曲軸箱爆炸原因及分析研究

黃步松

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007）

0 引言

近年來(lái)，隨著船舶的自動(dòng)化水平和輪機(jī)管理人員的知識(shí)水平不斷提高，因?yàn)橹R(shí)和技能欠缺的人為失誤所造成的事故有所減少，但是仍然存在因作業(yè)人員意識(shí)上麻痹大意，導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤、行為錯(cuò)誤，進(jìn)而引發(fā)事故的現(xiàn)象。船用二沖程柴油機(jī)曲軸箱爆炸不僅會(huì)造成設(shè)備損壞，還會(huì)造成人員傷亡。因此如何消除和預(yù)防曲軸箱爆炸的故障，保證船舶安全營(yíng)運(yùn)是機(jī)艙管理人員要面對(duì)的課題。

1 曲軸箱爆炸的原因分析

曲軸箱爆炸主要是在高溫?zé)嵩春陀挽F的共同作用下發(fā)生的，其中發(fā)生爆炸的基本條件是存在油霧。沒有油霧，即使有火源和助燃物也不會(huì)燃燒爆炸；而決定性因素是高溫?zé)嵩吹拇嬖?，?dāng)曲軸箱內(nèi)存在高溫?zé)嵩磿r(shí)，與空氣成一定比例混合的可燃混合油氣在熱源加熱下開始燃燒，加之曲軸箱內(nèi)空間相對(duì)封閉，燃燒速度快并使壓力迅速升高導(dǎo)致爆炸。

曲軸箱高溫?zé)嵩吹男纬捎袃煞N，外來(lái)熱源和內(nèi)在熱源。外來(lái)熱源主要是由于活塞部件和填料函的故障導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物和燃?xì)饴┤?，或掃氣箱著火時(shí)間接加熱曲軸箱內(nèi)油氣。內(nèi)在熱源是由于運(yùn)動(dòng)件缺乏潤(rùn)滑和冷卻發(fā)生金屬間直接接觸劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫，高溫?zé)嵩匆环矫鏁?huì)加熱曲軸箱滑油產(chǎn)生油氣，油氣遇到曲軸箱中溫度較低的空氣凝結(jié)成較小的油滴懸浮在空氣中形成油霧。

1.1 軸承燒熔

軸承燒熔是常見的產(chǎn)生高溫?zé)嵩吹墓收希饕怯捎谝韵略蛟斐桑?/p>

1.1.1 滑油方面

滑油濾器過(guò)濾精度不符合要求，使得一部分雜質(zhì)沒有被過(guò)濾而混入系統(tǒng)油中，雜質(zhì)容易破壞表面的油膜；濾器臟堵導(dǎo)致滑油失壓、油壓不足使表面缺少滑油難以形成油膜來(lái)充分的潤(rùn)滑和冷卻；軸承間隙過(guò)小，使得滑油進(jìn)入軸瓦與軸頸表面間的阻力增大，油膜難以形成。間隙過(guò)大，漏油增加則油壓不足，油膜也不易形成；滑油冷卻器水側(cè)結(jié)垢臟堵導(dǎo)致滑油得不到冷卻，油溫升高使滑油粘度下降，形成的油膜承載能力差；滑油乳化變質(zhì)使得油膜潤(rùn)滑性能變差，承載能力不足，容易在沖擊負(fù)荷下破裂[1]。上述因素均加劇軸承運(yùn)動(dòng)副之間金屬磨損，摩擦磨損產(chǎn)生的熱量使軸承溫度升高，油膜被蒸發(fā)，最終軸承形成干摩擦狀態(tài)，產(chǎn)生大量熱量，使曲軸箱中的滑油蒸發(fā)形成油霧。

