船用柴油機起動空氣管系零部件設計分析

焦 雷，王 軍，李 娟

（1. 上海中船三井造船柴油機有限公司，上海 201306；2. 中船動力研究院有限公司，上海 200129；3. 上海航誼潤滑油有限公司，上海 200122）

0 引 言

船用柴油機自身不能起動，必須依靠外力作用使柴油機運轉起來。柴油機起動所用的外力常常包括以下幾種：人力、電力、氣力或液壓等，船用柴油機通常采用壓縮空氣的起動方式，通過壓縮空氣作用在活塞上，推動活塞上下往復運動，依靠活塞、連桿的傳遞作用，最終使曲軸轉動起來[1]。本文討論了船用柴油機壓縮空氣起動所涉及的起動空氣管系相關零部件的設計。

1 起動空氣管系的設計壓力

起動空氣管系最大工作壓力為3MPa，設計壓力為3MPa，設計溫度為50℃，根據CCS船級社規(guī)范關于管系等級的劃分，該起動空氣管系應為II級管系，因此，起動空氣系統(tǒng)所用管子及彎頭必須具有船級社檢驗證書。

需要特別說明的是，MAN（曼恩）公司的專利柴油機起動空氣管系設計壓力為3MPa，但是，根據船級社規(guī)范，“管系的設計壓力是管系最高許用工作壓力，應不小于管系中安全閥或溢流閥的最高設定壓力”[2]，起動空氣管系中爆破片的設置實際上是起到安全閥或溢流閥的作用，故實際起動空氣管系設計壓力應大于等于爆破片的爆破壓力6MPa。MAN公司在此處采用了一個巧妙的設計，考慮到爆破片爆破的發(fā)生概率較?。ㄆ饎娱y泄漏時燃氣沖入到起動空氣管中會發(fā)生），同時，該管系的液壓試驗壓力已經相應的提高到7MPa，所以，起動空氣管系的設計壓力仍采用3MPa，這在設計原理上也是合理的，同時也會節(jié)約制造成本。起動空氣管系的設計溫度定為50℃，管內空氣溫度值主要依據船級社規(guī)范“管系的設計溫度應取管中流體的最高溫度，但應≥50℃”而確定的。

主起動空氣管中應設置放氣管?？稍诳拷髌饎娱y的位置設置一個放氣管，用來緩慢放掉起動結束后起動空氣管中的殘余空氣，該放氣管是常開的，見圖1。MAN柴油機設計方式主要有兩種：如果放氣管采用φ8×1.5mm的管子，一般會在起動空氣管端部和主起動閥處設置兩根放氣管，如果放氣管采用φ20×2mm的管子，一般只有在主起動閥處設置一根放氣管。而W?rtsil?（瓦錫蘭）柴油機放氣管上還裝有一個球閥，該球閥在起動過程中處于關閉狀態(tài)，起動完成后一般需要打開該閥放掉管內的殘余空氣或者凝水。

2 起動空氣管系法蘭的設計與選用

由于起動空氣管系的設計壓力是3MPa，因此，起動空氣管系用法蘭公稱壓力必須≥3MPa。起動空氣管系法蘭選用的常用標準為：GB/T9115.1 4MPa、CBM1016-81或CBM1017-81等3種標準。

GB/T9115.1標準的法蘭技術條件要滿足GB/T9124標準要求，因此，該標準法蘭的公稱壓力為4MPa，在工作溫度<100℃時，最高無沖擊工作壓力為 4MPa。而 CBM1016-81、CBM1017-81標準的法蘭技術條件要滿足CBM1022-81標準，根據該標準參照其鑄鋼法蘭，在工作溫度<200℃時，該法蘭的最高工作壓力為3MPa。而比較GB/T9115.1 RFDN-40和CBM1017-81兩種標準相同公稱通徑的法蘭發(fā)現(xiàn)，在材料相同時，影響法蘭工作壓力的主要尺寸—法蘭厚度，CBM1017-81標準的法蘭明顯比GB/T9115.1 RFDN-40要厚，這就是說CBM1017-81標準的法蘭工作壓力可以比GB/T9115.1標準的法蘭高?，F(xiàn)以公稱通徑DN100為例，對這兩種標準規(guī)格的法蘭相關尺寸進行比較（見圖2和表1）。由此可見，兩者之間的尺寸差別。

