摘要：当船舶更新和扩展时，必须考虑船舶动力装置和系统的最优选择。对船舶动力装置和系统的可靠性进行综合评价，并做出正确的判断和选择。通过对船舶动力装置冷却水系统可靠性分析的操作，并与其他冷却水系统进行对比，指出在船舶动力装置和系统的选择上，不盲目追求经济性，忽视可靠性。
关键词：船舶；动力装置；冷却水系统；可靠性分析
1 前言
在船舶正常航行期间，船舶动力装置产生的大量热量由冷却水系统传递给海水，确保船舶柴油机可靠运转。如果冷却水系统出现故障，那么船舶动力装置就不可能正常运转，船舶就会出现危险。船舶动力装置的冷却水系统有开式海水系统、闭式淡水冷却系统和中央冷却系统等3种。开式海水系统是用海水作为冷却剂冷却淡水、滑油、增压空气和空压机等。系统的基本组成是海底阀、冷却器和大排量海水泵。这种系统由于海水管系过长，腐蚀问题严重，目前船舶已不再使用这种冷却水系统。闭式冷却水系统用淡水冷却船舶动力装置，然后用海水强制冷却淡水和其他载热流体（如滑油、增压空气等）。这种冷却水系统相对开式海水系统来说，海水管系减少，曾经在船上得到广泛应用。
中央冷却系统的基本特点是使用不同工作温度的两个单独的淡水循环系统，即高温淡水（温度约80℃～85℃）和低温淡水（温度约30℃～40℃）闭式系统。前者用于冷却主柴油机，后者用于冷却高温淡水和其他载热流体。这种冷却水系统由于海水管系大大减少，而且冷却水温度稳定，因而在现代化船舶中，大多采用中央冷却系统。本文分析的船舶动力装置冷却水系统就属于中央冷却系统。
该船在清洗中央冷却器时，已经换好阀门，并开始放掉板式冷却器中的积水，可是放了好长时间，积水还是放不完，这时轮机人员意识到不对，估计冷却器的阀门关不死，随后关闭放水阀门。经检查发现，膨胀水柜里面已没水，随着补水和再检查发电柴油机运行技术参数，发现缸套冷却水出口温度已98℃。后来该船在厂修时，发现中央冷却器上所有的阀门都关闭不严，只好彻底换新。这次幸亏发现及时，否则发电柴油机长时间断水将造成恶性机损事故。这个问题弊端就在于主、副柴油机公用一个冷却水系统。如果发电柴油机有独立的冷却水系统，
就不会发生类似的事故，还可以增加船舶动力装置的可靠性，增加船舶航行的安全系数。不过发电柴油机采用独立冷却水系统后，会增加船舶初投资费用。在可靠性和经济性发生矛盾时，首先要保证可靠性。本文着重分析船舶冷却水系统不同设计的可靠性。
2 可靠性的特征值
可靠性是体现产品耐用和可靠程度的一种性能，是在设计时赋予产品的固有特性之一。最佳可靠性的确定和保证是产品设计和制造的首要任务。在运行期间可靠性随时间变化而降低，可以通过可靠性理论来分析，并进行概率统计。可靠性的定义只是一个定性的概念，在研究可靠性问题时，还需有定量的指标。可靠性用概率表示时称为可靠度，用R（t）表示。可靠性可以通过可靠性特征值来定量表示。这4个可靠性的特征值[9]为故障概率Q（t）；完好概率R（t）；故障时刻的概率密度f（t）；故障率λ（t）。
故障概率用分布函数Q（t）=P（tA≤t）来表示，而1台机组、1个组件等的故障时刻tA是一个随机量。对于1个被测单元的状态，只有2个偶然事件:故障和完好。因此故障概率和完好概率是互补概率，即Q（t）+R（t）=1；而可靠性通常采用完好概率R（t）来表示，即R（t）=1-Q（t）；相应的分布函数为R（t）=P（tA>t）。这样Q（t）为在区间（0，t）内故障的概率，而R（t）为在某时刻t后的故障概率。
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3 可靠性的随机分析