1.1.2 機(jī)械負(fù)荷過(guò)高

柴油機(jī)使用的燃油十六烷值過(guò)低滯燃期過(guò)長(zhǎng)或噴油定時(shí)過(guò)早導(dǎo)致爆發(fā)壓力過(guò)高、柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行或由于缸套或缸蓋裂紋漏水發(fā)生液擊使得缸內(nèi)機(jī)械負(fù)荷過(guò)大進(jìn)而通過(guò)活塞桿作用在十字頭銷軸承上[2]，最后通過(guò)連桿作用在大端軸承和主軸承上，過(guò)大的機(jī)械負(fù)荷超過(guò)軸承與軸頸間油膜的承載能力而使油膜破裂。

1.1.3 軸承的接觸質(zhì)量和幾何形狀

軸瓦與軸承座貼合不嚴(yán)密，軸承散熱不良使軸承溫度升高，油膜粘度下降以及難以承受沖擊性負(fù)荷而使油膜破裂和合金層產(chǎn)生裂紋；軸瓦和軸頸表面過(guò)于粗糙使得油膜容易被表面凹凸不平的尖峰刺破；軸承座孔和軸頸圓度及圓柱度誤差過(guò)大導(dǎo)致軸頸與軸瓦接觸質(zhì)量差，局部負(fù)荷高，超過(guò)了油膜的承載能力使油膜破裂；主軸承蓋螺栓和連桿大端螺栓松動(dòng)或由于螺栓預(yù)緊力過(guò)大導(dǎo)致軸承座孔變形，使得軸承瓦口增大，加劇漏油，軸承溫度升高使油膜承載能力下降，油膜容易破裂；連桿大端軸瓦發(fā)生移位導(dǎo)致潤(rùn)滑油孔被堵塞[3]，使軸承缺少滑油的潤(rùn)滑和冷卻而加劇磨損形成發(fā)生金屬間直接接觸發(fā)生軸承燒熔，此時(shí)摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)嵩床粌H會(huì)加熱滑油產(chǎn)生油氣，油氣遇曲軸箱內(nèi)的空氣凝結(jié)后形成油霧，由于油霧本身溫度高，一般超過(guò)200 ℃，所以也是引起爆炸的著火源。

1.2 填料函密封失效

十字頭柴油機(jī)活塞桿的填料函自上而下布置有密封環(huán)和刮油環(huán)，每道密封環(huán)和刮油環(huán)都用彈簧箍緊[4]，使其有一定的周向間隙。

填料函彈簧的尺寸太大或填料環(huán)由于長(zhǎng)時(shí)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)致過(guò)度磨損使得與活塞桿的間隙增大，密封性變差，則氣缸上部的燃燒產(chǎn)物和高溫燃?xì)饪赡芙?jīng)過(guò)填料函進(jìn)入曲軸箱，由于燃燒產(chǎn)物此時(shí)溫度較高，落入曲軸箱后會(huì)加熱滑油產(chǎn)生油氣，而當(dāng)油氣與空氣混合至一定比例時(shí)，高溫的燃燒產(chǎn)物和燃?xì)庖彩屈c(diǎn)燃油霧的火源。

填料函彈簧的尺寸過(guò)小，還會(huì)使填料環(huán)過(guò)分貼緊活塞桿，會(huì)產(chǎn)生劇烈的摩擦，而摩擦熱便是可能引起爆炸的高溫?zé)嵩础?/p>

1.3 活塞冷卻故障

活塞是組成燃燒室的是部件之一，受到高溫高壓的作用，活塞冷卻是確?；钊^得到冷卻以避免高溫?zé)g和過(guò)大的熱應(yīng)力。現(xiàn)代大多數(shù)二沖程十字頭式柴油機(jī)的活塞冷卻油、十字頭軸承和連桿大端軸承潤(rùn)滑油是采用專設(shè)的十字頭滑油泵供給。如果發(fā)生十字頭油泵故障、管路法蘭連接螺栓松動(dòng)和墊片老化導(dǎo)致漏油使活塞頭過(guò)熱膨脹，改變了與缸套內(nèi)壁正常的配合間隙，破壞了活塞與缸壁間形成的潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致金屬直接接觸發(fā)生干摩擦，發(fā)生拉缸。漏油同時(shí)也會(huì)影響十字頭軸承和連桿大端軸承的潤(rùn)滑和冷卻，造成軸承燒損。發(fā)生拉缸時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件仍能移動(dòng)，但粘著力更大使運(yùn)動(dòng)部件難以移動(dòng)，而作用在活塞上的氣體力不變，這樣使得活塞、活塞桿和連桿單方面受力，間接增加了主軸承的負(fù)荷，使軸承燒損，加之拉缸破壞了正常的配合間隙，使得高溫燃燒產(chǎn)物和燃?xì)庖矔?huì)經(jīng)填料函漏入曲軸箱中，導(dǎo)致曲軸箱發(fā)生爆炸。

