焦 雷，王 軍，李 娟

（1. 上海中船三井造船柴油機(jī)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(jī)自身不能起動，必須依靠外力作用使柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。柴油機(jī)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(jī)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(fù)運(yùn)動，依靠活塞、連桿的傳遞作用，最終使曲軸轉(zhuǎn)動起來[1]。本文討論了船用柴油機(jī)壓縮空氣起動所涉及的起動空氣管系相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)。

1 起動空氣管系的設(shè)計(jì)壓力

起動空氣管系最大工作壓力為3MPa，設(shè)計(jì)壓力為3MPa，設(shè)計(jì)溫度為50℃，根據(jù)CCS船級社規(guī)范關(guān)于管系等級的劃分，該起動空氣管系應(yīng)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(yàn)證書。

需要特別說明的是，MAN（曼恩）公司的專利柴油機(jī)起動空氣管系設(shè)計(jì)壓力為3MPa，但是，根據(jù)船級社規(guī)范，“管系的設(shè)計(jì)壓力是管系最高許用工作壓力，應(yīng)不小于管系中安全閥或溢流閥的最高設(shè)定壓力”[2]，起動空氣管系中爆破片的設(shè)置實(shí)際上是起到安全閥或溢流閥的作用，故實(shí)際起動空氣管系設(shè)計(jì)壓力應(yīng)大于等于爆破片的爆破壓力6MPa。MAN公司在此處采用了一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)，考慮到爆破片爆破的發(fā)生概率較小（起動閥泄漏時(shí)燃?xì)鉀_入到起動空氣管中會發(fā)生），同時(shí)，該管系的液壓試驗(yàn)壓力已經(jīng)相應(yīng)的提高到7MPa，所以，起動空氣管系的設(shè)計(jì)壓力仍采用3MPa，這在設(shè)計(jì)原理上也是合理的，同時(shí)也會節(jié)約制造成本。起動空氣管系的設(shè)計(jì)溫度定為50℃，管內(nèi)空氣溫度值主要依據(jù)船級社規(guī)范“管系的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)取管中流體的最高溫度，但應(yīng)≥50℃”而確定的。

主起動空氣管中應(yīng)設(shè)置放氣管?？稍诳拷髌饎娱y的位置設(shè)置一個(gè)放氣管，用來緩慢放掉起動結(jié)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(jī)設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)置一根放氣管。而W?rtsil?（瓦錫蘭）柴油機(jī)放氣管上還裝有一個(gè)球閥，該球閥在起動過程中處于關(guān)閉狀態(tài)，起動完成后一般需要打開該閥放掉管內(nèi)的殘余空氣或者凝水。

2 起動空氣管系法蘭的設(shè)計(jì)與選用

由于起動空氣管系的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)為：GB/T9115.1 4MPa、CBM1016-81或CBM1017-81等3種標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T9115.1標(biāo)準(zhǔn)的法蘭技術(shù)條件要滿足GB/T9124標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，該標(biāo)準(zhǔn)法蘭的公稱壓力為4MPa，在工作溫度<100℃時(shí)，最高無沖擊工作壓力為 4MPa。而 CBM1016-81、CBM1017-81標(biāo)準(zhǔn)的法蘭技術(shù)條件要滿足CBM1022-81標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)參照其鑄鋼法蘭，在工作溫度<200℃時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)相同公稱通徑的法蘭發(fā)現(xiàn)，在材料相同時(shí)，影響法蘭工作壓力的主要尺寸—法蘭厚度，CBM1017-81標(biāo)準(zhǔn)的法蘭明顯比GB/T9115.1 RFDN-40要厚，這就是說CBM1017-81標(biāo)準(zhǔn)的法蘭工作壓力可以比GB/T9115.1標(biāo)準(zhǔn)的法蘭高。現(xiàn)以公稱通徑DN100為例，對這兩種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的法蘭相關(guān)尺寸進(jìn)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(shè)置

