船用柴油機(jī)曲軸箱防爆閥防爆性能研究

中國船級(jí)社 張興東

臺(tái)州賽特流體控制有限公司 李建基

船用柴油機(jī)運(yùn)行故障或連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)局部過熱，高溫?zé)嵩丛斐汕S箱內(nèi)潤滑油汽化，形成油霧。當(dāng)曲軸箱內(nèi)油霧濃度達(dá)到爆炸極限且出現(xiàn)點(diǎn)火源時(shí)，發(fā)生爆炸。爆炸往往導(dǎo)致柴油機(jī)、機(jī)艙重大損壞，甚至造成人員傷亡，后果十分嚴(yán)重。因此，中國船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》規(guī)定氣缸直徑大于等于200mm或曲軸箱總?cè)莘e大于等于0.6m3的柴油機(jī)應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定安裝曲軸箱防爆閥。

由于數(shù)值模擬研究具有成本低、效率高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于防爆閥的阻燃和降壓性能研究。對于曲軸箱防爆閥的實(shí)驗(yàn)研究還較少，因此本次通過滿足IACS UR M66《曲軸箱防爆閥的型式實(shí)驗(yàn)程序》的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對曲軸箱防爆閥的阻燃和降壓性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

防爆閥結(jié)構(gòu)組成及工作原理

曲軸箱防爆閥主要由閥瓣、錐形彈簧、內(nèi)阻燃片、外阻燃片、閥座和閥蓋組成，內(nèi)、外阻燃片均設(shè)計(jì)為多凸臺(tái)迷宮式結(jié)構(gòu)（如圖1）。當(dāng)船用柴油機(jī)曲軸箱內(nèi)發(fā)生爆炸時(shí)，曲軸箱內(nèi)氣體壓力大于防爆閥的開啟額定壓力，閥瓣被頂開。火焰迅速進(jìn)入阻燃片迷宮式通道中，被分割為多股細(xì)小火焰，增大了火焰與阻燃片的接觸面積，進(jìn)而加強(qiáng)了傳熱效果，使火焰溫度迅速下降到淬熄溫度以下。同時(shí)，多股高壓氣流在阻燃片中傳播，氣流之間、氣流與阻燃片之間相互碰撞，使得壓力迅速下降。當(dāng)曲軸箱內(nèi)壓力低于曲軸箱防爆閥的額定壓力，在錐形彈簧作用下，閥瓣迅速關(guān)閉，有效避免空氣二次進(jìn)入曲軸箱，引發(fā)二次爆炸。

圖1 曲軸箱防爆閥、內(nèi)阻燃片、外阻燃片結(jié)構(gòu)與實(shí)物對比圖

實(shí)驗(yàn)裝置及工況

1、實(shí)驗(yàn)裝置

為了探究曲軸箱防爆閥阻燃和降壓性能，搭建了曲軸箱防爆閥實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置滿足IACS UR M66《曲軸箱防爆閥的型式實(shí)驗(yàn)程序》要求。實(shí)驗(yàn)裝置包括：實(shí)驗(yàn)容器、配氣系統(tǒng)、高能點(diǎn)火器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制柜和操縱臺(tái)六部分（如圖2）。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)容器容積為1.42m3，尺寸為φ1000×2000mm。配氣系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)用校準(zhǔn)氣體、甲烷、壓縮空氣、甲烷濃度分析電磁閥、甲烷混合器、控制和操縱部分等組成。甲烷混合器用來將容器中的甲烷和空氣充分混合。高能點(diǎn)火器點(diǎn)火能量為20J。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力傳感器、位于操縱臺(tái)的數(shù)據(jù)收集卡、錄像機(jī)和熱敏相機(jī)。壓力傳感器采用AX14-DS200型號(hào)傳感器，監(jiān)測壓力為-1×105-9×105kPa。操縱臺(tái)通過控制柜操控實(shí)驗(yàn)裝置的配氣、點(diǎn)火、數(shù)據(jù)采集等功能。

2、 實(shí)驗(yàn)工況

為了探究曲軸箱防爆閥阻燃和降壓性能，制定兩種實(shí)驗(yàn)工況。工況1：采用厚度為0.05mm的聚乙烯薄膜，封住容器法蘭端口，進(jìn)行空爆實(shí)驗(yàn)；工況2：將曲軸箱防爆閥安裝在容器法蘭端，曲軸箱防爆閥采用FBD135A型防爆閥，閥瓣開啟壓力18±10%kPa，流通面積143cm3。工況1和工況2，均在實(shí)驗(yàn)容器中配備體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷和空氣混合氣體。每種實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，爆炸壓力取3次實(shí)驗(yàn)平均值。

實(shí)驗(yàn)中，工況2第一次實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用厚度為0.05mm的聚乙烯薄膜，薄膜直徑應(yīng)為實(shí)驗(yàn)容器法蘭端，環(huán)形平板直徑的3倍且容積不小于實(shí)驗(yàn)容器30%的塑料袋包裹住防爆閥及平板。開始實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)排出塑料袋中空氣，該要求可清晰觀察到是否有火焰竄出防爆閥。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

工況1與工況2的實(shí)驗(yàn)壓力隨時(shí)間變化（見圖3）。工況1爆炸壓力隨時(shí)間變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大爆炸壓力167.81kPa。時(shí)間4s后，爆炸壓力逐漸為0，這是由于爆炸時(shí)，容器法蘭端口聚乙烯薄膜破碎，容器內(nèi)與大氣相通，爆炸完后空氣二次進(jìn)入容器中導(dǎo)致。工況2爆炸壓力隨時(shí)間變化，同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大爆炸壓力為432.66kPa。工況2的爆炸壓力是工況1的2.58倍，這是因?yàn)榍S箱防爆閥起到一定的節(jié)流作用造成。時(shí)間5.8s后，爆炸壓力逐漸降為負(fù)壓。這是由于當(dāng)容器內(nèi)壓力低于曲軸箱防爆閥的額定壓力，在錐形彈簧作用下，閥瓣迅速關(guān)閉，容器內(nèi)成為封閉空間，容器內(nèi)持續(xù)呈現(xiàn)負(fù)壓，有效避免空氣二次進(jìn)入容器，引發(fā)二次爆炸。

圖3 工況1、工況2爆炸壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系

工況1和工況2的火焰對比圖（如圖4）。工況1，點(diǎn)火器動(dòng)作后，高溫火焰從實(shí)驗(yàn)容器法蘭端口處噴射而出。工況2，無火焰從防爆閥竄出，這是因?yàn)榛鹧娼?jīng)過阻燃片后，經(jīng)過與阻燃片傳熱作用，火焰溫度迅速降到淬熄溫度以下。

圖4 工況1、工況2爆炸火焰隨時(shí)間的變化關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)用防爆閥具有較好的阻燃和降壓性能。當(dāng)實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)壓力低于曲軸箱的額定壓力時(shí)，防爆閥的閥瓣能迅速關(guān)閉，并保持良好的氣密性，曲軸箱內(nèi)保持負(fù)壓，有效避免空氣二次進(jìn)入容器引發(fā)二次爆炸。安裝曲軸箱防爆閥后，因?yàn)榉辣y的節(jié)流作用，會(huì)造成曲軸箱內(nèi)爆炸壓力較未安裝防爆閥時(shí)增大，為了保障柴油機(jī)的零部件不被損壞，壓力的增大程度應(yīng)被關(guān)注。本文對曲軸箱防爆閥的設(shè)計(jì)、維護(hù)保養(yǎng)具有指導(dǎo)作用。