1.4 十字頭組件潤(rùn)滑、對(duì)中不良

如果系統(tǒng)潤(rùn)滑油中含有的雜質(zhì)沒有完全凈化，則可能混入系統(tǒng)中而被十字頭油泵吸入，這些滑油中帶有的雜質(zhì)可能堵塞十字頭本體內(nèi)的潤(rùn)滑油道和外設(shè)的滑油管，影響十字頭和連桿小端軸承的潤(rùn)滑和冷卻以及滑塊與導(dǎo)板間的潤(rùn)滑，導(dǎo)致軸承可能燒損和滑塊導(dǎo)板劇烈干摩擦而產(chǎn)生熱源?；瑝K和導(dǎo)板若對(duì)中不良，則滑油不易進(jìn)入滑塊和導(dǎo)板之間，由于偏斜使局部金屬直接接觸，也會(huì)產(chǎn)生高溫?zé)嵩础?/p>

（2）在原第一、第二對(duì)流管束區(qū)域頂部增設(shè)頂棚水冷壁，水冷壁采用讓管的形式讓出單片管排插入空間，輻射管屏從頂棚水冷壁間隙中插入爐內(nèi)，管屏與頂棚水冷壁之間增加相應(yīng)的彎管和密封板。

1.5 掃氣箱著火

掃氣箱著火的原因本質(zhì)是著火三要素的作用，即可燃物、著火源和助燃物。掃氣箱著火本身是柴油機(jī)的一種危害性事故，但它同時(shí)也會(huì)影響曲軸箱爆炸。

掃氣箱中的可燃物有來(lái)自增壓器壓氣機(jī)端吸入的軸承潤(rùn)滑油的油氣，氣缸油注入過(guò)多，燃燒產(chǎn)物經(jīng)活塞環(huán)漏入掃氣箱并沉積等[5]。著火源有拉缸導(dǎo)致燃?xì)庑孤┲翏邭庀?，活塞環(huán)斷裂帶有高溫的斷環(huán)碎塊落入掃氣箱，掃氣空氣冷卻器的冷卻水管堵塞使得掃氣空氣得不到冷卻，使掃氣空氣的溫度升高，加熱在掃氣箱中沉積的污油使其蓄熱自燃。助燃物便是柴油機(jī)掃氣箱本身存在的掃氣空氣。

掃氣箱位于曲軸箱的側(cè)上方，之間有橫隔板和填料函密封，因此掃氣箱著火時(shí)火焰不會(huì)直接竄入曲軸箱。但是，由于火災(zāi)時(shí)掃氣箱溫度很高，而此時(shí)曲軸箱中溫度較低，兩者之間的溫差很大使得火焰的熱傳導(dǎo)加強(qiáng)，間接加熱曲軸箱，使曲軸箱中的油氣受到加熱發(fā)生膨脹，當(dāng)溫度繼續(xù)上升便有可能點(diǎn)燃曲軸箱中的油氣，使油氣劇烈燃燒，體積迅速膨脹而發(fā)生爆炸。

2 預(yù)防措施

現(xiàn)代大型柴油機(jī)一般都安裝了防爆門、油霧濃度探測(cè)器、水霧型曲軸箱爆炸抑制系統(tǒng)等曲軸箱防爆系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)。但要徹底防止曲軸箱爆炸，不能完全依靠這些系統(tǒng)和設(shè)備，要從根本上杜絕曲軸箱發(fā)生爆炸，按照操作規(guī)程管理柴油機(jī)，做好日常的維護(hù)保養(yǎng)是最好辦法。