假设船舶动力装置的冷却水系统发生故障为1起事件A，N（t）表示到某一时刻t为止已发生的事件A的次数，那么事件A的次数N（t）是个随机变量，我们称随机过程{N（t），t≥0}为计数过程。实际船舶动力装置冷却水系统发生故障的次数总是大于或等于零的，而且都是正整数值。当时间t=0时，船舶动力装置冷却水系统发生故障的次数N（0）=0，并且随着时间t的延长，故障次数N（t）越来越大，亦即当时间s<t，则N（s）≤N（t），而且N（t）-N（s）等于区间[s，t]中发生的事件A的次数。该计数过程{N（t），t≥0}在不相重叠的时间间隔内，事件A发生的次数是相互独立的，即当t1<t2≤t3<t4，则在[t1，t2]内事件A发生的次数N（t2）-N（t1）与在[t3，t4]内事件A发生的次数N（t4）-N（t3）相互独立，并且仅与时间差有关，与某一时刻t无关，此时该计数过程{N（t），t≥0}是1个平稳独立增量过程。所以计数过程{N（t），t≥0}可以用泊松过程进行描述。又根据泊松过程的定理可以知道，如果{N（t），t≥0}是具有参数λ>0的泊松分布，{Tn，n≥1}是对应的时间间隔序列，则随机变量Tn（n=1，2，…）是独立同分布的均值为1/λ的指数分布。则:ETn=1/λ=TL。
4 系统可靠性随机分析
通常情况下，船舶动力装置的系统都是由许多单元组成的，每个单元都有各自的作用。一般把系统分为冗余和非冗余两种。在非冗余系统里，系统中的每个单元互相串联，系统在运行过程中，每个单元都必须投入工作，亦即系统中的每个单元都必须完好，整个系统才能工作。假设Ri（t）为常数，由概率运算的乘法定律可知系统的完好概率假设某一系统单元有m个备用元件，即所有并联元件有m+1个，并假设所有并联元件具有相同的停机概率Qi。现假设系统中每个单元的完好概率Ri0都为0.9，即R10=R20=R30=0.9；则整个系统的可靠性为:R=88%；在冗余系统中，系统一般有一个或多个单元组成，所有单元里至少具有一个或多个备用元件，备用元件与系统其他元件并联而成。假如该船主、副柴油机没有公用一个冷却水系统，具有各自独立的冷却水系统，则可把该船舶安全航行。现假设系统中每个单元的完好概率Ri0都为0.9，即R10=R20=R30=0.9；则整个系统的可靠性为:R=97%；从此例可以看出，冷却水系统如果采用冗余系统，那么船舶动力装置的可靠性提高了很多。所以在判断和选择船舶动力装置系统时一定要考虑到各个系统的冗余情况。当然，采用冗余系统也一定要考虑到初投资费用和散热性。
当船舶主柴油机在运转时，会产生和耗散出大量的热；随着这些热量的逐步累积，将会出现金属疲劳、脆化以及润滑油失效等情况。相反，当船舶主柴油机受到过度的冷却时，设备达不到正常工作的温度，其运行将不稳定：由于不完全燃烧，一氧化碳及碳氢化合物等废气排量增加；润滑油黏度过大，摩擦消耗功率增加，不易传热，冷却作用差，气缸受到的磨损将成倍加剧。船舶主柴油机缸套的故障主要来自于其受到非正常磨损以及产生出的裂纹。目前，主机缸套如经过缸套水冷却系统合理有效的冷却，可以极大的减少受到的磨损，同时，缸套低温腐蚀、高温腐蚀甚至热应力等一系列问题，也会随着主机缸套温度更为精确的控制而减少。可以说，在某种意义上，船舶主机的性能，直接决定于主机冷却水系统的性能好坏。
5 结束语
从船舶电站冷却水系统的可靠性分析，适当的冗余系统可以提高船舶航行安全的可靠性。因此，在判断和选择船舶动力装置系统时，有必要在保证船舶可靠性的前提下，采用适当的冗余系统来考虑经济和其他要求。
参考文献
[1]陈逸明.船舶主机冷却水温度控制系统的故障分析及设计改进[J].中国水运(下半月)，2015，15(07):113-118.[2017-09-07].
[2]张亦弛，毛佳炜.8000kW系列海洋救助船冷却水系统设计与优化方案探讨[J].船舶设计通讯，2014，(01):67-73.[2017-09-07].
论文作者:张志坤,李海朋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第30期
论文发表时间:2018/1/7
标签：系统论文; 冷却水论文; 船舶论文; 可靠性论文; 概率论文; 装置论文; 动力论文; 《基层建设》2017年第30期论文;