圖1 啟動空氣管系放氣管設置

圖2 CBM1017-81和GB/T9115.1標準的對焊法蘭

表1 CBM1017-81和GB/T9115.1標準的對焊法蘭相關尺寸比較

由于CBM1016-81、CBM1017-81標準的法蘭都是根據日本工業(yè)法蘭標準編制的，而根據JIS B2220法蘭標準，在120℃以下時，30K法蘭的最高工作壓力可以達到5.1MPa，這也就從側面說明了CBM1016-81、CBM1017-81標準的法蘭最高工作壓力可以比GB/T9115.1更高。因此，對于CBM1022-81的標準需要進行部分修訂，以便滿足設計要求，否則，采用日本圖紙進行國產化設計選用相應CBM標準時，法蘭設計選用就需要特別注意，以免出現(xiàn)設計壓力未能達到原設計要求的設計錯誤。

選用突面法蘭時，如果采用非金屬密封墊片，法蘭密封面可以根據需要加工水線，相關尺寸可以參照CBM1002-81或HG20624標準，見圖3和表2。

圖3 突面法蘭的水線

表2 突面法蘭的水線尺寸

3 起動空氣管系的壓力試驗

MAN系列柴油機起動空氣管液壓試驗壓力為7MPa，這與正常的管系試驗壓力為1.5倍的設計壓力有著較大的出入。究其原因發(fā)現(xiàn)，MAN公司在起動空氣管系中設置了爆破片，其爆破壓力是6MPa（因為MAN試驗發(fā)現(xiàn)起動閥突然關閉時會對起動空氣管路造成一定的沖擊，這時的沖擊壓力可以瞬間達到5MPa，因此，MAN設置爆破片的爆破壓力為6MPa），然而，在起動閥損壞（泄漏）造成大量高壓燃氣竄入起動空氣管的情況下，為避免起動空氣管損壞，要求起動空氣管必須滿足7MPa壓力的要求，為此，MAN柴油機設定起動空氣管的液壓試驗壓力應高于爆破片的爆破壓力，定為7MPa。

由于起動空氣管系所用法蘭的公稱壓力為4MPa，根據GB/T9124或ISO7005的標準要求，管法蘭原則上不進行單個法蘭的水壓試驗，當法蘭安裝到管道或設備上后，其水壓試驗壓力應不得大于規(guī)定的20℃時的最高無沖擊工作壓力的1.5倍，并圓整到整數(shù)值，因此采用4MPa公稱壓力法蘭的起動空氣管試驗壓力應≤6MPa，而圖紙規(guī)定液壓試驗的壓力為7MPa，顯然超過了法蘭的壓力試驗要求，很難以標準GB/T9124或ISO7005規(guī)定作出合理的解釋，只能說明MAN設計采用了犧牲法蘭安全系數(shù)的方法，以達到成本較低的目的。但是這種做法從售后服務經驗及高壓燃氣竄入起動空氣管中的概率來看也是基本合理的，并且明顯地降低了制造成本。

4 起動空氣系統(tǒng)安全裝置設置

根據船級社規(guī)范要求，“在通往柴油機的起動空氣管路上，應設有截止止回閥或等效設施，以保護壓縮空氣管路不受氣缸內爆炸氣體的影響。對于氣缸大于230mm的柴油機起動空氣系統(tǒng)應安裝爆破片或阻火器或其他等效裝置。對于可直接換向的柴油機，裝于每一個起動閥處，對于不可換向的柴油機則可裝于起動空氣總管上”[2]。