2.1 做好滑油系統(tǒng)的管理

做好滑油系統(tǒng)的日常維護(hù)保養(yǎng)以確保滑油質(zhì)量和數(shù)量的供給。勤洗滑油濾器，經(jīng)常檢查雙聯(lián)濾器的前后壓差，判斷濾器臟堵情況，防止由于濾器臟堵影響供油壓力和過(guò)濾效果下降；巡視時(shí)注意檢查管路法蘭螺栓和墊片周圍的滴漏情況，如果漏油過(guò)多，可能影響柴油機(jī)正常的供油潤(rùn)滑和冷卻；按規(guī)定時(shí)間清洗滑油冷卻器的冷卻水管或者換熱板，保持良好傳熱，避免由于傳熱不良使滑油粘度降低，影響潤(rùn)滑效果和加速氧化；經(jīng)常檢查和清洗柴油機(jī)油底殼和滑油循環(huán)柜，觀察有無(wú)金屬碎片或油污泥，防止其積蓄過(guò)多影響滑油油位和污染滑油；按檢修要求對(duì)滑油分油機(jī)進(jìn)行拆檢，清洗其分離盤片確保分離效果。確保潤(rùn)滑系統(tǒng)滑油的供給以保證柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件正常的潤(rùn)滑和冷卻，避免熱源出現(xiàn)。

2.2 做好冷卻水系統(tǒng)的管理

按規(guī)定檢查缸套的冷卻水腔，清理水垢以防止影響傳熱；對(duì)膨脹水柜定期化驗(yàn)和投藥處理，確保冷卻水品質(zhì)，同時(shí)應(yīng)確保膨脹水柜正常的水位，及時(shí)補(bǔ)水；按時(shí)拆檢缸套水泵，檢查和更換其承磨環(huán)和軸封，確保水泵正常供水；勤洗海水濾器，保證冷卻海水的供水，使低溫淡水能保持正確的溫度來(lái)冷卻高溫淡水，確保對(duì)柴油機(jī)的冷卻，防止柴油機(jī)機(jī)體過(guò)熱而破壞潤(rùn)滑油膜引發(fā)拉缸，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物和燃?xì)庑孤┏蔀闊嵩础?/p>

2.3 定期檢查主軸承、連桿大端軸承

按時(shí)測(cè)量主軸承和連桿大端軸承的軸承間隙，確保軸承與主軸頸和曲柄銷的正常配合間隙符合要求以形成具有足夠承載能力的潤(rùn)滑油膜；檢查軸承蓋螺栓的預(yù)緊力，從而保證軸瓦在軸承蓋與座內(nèi)接觸良好；按時(shí)拆檢主軸承和連桿大端軸承，檢查軸瓦的磨損情況和表面狀況，如過(guò)度磨損應(yīng)及時(shí)更換；檢查曲軸臂距差，確認(rèn)主軸承和曲軸軸頸的相對(duì)位置，防止由于曲軸撓曲變形使得軸瓦大面積燒熔而產(chǎn)生高溫?zé)嵩础?/p>

2.4 定期檢查活塞桿填料函和活塞環(huán)

定期檢查活塞桿填料函和活塞環(huán)，確保氣缸與曲軸箱的密封，防止燃燒產(chǎn)物和燃?xì)飧Z入曲軸箱和掃氣箱。

在吊缸時(shí)將活塞桿填料函連同活塞組件一同吊出，要檢查填料函中填料環(huán)的磨損情況，各段環(huán)間隙的數(shù)值以及填料環(huán)張緊彈簧的預(yù)緊力是否符合要求。也要檢查填料函外橡膠密封圈的密封狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)老化或裂紋等及時(shí)更換，保證填料函具備正常的密封作用。

檢查活塞環(huán)的密封性和彈性，搭口間隙、天地間隙和環(huán)背間隙，確保這些間隙的數(shù)值符合說(shuō)明書規(guī)定值，防止燃?xì)庑孤└Z入加熱曲柄箱內(nèi)滑油。

