一例船舶副機(jī)活塞卡滯故障分析

青島遠(yuǎn)洋運(yùn)輸有限公司 劉廣利

一、故障情況

某船是一艘載重噸為75 928 t的散裝貨船，2001年11月28日日本豐橋船廠制造，配備日本大發(fā)柴油機(jī)株式會(huì)社制造DAIHATSU 5DK-20型副機(jī)3臺(tái)，副機(jī)汽缸5只，缸徑200 mm，沖程300 mm，額定功率440 kW，額定轉(zhuǎn)速720 r/min，副機(jī)燃用380 cSt重油。

2013年3月14日08：00，二管輪啟動(dòng)備用No.2副機(jī)并電，09：00 No.1副機(jī)解列，空轉(zhuǎn)10 min后，停機(jī)開示功考克。期間，暖缸水溫度保持66～67 ℃，預(yù)潤(rùn)滑油泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)。第二天，No.1副機(jī)周期性安全檢查系列工作：氣閥間隙調(diào)整，燃油、滑油濾器清洗，副機(jī)內(nèi)部檢查，一切正常?；屠鋮s器海水面清通，噴油器更換5只后，啟動(dòng)預(yù)潤(rùn)滑油泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。17日上午，二管輪準(zhǔn)備將No.1副機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)后作備用。盤車三四圈后沖車，第一次沖車副機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。二管輪考慮到剛換過噴油器，活塞頂部可能漏入燃油等雜物，進(jìn)行第二次沖車，副機(jī)靜止不動(dòng)。二管輪立即停止沖車，盤車檢查，發(fā)現(xiàn)副機(jī)不能盤動(dòng)。

開副機(jī)曲拐箱道門檢查，各缸滑油油流良好。檢查連桿大端，No.3缸連桿大端軸向間隙小，沒有活動(dòng)余地，懷疑No.3缸換噴油器時(shí)汽缸內(nèi)落入異物。下午，輪機(jī)人員全部下機(jī)艙，拆下No.3缸缸頭，發(fā)現(xiàn)缸套內(nèi)沒有異物只是上部積炭較多，缸套下部?jī)?nèi)壁光滑、沒有拉缸痕跡。拆下三段分體式連桿大端檢查，軸瓦光潔無損傷?；钊诟滋咨喜靠ㄗ〔粍?dòng)，無法吊出。

18日，輪機(jī)人員將活塞連同缸套一起吊出，嘗試使用冰塊、液態(tài)CO2冷卻活塞，用榔頭敲擊墊有方木的活塞頭，活塞仍不能在缸套內(nèi)上下移動(dòng)，無法將活塞從缸套中取出查找故障原因。于是，報(bào)告公司。該副機(jī)吊缸后運(yùn)轉(zhuǎn)1 803 h，排煙溫度、潤(rùn)滑油/冷卻水壓力、溫度一直正常，活塞卡滯又是在沖車過程中發(fā)生，不存在熱負(fù)荷因素，檢查缸套內(nèi)壁又無劃痕，故障原因令人困惑。

二、故障分析

鑒于該缸活塞連桿可能已經(jīng)受力過大，為安全起見公司決定將該缸缸套、活塞、連桿全部緊急訂購(gòu)備件換新。但只有找到故障的真正原因，才能保證整臺(tái)副機(jī)不出問題?？紤]到鋁質(zhì)活塞頭與鑄鐵缸套金屬材料的熱膨脹系數(shù)不同及煤油良好的滲透清洗性能，公司通知船舶將No.3缸缸套及活塞放入冷庫(kù)，冷凍24 h，倒入煤油浸泡。然后將活塞及缸套放在木板上，用榔頭敲擊方木將活塞從缸套中取出。

19日，卡死的活塞順利取出。檢查發(fā)現(xiàn)活塞的第一、第二道氣環(huán)在環(huán)槽內(nèi)被積炭卡死不動(dòng)，第三道氣環(huán)，第四、第五道刮油環(huán)正常，活動(dòng)自如。取下活塞環(huán)清潔后，檢查活塞環(huán)磨損均勻、表面光滑沒有劃痕。缸套及活塞表面也無損傷，沒有拉缸痕跡?；钊怏w，活塞銷、銷承均無異常。

換下的5只噴油器泵壓檢查，一只噴油器啟閥壓力稍低，其他都在正常范圍，No.3缸排煙溫度始終是五個(gè)缸中最低的。23日，No.1副機(jī)其他四缸活塞全部吊出，仔細(xì)檢查缸套及活塞環(huán)狀況。No.4缸活塞頭及第一道氣環(huán)活塞部分積炭較多，其他三缸正常。氣環(huán)、刮油環(huán)及彈簧裝配均正確無誤，活塞環(huán)狀況良好。

該船在巴拿馬Cristobal拋錨期間租家曾多次來電要求船舶盡量減少每日耗油量，機(jī)艙只保持主機(jī)燃油循環(huán)泵、主機(jī)淡水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。主機(jī)滑油泵只在每周試車的前一天啟動(dòng)，其余時(shí)間停掉。副機(jī)負(fù)荷一直在140~150 kW。副機(jī)工作參數(shù)見表1：

