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摘 要：针对辅助靠泊系统中主要部件应力销进行国产化研究，分析国产化的主要思路和指标，并在此基础上在典型接收站进行实际应用，总结应用情况，供推广和借鉴。
关键词：应力销;国产化;实际应用
中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）05-0065-03
1概述
辅助靠泊系统是为码头船舶靠离泊时提供安全保障的设备设施，它包含靠泊监控系统（Laser Docking System，LDS）、环境监控系统（Environment Monitor System，EMS）、缆绳应力监控系统（Mooring Load Monitor System，MLMS）、快速脱缆系统（Quick Releasing Hook System）、脱缆钩开合状态显示系统（Hook Status Display System，HSD）和船岸连接系统（Shore Ship Link System，SSL）[1]。其中缆绳应力监控系统（MLMS）中的核心部件应力销，是检测缆绳张力的传感器，由于精度要求高等要求影响，一直都是被国外所垄断。但实际使用中进口设备/备件采购周期长、造价成本高，国外技术人员维护响应速度慢等因素都对设备安全运行造成很大影响。综合分析大部分脱缆钩应力销零点漂移以及测量值失准的情况，对进口核心部件是否具有优势的讨论陆续开展，能否自行开发制造核心部件的想法逐步萌生，制造并使用自行参与研发的国产化核心部件是相关技术人员的目标。
2 应力销国产化主要思路
根据应力销使用情况调研进行分析，国产化应力销应具有以下5点要素：
（1）由于安装环境在盐分较高的海边，所以选择的材料必须具有良好的抗腐蚀性能。
（2）应力销作为脱缆钩的部分轴承，所以材料必须具有耐磨性。
（3）设计的最大载荷是安全载荷的1.5倍，所以材料的抗拉强度要高。
（4）材料的力学性能能够在金属表面均匀分布，这样可以准确的测出拉力值。
（5）国产化加工工艺保证实际使用的准确性和相关环境要求。
前四项是针对应力销的材料提出的要求，最后一项是针对应力销的加工工艺提出的要求，所以国产化研发中主要围绕这两个方面展开。
3 应力销国产化主要指标分析
3.1 应力销材料选择分析
根据应力销材料选择的抗腐蚀性、耐磨性、抗拉强度高、准确性等4个要素，优先选择不锈钢材质作为测试材料。考虑到材料的抗拉強度以及耐腐蚀等要素，根据GB/T 20878-2007对大量的不锈钢材进行材质成分和组织特点进行分析筛选后，选择了压力容器专用钢（022Cr17Ni12Mo2，又称钛钢和316L精钢）和超高强度结构钢17-4PH（05Cr17Ni4Cu4Nb）作为生产应力销的候选材质[2]。
对两种候选钢材进行不锈钢应变体受力输出试验，17-4PH的输出线性关系明确，且最大输出值符合贴片设定值，最大输出值与线性关系良好，而316L的输出线性关系存在明显的数据离散情况，而且最大输出值小于贴片设定值。经比较，17-4PH材质在经过热处理后的硬度和力学性能中的金属表面均匀分布完全优于316L材质。
在对两种材料进行疲劳度测试（见表1），在同等尺寸轴承的相同载荷下，316L材质的抗拉强度明显弱于17-4PH。17-4PH材质的受力载体能够在受力释放后立即回零，316L材质在持续受力后，其发生的弹性形变导致回零时间较长，而且在不断地疲劳测试过程中发现该形变不可逆，导致测量零漂情况很容易发生且时间加长零漂数据增大。最终决定使用17-4PH沉淀硬化超高强度不锈钢来生产受力载体。
3.2 应力销加工工艺分析
根据测量现场脱缆钩应力销的尺寸，设计的尺寸数据为Φ109.9-0.3mm，长度359.5mm，需要在应力销表面加工润滑脂导槽，由于需进行贴片工艺操作，需在电缆侧端面沿轴向中心开孔，尺寸为Φ30-0.3mm，长度190.6mm。
在国产化应力销中使用的是箔式电阻应变片[3]，它是由直径为0.02～0.05mm的康铜丝或者镍铬丝绕成栅状（或者用很薄的金属箔3～6μm腐蚀成栅状）夹在两层绝缘薄片（基底，15～16μm）中制成。
应变片贴片处理步骤主要包括：
