，以免進塢后再轉運大大增加工作量。

圖2 為底板及ARU 與導流板裝配精度控制圖。

3.1.2 進塢后工作

進塢后，ARU 單元安裝作業主要流程為：ARU單元沖水清理泥巴、做好防護→割除舊板（船底板及內部結構）→吊裝新ARU 單元到位→ARU 底板裝配、報驗→底板板縫焊接→底板板縫光面打磨完工并100%UT 檢查→內部結構裝配→內部結構焊接→底板外側焊縫磨平→抽真空試驗→內部結構打磨→焊接完工報驗→油漆修補→安裝ARU 單元內部鋅塊→安裝導流板、間隙調整、測量→螺母點焊固定→螺絲卡板凹槽填充鐵水泥或環氧樹脂。

ARU 單元底板為40 DH40，削邊后厚度20 mm,船底板為20 AH36。根據WPS 要求，ARU 單元底板與船底板間的焊接需選用合適的焊接材料以及焊接方法：

焊材：采用YHE71T-1 或等同；

極性：DCEP 直流反接；

方式：CO2自動焊，單面焊雙面成型焊接；

保護氣體：CO2保護氣體，純度99.5%以上。

現場施工控制的難點：

1）ARU 單元中心線與船底縱骨中心線的對中調整，公差±2 mm 以內；

2）底板以及結構件對接縫的切割量的控制，特別是四角R300 的圓角，如裝配間隙過大，母材需按長肉處理，既增加了工作量，也增加了焊縫的質量風險；

3）ARU 單元底板下平面與船底底板下平面的調整，錯位公差±2 mm 以內；

4）焊接質量控制，特別要控制ARU 單元底板的變形；

5）ARU 單元底板與船底底板焊縫焊接完畢后，外側需要修磨至與船底板平齊，防止影響氣泡的滑移質量。

為此，需制定合理的施工流程，做好進塢前的準備工作，準備充足的工具設備及人力，現場的準確測量、放樣、劃線做到無余量切割，采用縱向及橫向的長排加強板對稱施焊方法，防止ARU 單元底板變形，制作專用的導流板安裝工具等，這些措施對提高施工質量、提高效率、縮短塢期均至關重要。

3.2 新增設備的安裝

3.2.1 空壓機的吊運

該系統共有10 套空壓機撬塊，每臺重約1.7 t，集中安裝在船艏水手物料間里，左右各5 臺；撬塊頂部結構薄弱，不能配置吊運吊耳，這給撬塊的吊運、進出物料間以及轉運帶來不便。為此，在水手物料間中部頂部開割工藝孔，同時制作專用的吊具，如圖3 所示；進倉后，再用2 臺液壓小車配合轉運、葫蘆配合抬吊到位；工裝主要由2 根L140x90x10 角鋼以及無縫鋼管吊桿等組成，角鋼兩端焊接好吊運及轉運的吊耳，角鋼需在底座和側面與空壓機底座配鉆好螺紋孔，并用螺栓連接固定。吊運前，鋼管吊桿的兩側下方吊耳分別掛接2 個2 t 的葫蘆，葫蘆鉤頭連接角鋼底座的吊耳，起吊時通過手拉葫蘆調節整個空壓機的重心，待重心平衡后即可吊起空壓機。

圖3 空壓機撬塊吊運工裝

3.2.2 ARU 單元導流板的安裝

該輪船底新增20 套ARU 單元，每套ARU 單元均有1 個導流板，長3 000 mm、寬1 000 mm，重量約0.5 t；采用傳統的方法制作支撐胎教、叉車轉運，船底板現場焊接吊耳，葫蘆提升、間隙調整、安裝等受塢底高度以及塢墩的限制；20 個導流板安裝結束后，需對船底新增的近百個吊耳進行割除、打磨、修補油漆，工作量大，安全性低，效率低下。

為此，特別制作了3 套導流板的現場安裝工裝，如圖4 所示，其主要由底座、支撐架、調節絲桿、手動液壓叉車、螺旋式千斤頂等組成：底座由槽鋼和鋼板焊接而成，下部槽鋼構成的4 個插槽便于用手動液壓叉車在塢墩間進行各個方向的轉運，底部的兩側鋼板起到平衡和支撐作用，防止導流板裝置重心太高導致側翻的風險；使用時，先將導流板吊至該安裝裝置的支撐架的調節絲桿上部，讓導流板的定位孔全部鑲入調節絲桿上部的定位銷內進行定位固定，然后用手動液壓叉車慢慢轉運至導流板配對的ARU 單元位置船底下方；人工調整手動液壓叉車的左右前后位置，使得導流板與ARU 單元的中心大體一致后，旋動兩個螺旋式千斤頂，將導流板緩緩升起，并插入扳桿調節各絲杠的高度，使導流板上的螺栓孔對準空氣釋放單元上的螺栓，待導流板的前后左右全部螺栓孔對齊，繼續頂推導流板到位，對稱對角上緊導流板的固定螺母；檢查、調整和測量導流板與ARU 單元底座間的四周裝配間隙，直到滿足廠家技術要求。該工裝不但解決了導流板在塢內船底狹小空間的轉運安裝困難，而且提高了工作效率，縮短了塢期。