圖2 CBM1017-81和GB/T9115.1標(biāo)準(zhǔn)的對焊法蘭

表1 CBM1017-81和GB/T9115.1標(biāo)準(zhǔn)的對焊法蘭相關(guān)尺寸比較

由于CBM1016-81、CBM1017-81標(biāo)準(zhǔn)的法蘭都是根據(jù)日本工業(yè)法蘭標(biāo)準(zhǔn)編制的，而根據(jù)JIS B2220法蘭標(biāo)準(zhǔn)，在120℃以下時(shí)，30K法蘭的最高工作壓力可以達(dá)到5.1MPa，這也就從側(cè)面說明了CBM1016-81、CBM1017-81標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行部分修訂，以便滿足設(shè)計(jì)要求，否則，采用日本圖紙進(jìn)行國產(chǎn)化設(shè)計(jì)選用相應(yīng)CBM標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，法蘭設(shè)計(jì)選用就需要特別注意，以免出現(xiàn)設(shè)計(jì)壓力未能達(dá)到原設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

選用突面法蘭時(shí)，如果采用非金屬密封墊片，法蘭密封面可以根據(jù)需要加工水線，相關(guān)尺寸可以參照CBM1002-81或HG20624標(biāo)準(zhǔn)，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(yàn)

MAN系列柴油機(jī)起動空氣管液壓試驗(yàn)壓力為7MPa，這與正常的管系試驗(yàn)壓力為1.5倍的設(shè)計(jì)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(shè)置了爆破片，其爆破壓力是6MPa（因?yàn)镸AN試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)起動閥突然關(guān)閉時(shí)會對起動空氣管路造成一定的沖擊，這時(shí)的沖擊壓力可以瞬間達(dá)到5MPa，因此，MAN設(shè)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?xì)飧Z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(jī)設(shè)定起動空氣管的液壓試驗(yàn)壓力應(yīng)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(jù)GB/T9124或ISO7005的標(biāo)準(zhǔn)要求，管法蘭原則上不進(jìn)行單個(gè)法蘭的水壓試驗(yàn)，當(dāng)法蘭安裝到管道或設(shè)備上后，其水壓試驗(yàn)壓力應(yīng)不得大于規(guī)定的20℃時(shí)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(yàn)壓力應(yīng)≤6MPa，而圖紙規(guī)定液壓試驗(yàn)的壓力為7MPa，顯然超過了法蘭的壓力試驗(yàn)要求，很難以標(biāo)準(zhǔn)GB/T9124或ISO7005規(guī)定作出合理的解釋，只能說明MAN設(shè)計(jì)采用了犧牲法蘭安全系數(shù)的方法，以達(dá)到成本較低的目的。但是這種做法從售后服務(wù)經(jīng)驗(yàn)及高壓燃?xì)飧Z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(shè)置

根據(jù)船級社規(guī)范要求，“在通往柴油機(jī)的起動空氣管路上，應(yīng)設(shè)有截止止回閥或等效設(shè)施，以保護(hù)壓縮空氣管路不受氣缸內(nèi)爆炸氣體的影響。對于氣缸大于230mm的柴油機(jī)起動空氣系統(tǒng)應(yīng)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(jī)，裝于每一個(gè)起動閥處，對于不可換向的柴油機(jī)則可裝于起動空氣總管上”[2]。

為了防止起動閥損壞時(shí)高溫高壓燃?xì)飧Z入起動空氣管中引起爆炸等不良后果，W?rtsil?柴油機(jī)每缸的起動閥進(jìn)氣管上設(shè)置了一個(gè)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(shè)備、管道內(nèi)或阻止火焰在設(shè)備、管道間蔓延。在起動空氣管的總管末端設(shè)置了一個(gè)安全閥，見圖5，安全閥開啟壓力為3.3±0.2MPa。這兩個(gè)裝置的設(shè)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(hù)起動空氣管路及設(shè)備。