（1）应变计准备：将待用的应变计进行外观检查和组织测量。目的在于检查敏感栅是否有短路、断路，并进行阻值分选，对于共用温度补偿的应变计，阻值相差不得超过±0.5。同一次测量的应变计，灵敏系数必须相同。
（2）构件表面清理：首先是清除表面氧化层和污垢;然后对金属构件表面进行磨平或挫平，并使用细砂纸进行打磨抛光，打磨光洁度应达到左右;对于非常光滑的构件，则需要使用细砂纸沿45°方向交叉打磨出一些纹路，以增强粘结力。打磨面积约为应变计面积的5倍左右，打磨完毕后，用划针轻轻划出贴片的准确位置。表面处理的最后一道工序是清洗，即用洁净棉纱或脱脂棉球蘸丙酮或其他挥发性溶剂对贴片部位进行反复擦洗，直至棉球上见不到污渍为止。
（3）贴片：待清洗剂挥发后，先在贴片位置滴一点粘合胶，用应变计背面将胶水涂匀，然后使用镊子轻轻拨动应变计，调整位置和角度。完成定位后，在应变计上垫一层聚乙烯或四氟乙烯薄膜，用手指轻轻挤压出多余的胶水和气泡，待胶水初步固化后即可松开。粘贴好的应变计应保证位置准确，粘结牢固，胶层均匀、无气泡和整洁干净。
（4）导线的焊接与固定：粘结剂初步固化后即可进行导线焊接，常温静态测量可使用双芯多股铜质塑料线作为导线，动态测量使用三芯或四芯屏蔽电缆做导线。应变计和导线间的连接最好通过接线端子，焊点确保无虚焊。导线与试件绑扎固定导线两端根据测点的编号做好标记。 （5）贴片质量检查：包括外观检查、电阻和绝缘电阻的测量。外观检查主要观察贴片方位是否正确，应变计有无损伤，粘贴是否牢固和有无气泡等;测量电阻值可以检查有无断路;绝缘电阻是最重要的受检指标，绝缘的好坏取决于应变计的基底，粘贴不良或固化不充分的应变计绝缘电阻值低。
（6）应变贴片及导线的防护：对已充分干燥、固化，并已焊接好导线的应变計，立即涂上防护层，使用环氧树脂进行灌胶保护。
（7）实验平台进行工厂多点标定测试：应力销在灌胶保护完成后，等环氧树脂完全凝固后在实验平台对应力销进行多点标定，及整体检查测试。
4 应用情况
根据国产化应力销改造要求，在生产制造出国产化应力销后，先在实验室进行计量标定。国产应力销的实验室标定最大误差为±2%，且为满量程标定。优于进口应力销3%的精度。表2和表3是两台国产化应力销的实际测试数据。结果证明实验测试的两台国产化应力销数据线性度很好，误差值均满足要求。
完成实验室计量标定后，两台国产化应力销在浙江LNG接收站进行实际运行测试。依照安装方式于2017年12月完成替换，安装投用的国产化应力销在2018年至今已良好运行一百多个接卸周期，依照接船期间的定期检查以及LNG船舶离泊后传感器的性能十分稳定，在全年高频次、高密度的接卸作业过程中未出现零点漂移情况。
另外根据“国产化”思想，针对辅助靠泊系统脱缆钩大部分均存在零点漂移情况，经过讨论与初步的可行性试验，确定依照实验室计量标定的仪器进行仿制，制作一套利于现场操作人员实际测试及标定的工具。此套测试工具包括一台液压油泵、一台液压千斤顶（150Ton）、一个专用模具、一个标准变量输出控制箱和一台手持终端。可以现场进行应力销标定，简单方便，配合制定合理的预防性测试，包括两台国产化应力销在内的全部应力销每个季度保证测试覆盖，根据测量数据进行分析，对于误差趋势偏大的应力销，在LNG船舶接卸过程中重点关注运行情况，切实降低维护成本。
5 总结
辅助靠泊系统应力销国产化的研究及应用大大开拓了相关进口设备国产化的思路，相比进口应力销，平均每个国产应力销可节省费用约5万元，按照目前2个国产化应力销更换成本计算，可节省约10万元。一般LNG接收站辅助靠泊系统共有28个应力销，如后续的故障更换均国产化，则可节省费用约140万元。除此之外，国产化的应力销供货周期缩短到2个月，后期维护相应可做到24小时内，另可挽回延迟接船滞港费8-10万美金/天。可将此国产化设备作为降本增效的举措供其他接收站或码头借鉴，尤其是新建接收站一次性国产化效益更大。
下一步需要进一步收集国产化应力销的使用数据，针对反馈情况优化国产应力销，尤其是选用金属材质理论数据理想，需要进一步在实际中验证优化。
参考文献：
[1] 徐承军，黄庆林，吴建曲. 船舶离靠泊辅助系统的发展与展望[J].港口装运，2020， （5）：50-55.
[2] 叶丽梅.分析热处理工艺对17-4PH不锈钢强度和组织的影响[J].世界有色金属，2017，（05）：10-11.
