船舶用モーターハウジング: 防食および設計ガイド

海上使用条件に合わせた材料の選択

ハウジングの材質の選択により、コーティングを施す前のベースラインの耐食性が決まります。船舶用モーターの構造では 3 つの材料カテゴリが支配的であり、それぞれが異なる船舶ゾーンや動作条件に適しています。

保護コーティングを施した鋳鉄

ねずみ鋳鉄 (GJL-200 または GJL-250 グレード) は、コストと十分な性能のバランスを考慮したエンジン ルームやポンプ コンパートメントにおける船舶用モーターのハウジング材料として依然として最も一般的です。この材料は優れた振動減衰を実現します。グラファイトフレーク構造が振動エネルギーを吸収します。 鋼の5～10倍 -ノイズの伝達を低減し、ステーターコアを疲労亀裂から保護します。鋳鉄の限界は、塩水浸漬条件下で黒鉛腐食を受けやすいことであり、鉄母材が優先的に腐食し、脆弱な黒鉛骨格が残ります。海洋仕様の鋳鉄ハウジングは、多層コーティング システムでこれに対抗します。つまり、亜鉛を豊富に含むエポキシ プライマーが陰極防食を提供し、続いて高ビルド エポキシ中塗りが行われ、2 成分ポリウレタン トップコートで仕上げられます。乾燥膜の合計厚さは通常、 250～350μm ISO 9227 に基づく塩水噴霧耐性は次を超えています。 1,000時間 スクライブクリープが 3 mm に達する前に。このコーティングパッケージと定期的な淡水洗浄を組み合わせることで、鋳鉄ハウジングは船舶の運用寿命の間、機械スペースで確実に機能することができます。

デッキおよびオープンエリア用途向けのステンレス鋼

オープンデッキ、海上プラットフォーム、荷役エリアなどで直接風雨にさらされるモーターには、ステンレス鋼のハウジングが必要です。グレード 316L (EN 1.4404) オーステナイト系ステンレス鋼は標準的な船舶仕様であり、 2～3% モリブデン 塩化物環境での耐孔食性を実現します。 316Lの耐孔食相当数（PREN）は、 24–26 ;海洋環境では、長時間の浸漬サービスには最低 32 の PREN が必要ですが、スプラッシュ ゾーンより上のデッキ取り付け機器は、定期的な淡水洗浄と組み合わせた場合、316L レベルで適切に機能します。ステンレス鋼のハウジングは、コーティングの劣化による故障モードを完全に排除しますが、ガスケット表面の隙間腐食や、停滞した海水によって塩化物が集中するボルト穴など、別のリスクが生じます。適切な設計では、傾斜した排水路と、すべてのステンレス鋼製ファスナーに二硫化モリブデン焼き付き防止剤を使用して組み立て中のかじりを防止することで、この問題を軽減します。

重量に敏感な設置用のアルミニウム合金

重量が燃料消費量と安定性に直接影響を与える高速船、海軍艦艇、海上ヘリコプターの甲板では、鉄材料の代わりに船舶用アルミニウム合金が使用されています。合金 EN AW-6082 (AlSi1MgMn) の降伏強さは次のとおりです。 250～280MPa T6 焼き戻しでは、鋳鉄の約 3 分の 1 の重量です。不動態の酸化アルミニウム層が自然に形成されることで固有の耐食性が得られますが、銅や鉄の汚染物質が存在すると、この層は塩化物の存在下で破壊されてしまいます。船舶用アルミニウムハウジングには、厚さの硬質陽極酸化処理が必要です。 25～50μm またはアルミニウムを直接の塩との接触から隔離するための二液性エポキシコーティングシステム。アルミニウム ハウジングの設計上の重要な考慮事項はガルバニック絶縁です。湿気の存在下でアルミニウム ハウジングとスチール製の取り付けボルトまたは青銅のケーブル グランドが直接接触すると、ガルバニック セルが形成され、そこでアルミニウムが犠牲的に腐食されます。すべての異種金属インターフェースには、絶縁ワッシャー、ナイロン ボルト スリーブ、誘電体ガスケットが必須です。

海洋条件に対応した侵入保護と密閉

船舶用モーターのハウジングは、IP (侵入保護) 試験ラボよりもはるかに厳しい条件下で水や粒子の侵入を防止する必要があります。塩分を含んだ湿気、高圧のデッキ洗浄、時折の緑水浸漬の組み合わせにより、船級協会の最小要件を超えるシーリング設計が必要になります。