MAN系列柴油機(jī)對起動空氣管路設(shè)置了相應(yīng)的安全措施，主要是在每缸起動閥的進(jìn)氣管上加裝了一個(gè)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(jī)都按照要求設(shè)置了截止止回閥，即主起動閥。MAN柴油機(jī)在防爆片出口處還加設(shè)了安全罩。加設(shè)該裝置的目的是如果安全罩內(nèi)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(shí)，如果船上沒有新的爆破片可以使用，起動柴油機(jī)時(shí)，為了防止大量壓縮空氣從爆破片處泄漏，則可以轉(zhuǎn)動相應(yīng)缸上的安全罩（見圖6、7），并在更換新的爆破片后應(yīng)將安全罩轉(zhuǎn)回開啟位置。安全罩上還加設(shè)了厚度為 0.5mm的鋼板，用來罩住安全罩上的一個(gè)出氣孔，便于快速判斷爆破片是否已經(jīng)損壞，及時(shí)獲得柴油機(jī)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(jīng)翹起，或被吹離較大的角度，則應(yīng)檢查爆破片是否已經(jīng)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(yīng)急位置

雖然在起動空氣管路中加設(shè)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(jī)出來的滑油的集聚，同時(shí)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?xì)饨?jīng)被卡住或泄漏的起動閥滲漏，在起動空氣管路中產(chǎn)生易燃的混合氣體；

2) 混合氣體可能從動力氣缸處點(diǎn)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(chǎn)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(dāng)形成引發(fā)爆炸的條件時(shí)，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(jī)正常運(yùn)行期間排空起動空氣管路中的空氣，所以起動空氣管路應(yīng)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(nèi)無壓力；

2) 建議使用無油潤滑空氣壓縮機(jī)。

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果一個(gè)起動閥出現(xiàn)故障或泄漏，則相應(yīng)的起動空氣管會發(fā)燙，在這種情況下，可以用手檢查確認(rèn)是否發(fā)燙來判斷起動閥的故障。如果在起動閥的進(jìn)氣管上噴涂一段示溫涂層，通過示溫涂層的顏色變化及時(shí)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(jì)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(cái)產(chǎn)的安全。按照結(jié)構(gòu)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(yīng)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(qiáng)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(jī)設(shè)計(jì)的爆破片為平板型爆破片。

根據(jù)《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》附件8中公式計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)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(jīng)過完全退火，片厚較薄，K應(yīng)取較小值，此處K可以取K=7.7×103。隨即可計(jì)算出爆破片的厚度，以某機(jī)型爆破片為例，該爆破片圖紙?jiān)O(shè)計(jì)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(jù)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(jì)算的厚度與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)厚度非常吻合。爆破片厚度的其他計(jì)算方法也可以參照參考文獻(xiàn)[4]。

由于相同材料不同批次可能會產(chǎn)生一定的強(qiáng)度差別，同時(shí)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)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(shí)際生產(chǎn)中往往是以厚度尺寸為參考，主要通過試驗(yàn)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(jù)起動閥安裝圖紙（見圖9），起動閥必須按照以下4個(gè)步驟擰緊：

1) 用手?jǐn)Q緊螺母直到手不能再擰緊為止，此時(shí)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?jǐn)Q不動為止，此時(shí)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(yù)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(jié) 語

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

2) 為了保證設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的20號鋼或16Mn材料的鍛鋼帶頸法蘭；

3) JIS標(biāo)準(zhǔn)的30K法蘭實(shí)際承受的壓力可以超過GB/T9119或ISO7005標(biāo)準(zhǔn)的4MPa的法蘭，因此，設(shè)計(jì)選用法蘭時(shí)需要特別注意；

4) 起動空氣管壓力試驗(yàn)為7MPa，超過法蘭試驗(yàn)壓力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該試驗(yàn)壓力值得探討；

5) 對于氣缸大于230mm的柴油機(jī)起動空氣系統(tǒng)應(yīng)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(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但必須根據(jù)每批爆破片的材料進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)最終確定；

7) 起動閥安裝螺柱螺母應(yīng)均勻擰緊，為此應(yīng)分4步均勻緊固。

[1] 船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊編委會. 船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)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(shè)備與管道，1994 (1).

[5] 王 軍. 淺談螺栓、螺柱、螺母的相關(guān)設(shè)計(jì)與安裝規(guī)范化[J]. 上海標(biāo)準(zhǔn)化，2010 (9).