[3] 彭振中，虞永熙. 应力应变电测技术（一）—电阻应变片[J]. 水利电力机械，1988， （06）：52-56.
关键词：应力销;国产化;实际应用
中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）05-0065-03
1概述
辅助靠泊系统是为码头船舶靠离泊时提供安全保障的设备设施，它包含靠泊监控系统（Laser Docking System，LDS）、环境监控系统（Environment Monitor System，EMS）、缆绳应力监控系统（Mooring Load Monitor System，MLMS）、快速脱缆系统（Quick Releasing Hook System）、脱缆钩开合状态显示系统（Hook Status Display System，HSD）和船岸连接系统（Shore Ship Link System，SSL）[1]。其中缆绳应力监控系统（MLMS）中的核心部件应力销，是检测缆绳张力的传感器，由于精度要求高等要求影响，一直都是被国外所垄断。但实际使用中进口设备/备件采购周期长、造价成本高，国外技术人员维护响应速度慢等因素都对设备安全运行造成很大影响。综合分析大部分脱缆钩应力销零点漂移以及测量值失准的情况，对进口核心部件是否具有优势的讨论陆续开展，能否自行开发制造核心部件的想法逐步萌生，制造并使用自行参与研发的国产化核心部件是相关技术人员的目标。
2 应力销国产化主要思路
根据应力销使用情况调研进行分析，国产化应力销应具有以下5点要素：
（1）由于安装环境在盐分较高的海边，所以选择的材料必须具有良好的抗腐蚀性能。
（2）应力销作为脱缆钩的部分轴承，所以材料必须具有耐磨性。
（3）设计的最大载荷是安全载荷的1.5倍，所以材料的抗拉强度要高。
（4）材料的力学性能能够在金属表面均匀分布，这样可以准确的测出拉力值。
（5）国产化加工工艺保证实际使用的准确性和相关环境要求。
前四项是针对应力销的材料提出的要求，最后一项是针对应力销的加工工艺提出的要求，所以国产化研发中主要围绕这两个方面展开。
3 应力销国产化主要指标分析
3.1 应力销材料选择分析
根据应力销材料选择的抗腐蚀性、耐磨性、抗拉强度高、准确性等4个要素，优先选择不锈钢材质作为测试材料。考虑到材料的抗拉強度以及耐腐蚀等要素，根据GB/T 20878-2007对大量的不锈钢材进行材质成分和组织特点进行分析筛选后，选择了压力容器专用钢（022Cr17Ni12Mo2，又称钛钢和316L精钢）和超高强度结构钢17-4PH（05Cr17Ni4Cu4Nb）作为生产应力销的候选材质[2]。
对两种候选钢材进行不锈钢应变体受力输出试验，17-4PH的输出线性关系明确，且最大输出值符合贴片设定值，最大输出值与线性关系良好，而316L的输出线性关系存在明显的数据离散情况，而且最大输出值小于贴片设定值。经比较，17-4PH材质在经过热处理后的硬度和力学性能中的金属表面均匀分布完全优于316L材质。
在对两种材料进行疲劳度测试（见表1），在同等尺寸轴承的相同载荷下，316L材质的抗拉强度明显弱于17-4PH。17-4PH材质的受力载体能够在受力释放后立即回零，316L材质在持续受力后，其发生的弹性形变导致回零时间较长，而且在不断地疲劳测试过程中发现该形变不可逆，导致测量零漂情况很容易发生且时间加长零漂数据增大。最终决定使用17-4PH沉淀硬化超高强度不锈钢来生产受力载体。
3.2 应力销加工工艺分析
根据测量现场脱缆钩应力销的尺寸，设计的尺寸数据为Φ109.9-0.3mm，长度359.5mm，需要在应力销表面加工润滑脂导槽，由于需进行贴片工艺操作，需在电缆侧端面沿轴向中心开孔，尺寸为Φ30-0.3mm，长度190.6mm。
在国产化应力销中使用的是箔式电阻应变片[3]，它是由直径为0.02～0.05mm的康铜丝或者镍铬丝绕成栅状（或者用很薄的金属箔3～6μm腐蚀成栅状）夹在两层绝缘薄片（基底，15～16μm）中制成。
应变片贴片处理步骤主要包括：
（1）应变计准备：将待用的应变计进行外观检查和组织测量。目的在于检查敏感栅是否有短路、断路，并进行阻值分选，对于共用温度补偿的应变计，阻值相差不得超过±0.5。同一次测量的应变计，灵敏系数必须相同。