シャフト シールは湿気を排除しながら連続回転に対応する必要があるため、最も脆弱な侵入点となります。船舶用ハウジングは、外側に V リングまたはラビリンス シールを組み合わせて使用​​しており、シャフトが回転する際の遠心力作用によって大量の水や汚染物質をそらします。また、エラストマーが圧縮永久歪みを起こした後でも接触圧力を維持するステンレス鋼のガーター スプリングを備えたリップ シールで裏打ちされています。特に過酷な場所では、O リング静的シールとラビリンス動的シールを備えたベアリング アイソレーターが磨耗のない非接触保護を提供し、モーターのサービス期間全体にわたって IP 定格を維持します。

危険区域における防爆住宅の要件

石油タンカー、FPSO 船、ガス運搬船、海洋掘削プラットフォームでは、モーター ハウジングは、内部の火花やアークが周囲の可燃性雰囲気に点火するのを防ぐ必要があります。この要件により、ハウジングは単純な保護エンクロージャから精密に設計された圧力容器に変わります。防爆 (Ex-d) 船舶用モーター ハウジングは、指定されたガス グループ (通常は、 IIB (エチレン) または IIC (水素/アセチレン) 最も要求の厳しいオフショア用途では、完全にハウジング内に収められています。ハウジングとそのエンドシールドの間に精密に機械加工された隙間である火炎経路は、接合部から漏れる高温ガスが到達する前に外部大気の発火温度未満に冷却されるように、十分な長さと十分な密閉性が必要です。 IIC ガスの場合、このギャップは次のように制限されます。 最大0.15～0.20mm 最小フレームパス長は 13～25mm 内容積により異なります。これらの公差には、認定前にハウジング接合面の CNC 加工と 100% の寸法検査が必要です。

また、ハウジングは永久変形することなく爆発圧力に耐える必要があります。静水圧試験 最大爆発圧力の1.5倍 通常、IIB の場合は 15 ～ 20 bar、IIC エンクロージャの場合は 25 ～ 30 bar - 構造の完全性を検証します。船舶用防爆ハウジングは、塩害により数十年の使用で断面の厚さが減少する可能性があることを考慮して、肉厚を追加することでこれらの最小値を超えることがよくあります。端子ボックスは個別の Ex-e (安全性の向上) または Ex-d 認証を受けており、ケーブル エントリ グランドは個別に認証され、正しいシール ワッシャーと圧縮リングで組み立てられています。各ハウジングには、ガスグループ、温度クラス、および認証機関の参照番号を記載した認証プレートが付いています。このプレートは、塩分にさらされてもモーターの寿命の間は判読できる必要があり、印刷されたアルミニウムラベルではなくエンボス加工されたステンレススチールが必要です。

海洋の密閉空間における熱放散

船舶用モーターのハウジングは、陸上モーターではめったに遭遇しない熱設計の課題に直面しています。外気温度が日常的に上昇する機関室で作動します。 45～55℃ 、稼働中の機械によってすでに加熱されたスペースから冷却空気が引き込まれます。ハウジングは、巻線温度を絶縁クラスの制限値未満に維持しながら、すでに高温になっている環境に対して、モーターの内部損失 (銅線 I²R 損失、鉄心損失、摩擦損失と風損損失) を排除する必要があります。クラス F 絶縁 (155°C ホットスポット) の場合、周囲 45°C での許容温度上昇は次のとおりです。 105K しかし、海洋設計者は通常、冷却通路の汚れや一時的な過負荷に備えて、クラス H (180°C) 断熱材を備えたクラス F の上昇を目指しています。

ハウジングは、外部冷却リブまたはフィンを介して熱放散に貢献し、対流および放射熱伝達に利用できる表面積を増加させます。適切に設計された船舶用モーターハウジングは、有効冷却表面積を増加させます。 200～400% 同じ寸法の滑らかな円筒形のエンベロープと比較して、リブを介して。リブのプロファイル (高さ、間隔、方向) は、冷却性能を低下させ腐食を促進するリブ間の塩分や塵の蓄積と熱伝達のバランスをとらなければなりません。より大きい間隔を持つ垂直方向のリブ 15mm 破片の捕捉を最小限に抑えながら、自然対流によって熱を上に運びます。 TEFC (全閉ファン冷却) 船舶用モーターでは、外部シャフトに取り付けられたファンがリブ付きハウジング表面に軸方向に空気を吹き付け、対流熱伝達係数をおよそ 自然対流の場合は 5 ～ 10 W/m²K ～ 30 ～ 50 W/m²K 。ファン カウルは熱管理システムの一部となり、気流がハウジングをバイパスするのではなく、すべてのリブに均等に流れます。