圖4 ARU 單元導流板現場安裝工裝圖

3.3 管系改造

管系改造，主要分為空氣管、電纜管、閥控管三部分：空氣管和電纜管均是碳鋼管，根據設計放樣的小票圖紙，車間提前預制并鍍鋅處理；閥控管采用不銹鋼盤管，現場鋪設，卡套連接。

空氣管設計溫度為215 ℃，運行溫度 0～215 ℃；二級管，系統設計壓力為2.5 bar，試驗壓力3.8 bar；空氣管10 路（左右舷各5 路，通徑DN150，壁厚11 mm），分別從水手物料間的空壓機撬塊引出，穿過物料間后壁板，從1 號貨艙前壁甲板穿倉一直到人字形下墩，在下墩里每路管子連接1 個成品Y 型三通，分成20 路（通徑DN100，壁厚16 mm）分別穿入1 倉雙層底和左右空倉后，再分別與20 套ARU 單元相連接；空氣管中間設有熱脹冷縮的膨脹節，除了穿倉件、與閥門及膨脹節等連接處焊接法蘭外，其余管線焊縫均采用對接、全熔焊的型式，焊后進行100%UT 檢查及拍片抽檢，再進行水壓試驗；壓縮空氣從空壓機出來后，不需經過冷卻；除了壓載水倉及空倉外，其余空氣管路表面均包覆熱絕緣層及不銹鋼皮防護。

新電纜管布置在左甲板上，采用法蘭連接，動力電纜與控制電纜分別設置在獨立電纜管中，以免引起信號干擾；動力電纜管通徑為DN300,控制電纜通徑為DN150,電纜管中間均設置有伸縮節、電纜箱、避讓結構及設備的彎管等附件。由于動力電纜多達11 根，直徑約40 mm，每根長達約550 m，動力電纜管的彎管兩端務必分別設置工藝孔及道門蓋，目的是方便現場拉設及理順電纜管內的動力電纜，從而提高效率。

新閥控管采用不銹鋼管，系統工作壓力為100 bar，從水手物料間內的閥控箱系統穿倉到右前甲板，從1 倉右甲板到1/2 倉之間過渡甲板穿入貨艙下墩，連接到空氣管上的液壓閥頭上；為提高安裝后的質量，防止泄漏而返工，需用精密的不銹鋼盤管和配套不銹鋼卡套接頭，裁管切割及鋪管過程，閥控管的兩側端部務必做好防護。

3.4 電氣改造

電氣改造部分主要包括：集控室配電板改造；新增集控室及駕駛室的ALS 遙控操作臺；新增首樓甲板軸流通風機、空壓機撬塊、液壓泵站、遙控閥門、ALS等控制箱或控制柜，以及它們之間動力電纜和控制電纜的鋪設等。

動力電纜主要是從機艙集控室配電板鋪設至生活區前壁左側，沿主甲板的動力電纜管直到船艏的水手物料間設備控制箱等。

控制電纜主要是從機艙集控室及駕駛室的ALS 操作臺鋪設至生活區前壁左側，沿主甲板的控制電纜管直到船艏的水手物料間的ALS 控制柜等。

為了加強首樓儲物間內的通風及降溫，首樓甲板面新增了4 臺進風機和4 臺抽風機；船首位置常常受涌浪、風浪的影響，水汽、浪花特別大，為了減少水霧對艙室內設備的影響，進風機吸口均加裝了除水霧的濾器，濾器頂部及甲板間四周安裝了牽引繩索。

4 完工調試

改造完成后，按照廠家及試驗大綱要求，先調試各設備、系統，然后進行聯調聯試并調整和固化各有關性能參數，再出海進行功能測試、工況測試、EEDI 效能測試。最終海試結果表明，EEDI 效能滿足設計預期。

5 結語

我廠某VLOC船新增空氣潤滑系統的節能改造成功，船體摩擦力顯著降低，極大地提升了船舶減阻節能效果，達到了綠色、節能和環保的要求，對新船設計建造及類似船舶改造項目有一定的借鑒意義。隨著國際海事組織對船舶節能減排要求的不斷提高，空氣潤滑系統作為一項新的技術將會越來越受到船東的關注，將在更多的船舶中新增這套系統，經過不斷的實踐和改進，此項技術將會更加靈活高效，引領船舶新技術的創新。