為了防止起動閥損壞時高溫高壓燃氣竄入起動空氣管中引起爆炸等不良后果，W?rtsil?柴油機每缸的起動閥進氣管上設置了一個阻火器（火焰限制器見圖4），阻火器又名防火器，阻火器的作用是防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設備、管道內或阻止火焰在設備、管道間蔓延。在起動空氣管的總管末端設置了一個安全閥，見圖5，安全閥開啟壓力為3.3±0.2MPa。這兩個裝置的設置可以防止火焰的蔓延以及非正常情況下壓力的釋放，保護起動空氣管路及設備。

MAN系列柴油機對起動空氣管路設置了相應的安全措施，主要是在每缸起動閥的進氣管上加裝了一個爆破片（爆破壓力為6MPa），如果起動空氣管路中壓力超過爆破片的爆破壓力，爆破片就會破裂，釋放高壓氣體。W?rtsil?和MAN兩種類型的柴油機都按照要求設置了截止止回閥，即主起動閥。MAN柴油機在防爆片出口處還加設了安全罩。加設該裝置的目的是如果安全罩內的爆破片因起動空氣管路中壓力過高而損壞，那么就需要檢修或更換爆炸過的爆破片。此時，如果船上沒有新的爆破片可以使用，起動柴油機時，為了防止大量壓縮空氣從爆破片處泄漏，則可以轉動相應缸上的安全罩（見圖6、7），并在更換新的爆破片后應將安全罩轉回開啟位置。安全罩上還加設了厚度為 0.5mm的鋼板，用來罩住安全罩上的一個出氣孔，便于快速判斷爆破片是否已經損壞，及時獲得柴油機故障信息。正常情況下該鋼板是緊貼安全罩殼體，但是如果發(fā)現(xiàn)該鋼板已經翹起，或被吹離較大的角度，則應檢查爆破片是否已經損壞。

圖4 阻火器

圖5 安全閥

圖6 安全罩正常工作位置

圖7 安全罩應急位置

雖然在起動空氣管路中加設了上述安全裝置，但是這些措施也不能完全避免起動空氣管中的著火或爆炸發(fā)生，主要原因是在起動空氣管路中由于空氣壓縮機出來的滑油的集聚，同時伴隨著起動閥的故障，著火或爆炸就可能依下列次序發(fā)生：

1) 高溫高壓燃氣經被卡住或泄漏的起動閥滲漏，在起動空氣管路中產生易燃的混合氣體；

2) 混合氣體可能從動力氣缸處點燃；

3) 火焰通過起動閥和起動空氣管蔓延；

4) 取決于壓力、溫度和起動空氣管路中潤滑油集聚量和氣體量的大小，著火或爆炸就可能隨之而來。

由于爆炸是以非常高的速度傳遞，并且沖擊波產生非常高的局部壓力，所以對起動空氣管路具有顯著的破壞作用。因此，當形成引發(fā)爆炸的條件時，安全閥或爆破片也無法阻止起動空氣管路的破裂，這就必須采取以下措施更好地避免起動空氣管路的破裂：

1) 在柴油機正常運行期間排空起動空氣管路中的空氣，所以起動空氣管路應有常開的放氣管；如為帶球閥的放氣管，起動完成后需要排空，確保管內無壓力；

2) 建議使用無油潤滑空氣壓縮機。

柴油機運轉中，如果一個起動閥出現(xiàn)故障或泄漏，則相應的起動空氣管會發(fā)燙，在這種情況下，可以用手檢查確認是否發(fā)燙來判斷起動閥的故障。如果在起動閥的進氣管上噴涂一段示溫涂層，通過示溫涂層的顏色變化及時觀察發(fā)現(xiàn)哪一缸的起動閥故障，以便采取措施，見圖8。

圖8 示溫涂層

5 爆破片厚度計算

爆破片是壓力容器、管道的重要安全裝置。它能在規(guī)定的溫度和壓力下爆破，釋放壓力，保障生命和財產的安全。按照結構型式分類，爆破片主要有3種，即平板型、正拱型和反拱型。平板型爆破片的綜合性能較差，主要用于低壓和超低壓工況，尤其是大型料倉。正拱型和反拱型的應用場合較多。傳統(tǒng)的正拱型爆破片，其工作原理是利用材料的拉伸強度來控制爆破壓力，爆破片的拱出方向與壓力作用方向一致，反拱形正好相反。MAN系列柴油機設計的爆破片為平板型爆破片。