構造剛性と耐振動性

船舶用モーターのハウジングは、陸上のモーターでは決して経験しない負荷の下でも寸法安定性を維持する必要があります。船舶の船体は波を通過する際に継続的に曲がり、たわみの振幅は最大に達します。 2～5mm 共通のベッドプレートに取り付けられた大型モーターの長さ全体に渡ります。ハウジング構造は、ステータのボアを歪めたり、ロータとステータの空隙を変えたりすることなく、このたわみに耐える必要があります。一体的に強化された取り付け脚と、脚をステータ フレームに接続する内部リブを備えたハウジング鋳造は、溶接加工よりもねじり変形に強く、繰り返し荷重がかかると溶接止端部で疲労亀裂が発生する可能性があります。船級協会は次のように振動試験を義務付けています。 IEC 60034-14 、振動速度制限は 標準モーターの場合は 2.8 mm/s RMS、精密天びんアプリケーションの場合は 1.8 mm/s 。海洋環境でこれらの制限を満たすには、剛性の高いハウジングだけでなく、ローター ベアリングをステーター ボアと同心に配置するエンド シールドの正確な位置合わせも必要です。 表示振れ合計0.05 mm .

耐衝撃性は、特に水中での爆発や波打ちの荷重にさらされる海軍船舶や海洋プラットフォームでは、さらなる構造要件を追加します。 MIL-S-901D 衝撃試験または同等の分類協会の衝撃基準では、モーター ハウジングが加速パルスに耐えることを要求しています。 20～50g 構造的完全性や機能的性能を損なうことなく。これらのテストに合格したハウジング設計には通常、応力集中ゾーンでの肉厚の追加、鋭角ではなくセクション間の丸みを帯びた移行部、および低温でのシャルピー衝撃値が保証された材料仕様が組み込まれています。これは、鋼が延性破壊挙動から脆性破壊挙動に移行する北極海で運航する船舶にとって重要です。

船級協会と規制遵守

船舶用モーターハウジングを単に船舶用と主張することはできません。船舶を検査する船級協会からの文書化された証明書を携行する必要があります。主要な協会であるロイド レジスター、DNV、ビューロー ベリタス、アメリカ海運局、ClassNK は、筐体の設計、材料、製造品質管理、性能試験を検証する型式承認プログラムを維持しています。承認プロセスでは、ハウジングの寸法を示す詳細な図面、使用される金属の各熱に対する材料証明書、重要な溶接または鋳造の非破壊検査レポート、および立会いによる性能テストの提出が必要です。モーターが目的の用途に適していることを社会が検証しなければならないという意味で、型式承認は船舶ごとに異なります。機関室の換気ファン用に承認されたモーターは、可燃性蒸気が存在する可能性のある貨物ポンプ室には自動的に受け入れられない可能性があります。

船級協会の規則を超えて、船舶用モーターのハウジングは以下に準拠する必要があります。 SOLAS (海上における人命の安全) 規制と IEC 60092 船舶の電気設備のシリーズ規格。これらは、陸上の IEC 60034 規格とは異なる、接地端子、ケーブル グランドの配置、端子ボックス内の沿面距離と空間距離に関する特定の要件を義務付けています。ハウジングの設計には、専用の内部アース導体または金属ハウジング構造を通る試験済みのアース経路を組み込む必要があり、アクセス可能な金属部分から主アース端子までの抵抗が以下を超えないものとする必要があります。 0.1オーム 。端子ボックスは、指定されたケーブル タイプの曲げ半径に対応できるサイズにする必要があります。これは一見些細な点ですが、これを見落とすと、ケーブル グランドの適切な密閉が妨げられ、設置の瞬間からハウジングの IP 定格が無効になります。

船舶用モーターハウジングの検査とメンテナンス

最も耐食性の高いハウジングであっても、その設計寿命を延ばすためには構造化された検査体制が必要です。海洋調査員と船舶技術者は、主要な調査間隔ごとに住宅を検査する状態ベースの監視アプローチに従っています。通常は、 貨物船の場合は 1 年ごと、旅客船の場合は 2 ～ 3 年ごと 乾ドック中。検査チェックリストは、ハウジングの保護機能を体系的に扱います。つまり、ISO 4628 規格によって錆びや膨れについて評価されたコーティングの完全性、物理的な圧縮永久歪測定によって検証されたガスケットの状態、隙間ゲージを使用して防爆ハウジングの火炎経路の寸法が再チェックされ、元の認証記録と比較され、接地導通抵抗が測定および記録されます。地金が露出するようなコーティングの破損は、新しい塗膜の下に活性な腐食セルを残す化粧品のオーバースプレーではなく、元の仕様に戻す必要があります。ドレンプラグは取り外して掃除する必要があります。ブリーザードレンの詰まりは、設計どおりに排水できずにハウジング内に水を閉じ込めてしまうため、内部結露による損傷の主な原因となります。築 20 年を経過した船舶のよくメンテナンスされた船舶用モーター ハウジングでは、構造上の金属の損失がなく、元の試運転記録からエアギャップの偏心量が測定可能なほど増加しておらず、アースの導通値が工場の試験証明書から変更されていないことが確認されます。