风电安装船液压系统污染预防措施

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摘要：液压系统因其执行元件和动力原件可分开布置，易大范围实现无极调速，拥有相同体积的情况下易获得较大的输出力或扭矩、易实现直线和往复运动、稳定可靠等优点，在船舶设备中有较为广泛的应用，诸如液压舵机、液压锚绞设备、液压阀门等都是较为常见的应用案例。近年来，随着我国在海洋工程领域的快速发展，液压系统在海工装备中越来越重要，且出现了2个明显的趋势，即精细化和大型化。精细化主要表现在液压与电控系统相结合，利用高精度传感器，高精度比例阀、换向阀，优秀的控制算法实现对液压系统的精准线性控制。大型化主要体现在液压系统的复杂性，液压驱动原件和执行机构的大型化、高压化。随着精细化与大型化的深入发展，对系统稳定性的要求也越来越高。

关键词：船舶；液压系统；系统设计；油液污染

0引言

据统计，液压油污染带来的故障占液压系统故障的70%以上，而精细化和大型化又增加了系统对污染物的敏感度，这给液压系统的设计、制造带来了新的考验[1]。本文以国内某风电安装船最新的液压升降系统为例，浅谈液压系统污染的来源、危害以及预防措施。

1某风电安装船液压升降系统简介

某风电安装船采用液压插销式连续升降系统。该系统较为复杂，配有4个桩腿及4套液压站，油箱总容积超过80000L，每套液压站驱动16个大型升降油缸，16个升降油缸被油缸耳环连接到上下2个环梁，环梁又与船体固定在一起。工作时，由升降油缸驱动上下环梁带动4个桩腿或船舶上下运动，以实现船舶的连续升降。单个桩腿的最大输出压力为9600T，系统高压部分工作压力为26MPa，设计压力30MPa。

2液压系统污染物的来源与危害
经过长时间的实践积累，现在普遍认为造成液压系统污染的来源主要有：1）制造过程中的内部残留，如金属碎屑、残渣、加工毛刺等；2）外部侵入，系统在投入使用后，污染物通过如活塞杆、泵轴密封、油箱呼吸器等其他密封不良位置侵入系统或因维修保养不当导致了污染物侵入；3）系统内部产生，这既包括系统运行时产生的磨粒，也包括油液反应生成的酸性物质、絮状沉积物等。污染物的危害主要由污染物性质决定。固体污染物进入系统后，较大的颗粒会阻塞滤器，若阻塞发生在液压泵吸口，会造成液压泵吸空，引起系统异常震动，气蚀，若阻塞发生在回油滤器，则会导致系统背压升高，回油不畅，系统动作迟滞、错误。较细的颗粒则会阻塞换向阀、阻尼孔，造成系统运行不稳定，细颗粒也会加速系统内摩擦副的磨损，破坏密封，加大内漏。空气进入系统后，最主要的问题来自2个方面：1）空气在液压系统高压、低压的变化中时而溶解入油中，时而从油液中析出，从而产生震动、噪声，造成液压元件气蚀，甚至失灵。2）改变液压油性质。一般认为，油液是不可压缩的。而相较于油液而言，空气的可压缩率极大，约为油液的一万倍。有试验数据显示，当油液中混入1%的空气后，其弹性模量即降低到纯油的35%。当混入的空气超过2%时，油液开始变浑浊，各方面性能显著降低。水分进入系统后：①会直接降低液压油的粘度。②水分与油液中物质反应生产酸性絮状物质，与金属部件反应，产生铁锈，显著增加系统故障率。③大量水分可直接导致油液乳化，使整个液压系统失效。水污染的危害在三者中最大，不单表现在其危害性上，还表现在相较固体颗粒与气体，水很难从油液中分离、清除出来。发生污染后往往需要彻底更换所有液压油，成本巨大[2]。

3液压系统污染的预防措施

液压系统污染的预防本身是一项系统工程，而且船舶液压系统有其特殊性，相较于陆地，海上的作业环境恶劣，液压系统长期暴露在高盐、高湿的环境中，各部件更容易受到污染物的侵入，海上缺少岸基支持，液压油及零部件在船上更换也较为困难。因此，船舶液压系统在设计、施工时更应从多个角度重点考虑系统防污染的问题。

