藍(lán)廣林,譚東麗,張志清（欽州學(xué)院,廣西　欽州　535000）

某工程船柴油機(jī)“伸腿”事故發(fā)生的原因探討

藍(lán)廣林,譚東麗,張志清
（欽州學(xué)院,廣西欽州535000）

摘要：本文主要以某工程船的空氣壓縮機(jī)原動(dòng)機(jī)為例，詳細(xì)介紹了該原動(dòng)機(jī)“伸腿”事故，并對(duì)產(chǎn)生事故的原因進(jìn)行了深入的分析,找出事故的根本原因，并提出預(yù)防發(fā)生類(lèi)似事故發(fā)生的相應(yīng)措施，可供同行參考。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；伸腿；氣缸套；熱疲勞

四沖程柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,某個(gè)缸或某幾個(gè)缸的連桿大端因失去束縛而造成的機(jī)損事故稱(chēng)之為“伸腿”。[1]事故發(fā)生的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)連桿擊穿機(jī)體；連桿、曲軸斷裂；燃燒室組成部件損毀等機(jī)損事件，嚴(yán)重的話甚至?xí)鸨ê突馂?zāi),對(duì)船舶的人命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。引起柴油機(jī)“伸腿”事故的原因是錯(cuò)綜復(fù)雜的，但是不管是因何種原因引起的“伸腿”，都有一個(gè)共同的特征，就是連桿螺栓斷裂。為了找到事故的根源，往往需要設(shè)備管理人員采用逆向推理的方法，透過(guò)事故的現(xiàn)象，由表及內(nèi)，去偽存真，撥開(kāi)各種假象的迷霧，才能找到導(dǎo)致事故的根源，并為預(yù)防類(lèi)似事故的發(fā)生而采取有效的措施。下面就以某工程船的空壓機(jī)原動(dòng)機(jī)“伸腿”事故為例，剖析發(fā)生該事故的根本原因。

1　事故發(fā)生的過(guò)程

本文以欽州港作業(yè)的某水下炸礁船為例。此次發(fā)生事故的柴油機(jī)是空壓機(jī)的原動(dòng)機(jī)部分，生產(chǎn)廠家為美國(guó)卡特皮勒公司，型號(hào)為：CATC9ATCC、序列號(hào)：CLJ09491。自2006年3月投入使用至今已使用8年9個(gè)月、累計(jì)運(yùn)行11005小時(shí)。該機(jī)于2012年8月累計(jì)運(yùn)行至8327小時(shí)后在阿特拉斯公司維修廠大修。大修至事故發(fā)生時(shí)使用2678小時(shí)。

2014年12月31日，15：30正在在欽州港作業(yè)的水下炸礁船正在進(jìn)行鉆礁作業(yè)，事發(fā)時(shí)一號(hào)空壓機(jī)正在使用，二號(hào)空壓機(jī)停用，三號(hào)空壓機(jī)正在做保養(yǎng)。值班人員突然聽(tīng)到“嘭”的一聲從一號(hào)空壓機(jī)傳來(lái)，便跑過(guò)去查看，發(fā)現(xiàn)機(jī)油漏出，機(jī)組已自動(dòng)停機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)機(jī)體穿透性破損，第四缸連桿、活塞、缸套破碎掉出，電腦板破裂變形，機(jī)油和冷卻水全部流出油底殼，拆下來(lái)的軸瓦和連桿如圖1所示。

2　事故原因分析

事故發(fā)生后船公司迅速組織調(diào)查小組上船進(jìn)行事故調(diào)查。并在柴油機(jī)的拆檢過(guò)程中拍攝出具有重要參考價(jià)值的一組照片。拍攝的照片如下所示：

對(duì)拍攝的照片結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的理論知識(shí)進(jìn)行分析主要可以得以下幾點(diǎn)：

（1）如圖2、3所示發(fā)現(xiàn)第四缸的曲柄銷(xiāo)表面光潔,無(wú)明顯劃痕,無(wú)發(fā)藍(lán)發(fā)黑現(xiàn)象。通過(guò)這些現(xiàn)象表明柴油機(jī)的潤(rùn)滑油及潤(rùn)滑系統(tǒng)工作正常，“伸腿”不是因?yàn)檫B桿大端軸承潤(rùn)滑不良，散熱不良而過(guò)熱導(dǎo)致的曲柄銷(xiāo)被抱死而引起的。

（2）如圖4、圖5所示發(fā)現(xiàn)第四缸的兩根連桿螺栓的螺帽沒(méi)有松脫,但其中的一根連桿螺栓的頭部斷裂。這說(shuō)明“伸腿”不是連桿螺栓的螺帽松脫引起的，而是由于連桿螺栓的頭部斷裂引起的。