根據《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》附件8中公式計算爆破片的厚度，即S=PBD/K[3,4]

式中：S——爆破片初始厚度，cm；PB——爆破片設計時確定的爆破壓力，MPa；D——爆破片夾緊直徑，mm；K——系數(shù)。

《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》還指出，上式適用于平板型、正拱型爆破片，對于銅材料，溫度<200℃，可取K=7.7×103～8.8×103，如材料經過完全退火，片厚較薄，K應取較小值，此處K可以取K=7.7×103。隨即可計算出爆破片的厚度，以某機型爆破片為例，該爆破片圖紙設計厚度為0.4mm，爆破壓力為6MPa，爆破片夾緊直徑為51mm。以上數(shù)據代入公式中可以得出：

S=PB D/K=6×51/7.7×103=0.0397403cm=0.397403mm

通過該公式計算的厚度與圖紙設計厚度非常吻合。爆破片厚度的其他計算方法也可以參照參考文獻[4]。

由于相同材料不同批次可能會產生一定的強度差別，同時根據實際生產情況發(fā)現(xiàn)，完全按照厚度為0.4mm制造的爆破片爆破壓力會與6MPa存在較大的差距，故實際生產中往往是以厚度尺寸為參考，主要通過試驗保證爆破壓力的數(shù)值（厚度可以存在一些偏差）。

6 起動閥安裝

根據起動閥安裝圖紙（見圖9），起動閥必須按照以下4個步驟擰緊：

1) 用手擰緊螺母直到手不能再擰緊為止，此時作為擰緊角度的初始位置；

2) 至少分 3步采用扳手分別擰緊兩螺母，直到最終擰緊角度為40°；

3) 松開螺母，用手再擰緊螺母，直到手擰不動為止，此時的位置作為擰緊角度的初始位置；

4) 至少分 3步采用扳手分別擰緊兩螺母，最終擰緊角度為60°。

通過以上4步就可確保兩螺柱螺母的預緊，并且均勻牢固，才能夠滿足要求[5]。

圖9 起動閥的安裝

7 結 語

1) 起動空氣管系為II級管系需要船級社檢驗證書，實際選用起動空氣管一般按照410 I級管采購；

2) 為了保證設計要求和降低制造成本，起動空氣管法蘭可以選用GB/T9119 RFDN-40、CBM1016-81或CBM1017-81 3種標準的20號鋼或16Mn材料的鍛鋼帶頸法蘭；

3) JIS標準的30K法蘭實際承受的壓力可以超過GB/T9119或ISO7005標準的4MPa的法蘭，因此，設計選用法蘭時需要特別注意；

4) 起動空氣管壓力試驗為7MPa，超過法蘭試驗壓力標準規(guī)定，該試驗壓力值得探討；

5) 對于氣缸大于230mm的柴油機起動空氣系統(tǒng)應安裝爆破片或阻火器或其他等效裝置；

6) 爆破片的厚度可以按照《壓力容器監(jiān)察規(guī)程》中的計算公式進行設計，但必須根據每批爆破片的材料進行實際試驗最終確定；

7) 起動閥安裝螺柱螺母應均勻擰緊，為此應分4步均勻緊固。

[1] 船用柴油機設計手冊編委會. 船用柴油機設計手冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1979.

[2] CCS船級社規(guī)范[S]. 2009版.

[3] 壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程[S]. 國家勞動總局，1981.

[4] 邱清宇，吳澤煒. 一起爆破片事故分析[J]. 化工設備與管道，1994 (1).

[5] 王 軍. 淺談螺栓、螺柱、螺母的相關設計與安裝規(guī)范化[J]. 上海標準化，2010 (9).