3.1重视中间管系

液压系统中，如液压动力源、执行机构等主要部件

一般采购成品件，该船液压升降系统也不例外。这些部件在厂家生产线批量制作，只要能够通过船东出厂验收（FAT），通常能够保证质量，但液压泵站、阀箱、升降油缸等设备之间的液压管路均是由船厂现场制作，无法像成品件一样有良好的加工环境，容易成为液压系统污染的重要来源，该船升降系统液压管系总长度约2134m，怎样保证如此长的液压管线不对整个系统造成污染至关重要。1）管路系统在设计时对材料提出明确要求。不同材料的强度和对腐蚀的耐受程度大不相同。如果该液压系统对清洁度的要求较高，那么选用焊接性能良好、强度高、耐腐蚀的材料制作中间管系十分必要。该船升降系统所有中间管系、法兰、过度接头等均采用022cr17ni12mo2材料（不锈钢316L），相较于传统碳钢材料，其在强度、抗气蚀、耐锈蚀方面有着明显的优势，能够最大可能消除管路气蚀、锈蚀对系统的影响。2）严格控制施工工艺，良好的施工工艺是管路质量的保证。①重视内壁焊接质量，所有焊口均采用氩弧焊。管材焊接不仅要确保全焊透且通过压力测试，还要控制内部余高不能过高，不要出现焊渣、飞溅、焊瘤等情况，因其在系统油的长期冲刷下，容易产生颗粒脱落，直接影响系统安全，且内壁焊接不平滑也容易导致液压油出现湍流，造成液压油扰动，形成气泡，导致系统运行不稳定。②严格控制定型弯头使用数量，因管路与定型弯头相接的2条焊缝通常不易检查，难以控制焊接质量，所以该船升降系统管路要求在保证强度的前提下，DN150以下的管路均采用弯管工艺，避免产生多余焊缝，尽量减少风险点。

3.2优化系统油箱

油箱是液压系统的重要组成部分，也是容易造成污染物侵入和沉积的地方，其设计不仅应考虑容量、散热、透气、补油等常规要求，还应在如何防止内部产生锈渣、如何防止空气及悬浮污染物侵入，如何合理沉降、分离杂质等方面进行优化。1）该船升降系统油箱材料也选择了不锈钢316L，杜绝了油箱生锈产生内部污染的可能。2）相较于传统油箱与空气直接接触式的“呼吸”系统，该升降系统采用了配有皮囊式“呼吸”隔离装置的半封闭式油箱，以隔绝外部空气，有效降低了空气中的杂质、水汽等侵入液压系统的可能性。3）油箱上若有其他开孔全部带有隔断开关且全部具备除湿功能。4）油箱内合理的设置了隔板、将油箱分成了4个空间，通过优化布置吸油口、回油口、分区隔板和除沫网，使得液压油在油箱内形成合理的流通油道，既有利于油液降温，也保证了系统内产生的杂质能够得到有效沉降，并可以通过放残口排出。5）在适当位置布置了强磁体，对于金属磨损产生的碎屑进行吸附。

3.3重视液压油的冷却

通常液压油在40℃以下时，如果与氧气接触不多，则氧化很慢。但若油温在55℃以上时，油液中细微污染物与油液中添加剂的反应就会变得活跃，氧化加速，而氧化产物又会继续催化反应，造成恶性循环。所以将液压油温度控制在合理范围内是保证系统不生成内在污染物的关键。在船舶自重、可变载荷一定的情况下，该船液压升降系统工作的发热量也是一定的，控制油温最直接有效的方式是保证冷却器的冷却效果。相较于部分同类型系统采用风冷式冷却方式，该船液压升降系统采取水冷的方式。且考虑到液压泵站均布置在船舶机舱，周围热源较多，故冷却器设计的环境温度输入条件提升到了50℃。冷却器采用板式冷却器，材料为不锈钢，厚度不小于0.5mm，冷却介质采用淡水，这样既保证了冷却效果，又降低了冷却器受腐蚀从而污染系统的风险。冷却器换热量按理论计算换热量的1.5倍进行选型，留足了余量空间，确保了即使随设备使用，换热能力下降或在部分脏堵的情况下，依然有良好的冷却效果。冷却器设有有效的旁通保护回路，在系统误动作、油液冲击、长期侵蚀、沉积物堵塞等异常情况下保证不会发生油水混合事故。除了常规的就地温度表、压力表以外，冷却器油出口带有温度传感器，水进口带有比例阀，通过控制比例阀开度可实现对液压油温度的精确控制。冷却水进口处设有容污机构，便于清洗维护，并设有压差传感器，压差报警信号与液压油温度信号一并接入了全船监测报警系统。除了对冷却器进行重点考虑，整个冷却系统的管路及泵组也做了冗余设计，这样即使船舶连续升降过程中冷却系统出现了单点故障，也不影响冷却效果，不会因冷却系统故障而影响液压系统使用和作业安全。需要指出的是，液压油的温度并不是越低越好，该升降系统采用的是L-HM46抗磨液压油。在油温低于30℃时，粘度会有明显的增加，容易造成流动阻力增加和泵吸入真空，而且低温也容易造成湿气混入液压油。故冷却的目的不是一味追求低温，而是让油温保证在合理的范围内，系统启动前若油温过低，对液压油的加热是靠泵站油箱内置加热器完成的。