2.5 定期檢查氣缸蓋、氣缸套

吊缸時(shí)要仔細(xì)檢查氣缸蓋和氣缸套。檢查缸蓋底部是否有裂紋，冷卻水腔是否結(jié)垢；檢查缸套內(nèi)表面的損傷情況，測(cè)量缸套的內(nèi)徑并圓度和圓柱度，判斷缸套的磨損情況，檢查缸套冷卻水腔或表面沒有出現(xiàn)穿透性的裂紋，防止冷卻水漏入缸內(nèi)引起液擊，增大軸承負(fù)荷，使軸承燒溶產(chǎn)生大量熱能。

2.6 定期測(cè)取示功圖

示功圖是反映柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃燒情況的重要資料，定期測(cè)取示功圖，是作為判斷柴油機(jī)各缸負(fù)荷的重要依據(jù)。

如果測(cè)得最高爆炸壓力過(guò)大，可能是噴油定時(shí)過(guò)早或循環(huán)供油量過(guò)大引起的，應(yīng)及時(shí)調(diào)小供油定時(shí)和供油量，防止柴油機(jī)最高爆炸壓力過(guò)高，增加部件的機(jī)械負(fù)荷和使軸承過(guò)載、油膜破裂，金屬直接接觸而產(chǎn)生熱源。如果測(cè)得最高爆炸壓力過(guò)小，可能是噴油定時(shí)小引起的，應(yīng)及時(shí)增大供油定時(shí)防止燃油過(guò)晚噴入缸內(nèi)，大量燃油沒有完全燃燒，加劇后燃和燃燒產(chǎn)物的泄漏，加熱曲軸箱內(nèi)滑油和點(diǎn)燃油霧的熱源。

2.7 定期拆檢曲軸箱油霧濃度探測(cè)器

應(yīng)定期按照說(shuō)明書測(cè)試和拆檢曲軸箱油霧濃度探測(cè)系統(tǒng)的探頭，避免誤動(dòng)作以確保其正常工作。

2.8 定期檢查曲軸箱防爆門

曲軸箱防爆門是避免曲軸箱發(fā)生爆炸和事故擴(kuò)大的最后一道防線，必須嚴(yán)格按照要求對(duì)釋壓閥彈簧和火焰熄滅器進(jìn)行檢查，確保釋壓閥彈簧預(yù)緊力能在超過(guò)規(guī)定的曲軸箱油霧壓力范圍時(shí)自行打開泄壓，同時(shí)又能在外界大氣壓作用下自行關(guān)閉，防止新鮮空氣進(jìn)入與油氣混合。及時(shí)清理火焰熄滅器中的通道的油污，確保能在燃燒發(fā)生時(shí)通過(guò)火焰熄滅器的作用降低燃燒強(qiáng)度以減弱爆炸[6]。

2.9 注意特殊環(huán)境時(shí)柴油機(jī)操作

風(fēng)浪天航行時(shí)，船舶會(huì)發(fā)生頻繁的縱搖和橫搖，螺旋槳會(huì)頻繁露出水面，容易引起主機(jī)超負(fù)荷或發(fā)生飛車，此時(shí)需要調(diào)小油門格數(shù)，防止主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行加大軸承的負(fù)荷，使軸承的油膜難以承載，造成金屬之間直接接觸形成干摩擦而產(chǎn)生熱源。

3 結(jié)語(yǔ)

船用二沖程柴油機(jī)曲軸箱爆炸是一種嚴(yán)重的破壞性事故，防止曲軸箱爆炸的關(guān)鍵在于避免金屬直接接觸、確保各運(yùn)動(dòng)部件之間軸承良好潤(rùn)滑和冷卻，避免外來(lái)熱源漏入。船舶輪機(jī)員通過(guò)日常的操作、維護(hù)保養(yǎng)和管理上的各種措施來(lái)規(guī)范和操作柴油機(jī)?？蓮母瓷隙沤^曲軸箱爆炸的發(fā)生，確保船舶安全營(yíng)運(yùn)。