（2）构件表面清理：首先是清除表面氧化层和污垢;然后对金属构件表面进行磨平或挫平，并使用细砂纸进行打磨抛光，打磨光洁度应达到左右;对于非常光滑的构件，则需要使用细砂纸沿45°方向交叉打磨出一些纹路，以增强粘结力。打磨面积约为应变计面积的5倍左右，打磨完毕后，用划针轻轻划出贴片的准确位置。表面处理的最后一道工序是清洗，即用洁净棉纱或脱脂棉球蘸丙酮或其他挥发性溶剂对贴片部位进行反复擦洗，直至棉球上见不到污渍为止。
（3）贴片：待清洗剂挥发后，先在贴片位置滴一点粘合胶，用应变计背面将胶水涂匀，然后使用镊子轻轻拨动应变计，调整位置和角度。完成定位后，在应变计上垫一层聚乙烯或四氟乙烯薄膜，用手指轻轻挤压出多余的胶水和气泡，待胶水初步固化后即可松开。粘贴好的应变计应保证位置准确，粘结牢固，胶层均匀、无气泡和整洁干净。
（4）导线的焊接与固定：粘结剂初步固化后即可进行导线焊接，常温静态测量可使用双芯多股铜质塑料线作为导线，动态测量使用三芯或四芯屏蔽电缆做导线。应变计和导线间的连接最好通过接线端子，焊点确保无虚焊。导线与试件绑扎固定导线两端根据测点的编号做好标记。 （5）贴片质量检查：包括外观检查、电阻和绝缘电阻的测量。外观检查主要观察贴片方位是否正确，应变计有无损伤，粘贴是否牢固和有无气泡等;测量电阻值可以检查有无断路;绝缘电阻是最重要的受检指标，绝缘的好坏取决于应变计的基底，粘贴不良或固化不充分的应变计绝缘电阻值低。
（6）应变贴片及导线的防护：对已充分干燥、固化，并已焊接好导线的应变計，立即涂上防护层，使用环氧树脂进行灌胶保护。
（7）实验平台进行工厂多点标定测试：应力销在灌胶保护完成后，等环氧树脂完全凝固后在实验平台对应力销进行多点标定，及整体检查测试。
4 应用情况
根据国产化应力销改造要求，在生产制造出国产化应力销后，先在实验室进行计量标定。国产应力销的实验室标定最大误差为±2%，且为满量程标定。优于进口应力销3%的精度。表2和表3是两台国产化应力销的实际测试数据。结果证明实验测试的两台国产化应力销数据线性度很好，误差值均满足要求。
完成实验室计量标定后，两台国产化应力销在浙江LNG接收站进行实际运行测试。依照安装方式于2017年12月完成替换，安装投用的国产化应力销在2018年至今已良好运行一百多个接卸周期，依照接船期间的定期检查以及LNG船舶离泊后传感器的性能十分稳定，在全年高频次、高密度的接卸作业过程中未出现零点漂移情况。
另外根据“国产化”思想，针对辅助靠泊系统脱缆钩大部分均存在零点漂移情况，经过讨论与初步的可行性试验，确定依照实验室计量标定的仪器进行仿制，制作一套利于现场操作人员实际测试及标定的工具。此套测试工具包括一台液压油泵、一台液压千斤顶（150Ton）、一个专用模具、一个标准变量输出控制箱和一台手持终端。可以现场进行应力销标定，简单方便，配合制定合理的预防性测试，包括两台国产化应力销在内的全部应力销每个季度保证测试覆盖，根据测量数据进行分析，对于误差趋势偏大的应力销，在LNG船舶接卸过程中重点关注运行情况，切实降低维护成本。
5 总结
辅助靠泊系统应力销国产化的研究及应用大大开拓了相关进口设备国产化的思路，相比进口应力销，平均每个国产应力销可节省费用约5万元，按照目前2个国产化应力销更换成本计算，可节省约10万元。一般LNG接收站辅助靠泊系统共有28个应力销，如后续的故障更换均国产化，则可节省费用约140万元。除此之外，国产化的应力销供货周期缩短到2个月，后期维护相应可做到24小时内，另可挽回延迟接船滞港费8-10万美金/天。可将此国产化设备作为降本增效的举措供其他接收站或码头借鉴，尤其是新建接收站一次性国产化效益更大。
下一步需要进一步收集国产化应力销的使用数据，针对反馈情况优化国产应力销，尤其是选用金属材质理论数据理想，需要进一步在实际中验证优化。
参考文献：
[1] 徐承军，黄庆林，吴建曲. 船舶离靠泊辅助系统的发展与展望[J].港口装运，2020， （5）：50-55.
[2] 叶丽梅.分析热处理工艺对17-4PH不锈钢强度和组织的影响[J].世界有色金属，2017，（05）：10-11.
[3] 彭振中，虞永熙. 应力应变电测技术（一）—电阻应变片[J]. 水利电力机械，1988， （06）：52-56.