3.4对于重点部件进行特殊处理

因功能需要，部分液压原件可能会暴露在非洁净的环境中，最常见的是活塞式液压执行机构，如何使这些机构不将污染物带入液压系统也是防污染的设计重点。以该船液压升降系统为例，其升降油缸属于关键部件，与环梁一起起到支撑船舶的作用，其油缸活塞受力很大，行程较长，在伸出状态将暴露在高温、高湿、高盐的环境中，极易受到污染，当活塞杆收回油缸内时污染物则有可能被带入液压系统。除了常规的选择高品质的密封、重视装配工艺以外，该套升降系统活塞杆材料选用的是34CrNi1Mo，保证了足够的强度，并在外层采用陶瓷喷涂工艺，涂层厚度不小于300μm，孔隙率不高于2%，显微硬度在800~1000HV，结合强度不低于37MPa，该涂层极大降低了海上高盐水汽对活塞的腐蚀作用，且抗磨能力较强，避免了活塞杆因腐蚀或磨损产生金属碎屑，对该升降系统减少固体颗粒杂质的产生起了关键作用。

3.5系统中加入水分监测及分离装置

水是对液压系统破坏力较大且难以分离的污染物。一旦油液乳化，往往不可逆，一次性更换系统内所有液压油不但成本巨大，而且在海上缺少岸基支持，更换难度大，也容易造成环境污染。故对液压系统中的水分进行监测，帮助船舶轮机员提早发现问题，及早采取措施是船舶液压系统发展的新趋势。该船液压升降系统就配备了水分传感器，可实现对液压油中水含量的有效监控，该传感器既可以输出连续的模拟量信号又可以在含水量达到预定值（0.1%）时发出报警信号至全船监测报警系统。除了配有水分传感器以外，系统在设计时又引入了液压油脱水装置，从油箱单独分出1个支路连接至液压油脱水装置、进行循环分离。该装置可较好地聚集、分离油液中的水分，并可做到定时自动排水。这样既不影响主油路的流量、压力，又能将液压油中的水分含量降至最低，延长了液压油的使用时间，提高了系统的安全性。

4结语

首先，要想真正做好液压系统的防污染工作需要每个环节都严加把控。设备装配是否得当，系统串油是否达标，备品备件的防护和储存是否规范，是否按操作规程使用设备，维护保养是否到位，人员技术能力是否过关等都是船舶液压系统清洁度的影响因素，各个方面都没有短板，才能最大限度地保证系统清洁。其次，以该液压升降系统为例，防污染要求的提高，必然带来系统制作成本的增加，液压系统的设计不应一味追求绝对的清洁，而是要综合考虑系统的制造和使用成本、人员操作便利性、系统安全性等。应该持续跟踪和收集类似液压升降系统的使用情况，分析对比系统配置、故障率、液压油更换率等，找出投入产出的最优结合点，为其他船舶液压系统的设计积累经验。

参考文献：

[1]杨启正.工程机械液压传动系统故障原因及预防措施研究[J].河北农机,2021,(07):92-93.

[2]李毓洲,仇明,张永康,等.超大型风电安装船液压升降系统结构件有限元分析[J].船海工程,2020,49(04):77-81+85.

作者:郑钧 单位:交通运输部烟台打捞局