表1 副機(jī)工作參數(shù)

船舶副機(jī)額定功率為440 kW，說明書要求副機(jī)負(fù)荷低于30%額定功率時(shí)換輕油，負(fù)荷超過30%額定功率時(shí)換重油。廠家要求副機(jī)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)換輕油是因?yàn)楦睓C(jī)不像二沖程船用主機(jī)設(shè)應(yīng)急輔助鼓風(fēng)機(jī)，低負(fù)荷時(shí)增壓器效率低，掃氣效果差。低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)副機(jī)燃用輕油時(shí)產(chǎn)生的煙灰沉積物較少。如低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)副機(jī)持續(xù)燃用低質(zhì)重油，油氣混合質(zhì)量差，燃燒不良，后燃嚴(yán)重，燃燒殘?jiān)龆?，可能?huì)導(dǎo)致活塞環(huán)、噴油器、氣閥、增壓器等部件一系列故障。如DAIHATSU 6DL-20型副機(jī)明確要求“負(fù)荷低于120 kW使用輕油，高于160 kW換用重油，低于140 kW換輕油”。

現(xiàn)代柴油機(jī)提高功率最有效的手段之一是提高增壓比，渦輪增壓器能使柴油機(jī)的功率提高60%以上，燃油消耗減少5.5%左右。發(fā)電副機(jī)與增壓器一般選用最常用工況點(diǎn)如最大功率的70%以上作為匹配設(shè)計(jì)點(diǎn)。隨著增壓比的提高，增壓器與副機(jī)的匹配矛盾更加突出，渦輪增壓器難以滿足副機(jī)全工況運(yùn)行的需要，使副機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)工況惡化，燃油加熱、霧化、擴(kuò)散與空氣混合等物理變化及分子的裂化、低溫氧化等化學(xué)變化變差，滯燃期延長(zhǎng)，燃油混合氣體來不及完全燃燒。副機(jī)低負(fù)荷燃用380 cSt低質(zhì)重油會(huì)使上述不利影響加劇。

該船在巴拿馬Cristobal錨地拋錨近60天，No.1副機(jī)長(zhǎng)時(shí)間140 kW低負(fù)荷使用380 cSt重油運(yùn)行，產(chǎn)生積炭，是造成本次活塞卡滯故障的主要原因。

三、管理對(duì)策

在目前航運(yùn)市場(chǎng)低迷、運(yùn)力相對(duì)過剩形勢(shì)下，長(zhǎng)時(shí)間拋錨、漂航、停泊船舶副機(jī)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀況還會(huì)在今后較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)存在。我們應(yīng)當(dāng)做到根據(jù)不同情況區(qū)別對(duì)待，采取有效措施和管理對(duì)策確保副機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。副機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，燃燒不充分，經(jīng)濟(jì)性差，積炭嚴(yán)重，磨損大。對(duì)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)副機(jī)應(yīng)考慮采取如下措施：

（1）副機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行3～4天后，啟動(dòng)主機(jī)滑油泵、舵機(jī)油泵、錨機(jī)/纜機(jī)油泵等提高副機(jī)負(fù)荷至75%左右運(yùn)行1～2 h。

（2）縮短副機(jī)噴油器解體泵壓周期。

（3）縮短副機(jī)缸頭解體、清潔、研磨、換備用周期。

（4）透平渦輪、壓氣端沖洗適當(dāng)縮短時(shí)間。

（5）短期低負(fù)荷燃用重油運(yùn)轉(zhuǎn)副機(jī)，可啟動(dòng)主機(jī)機(jī)油泵等以增加其負(fù)荷，使負(fù)荷達(dá)到說明書燃用重油負(fù)荷稍多一定負(fù)荷（如副機(jī)50%額定功率左右）。

（6）短期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)副機(jī)，如船舶在冬季運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷過小，應(yīng)按說明書要求換輕油。

（7）選取一臺(tái)狀況較差副機(jī)用作低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)副機(jī)，避免狀況較好副機(jī)造成損壞。

（8）選取一臺(tái)接近吊缸周期的副機(jī)作低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)副機(jī)，以便到期盡快檢修。

（9）對(duì)副機(jī)滑油嚴(yán)格監(jiān)控，保持滑油品質(zhì)，定期進(jìn)行分油凈化處理。

（10）噴油提前角適當(dāng)提前1°～2°。

（11）噴油器啟閥壓力適當(dāng)增大。

下述改進(jìn)措施由船公司聯(lián)系柴油機(jī)廠家論證后，在副機(jī)長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)選用：

（1）活塞頭頂部車削，缸套上部安裝活塞清潔環(huán)（Piston cleaning ring）或防磨環(huán)（Antipolishing ring）。

（2）透平換用小噴孔噴嘴環(huán)。

（3）透平渦輪端加裝壓縮空氣管路供副機(jī)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)使用。

[1]杜榮銘.船舶柴油機(jī)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,1999.