（3）從圖5的斷口形貌特征來(lái)看,斷口的形貌并無(wú)疲勞斷裂的特征（即“貝殼”狀或“海灘”狀條紋的特征）。

（4）從圖6可以看到，缸套的右側(cè)有三條明顯的不規(guī)則裂紋,且呈龜裂裂紋狀。

為了進(jìn)一步得到柴油機(jī)“伸腿”，對(duì)連桿螺栓斷裂進(jìn)行分析。連桿螺栓的斷裂可分為疲勞斷裂和脆性斷裂兩種。疲勞斷裂的宏觀特征是：疲勞斷口保留了整個(gè)斷裂過(guò)程的所有痕跡，根據(jù)斷裂的信息記錄。具有明顯區(qū)別于其他任何性質(zhì)斷裂的斷口形貌特征。一個(gè)典型的疲勞斷口往往由疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)三個(gè)部分組成，具有典型的“貝殼”狀或“海灘”狀條紋的特征，這種特征給疲勞失效的鑒別工作帶來(lái)了極大的幫助。而脆性斷裂的宏觀特征是:新鮮的斷口都是晶粒狀的，有許多強(qiáng)烈反光的小平面。[2]經(jīng)了解該柴油機(jī)大修時(shí)，所有的連桿螺栓已全部換新，至事發(fā)前才運(yùn)行2678小時(shí),遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到說(shuō)明書(shū)所要求的20000小時(shí)連桿螺栓換新的使用極限，從行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，疲勞斷裂的可能性并不大。并從圖2-5的斷口形貌特征來(lái)看,跟脆性斷裂的宏觀特征相吻合。而且從圖2-6可以看到，缸套的右側(cè)有三條明顯的不規(guī)則裂紋,呈龜裂裂紋狀。缸套的裂紋位置正好處于活塞在上死點(diǎn)的右側(cè)，這個(gè)位置附近溫度最高，缸套的內(nèi)外壁面溫差最大，受活塞撞擊的力度最大，所以這個(gè)位置最容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，并由表面向縱深發(fā)展，直至穿透。[3]熱疲勞的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程可以用下圖2-7來(lái)說(shuō)明。

圖7中圖(a)表示熱量從壁的觸火面A面向水冷面B面。圖（b）表示溫度分布，溫度沿壁面近似直線變化。圖（c）表示應(yīng)力的變化。A面產(chǎn)生壓應(yīng)力，B面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)壁面的溫度足夠高、應(yīng)力足夠大時(shí)，就會(huì)在運(yùn)行期間產(chǎn)生較大的蠕變，如圖(b)所示。特別是在觸火面溫度高應(yīng)力大時(shí)，在金屬晶粒之間發(fā)生擠壓，產(chǎn)生較大的塑性變形，并使該區(qū)域應(yīng)力下降。當(dāng)停車(chē)?yán)鋮s后，由于非塑性變形的冷卻面要復(fù)原，而塑性變形的觸火面不能復(fù)原，導(dǎo)致壁面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力的分布情況如圖（e）所示。它使觸火面一側(cè)受到拉伸。由于啟動(dòng)、停車(chē)的多次重復(fù)，上述現(xiàn)象就多次出現(xiàn)，使壁面受到低頻率的脈動(dòng)應(yīng)力作用。由于在高溫下的材料強(qiáng)度降低，而低頻應(yīng)力在柴油機(jī)啟動(dòng)—全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)—停車(chē)過(guò)程中數(shù)值變化很大，這樣就使一些燃燒室部件在短期內(nèi)出現(xiàn)裂紋。柴油在運(yùn)轉(zhuǎn)中如果有負(fù)荷的變化，也會(huì)使燃燒室受熱部位受到低頻應(yīng)力的作用，只是此時(shí)的應(yīng)力幅值比較小些。

由此，我們可以推斷：柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于熱疲勞的原因，缸套產(chǎn)生裂紋，缸套上部的裂紋穿透，冷卻水噴進(jìn)燃燒室，對(duì)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞頭產(chǎn)生強(qiáng)大的液擊作用，強(qiáng)大的沖擊力通過(guò)連桿傳遞給大端軸承，將連桿大端螺栓拉斷，下瓦座松脫，連桿大端失去束縛，在離心力的作用下向右運(yùn)動(dòng)，連桿中部磕到缸套下部邊緣，缸套右下部被連桿打碎，連桿也被打斷，被打斷的連桿飛出，擊穿機(jī)體，以上這些運(yùn)動(dòng)幾乎在瞬間同時(shí)發(fā)生。

3　故障簡(jiǎn)析

熱疲勞與柴油機(jī)的累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)無(wú)多大關(guān)系，主要取決于柴油機(jī)的啟動(dòng)—運(yùn)行—停車(chē)的循環(huán)次數(shù)，故亦稱(chēng)低頻應(yīng)力。熱疲勞產(chǎn)生的裂紋多數(shù)在觸火面上形成和發(fā)展，以致造成損壞，因?yàn)檫@個(gè)部位受到較大的殘余拉應(yīng)力和較大的熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力（筒形活塞式柴油機(jī)的汽缸套受到活塞側(cè)推力的作用，當(dāng)活塞側(cè)推力方向改變時(shí)，活塞對(duì)汽缸套產(chǎn)生撞擊，引起缸套的橫向振蕩）合成的壓應(yīng)力的交變作用。[4]另外，在觸火面上還作用著高頻熱應(yīng)力，雖然高頻熱應(yīng)力緊涉及很薄的一層，但它會(huì)使觸火面加速損壞。由于該空壓機(jī)的主要作用是使用壓縮空氣吹出水下礁石鉆孔中的碎石，其工作時(shí)間及負(fù)荷變化與鉆機(jī)的工作時(shí)間密切相關(guān)。也就是說(shuō)該空壓機(jī)啟停和負(fù)荷的變化都是比較頻繁的。該空壓機(jī)從2006年投入使用至今已有8年時(shí)間，但總運(yùn)行時(shí)間僅為13500多小時(shí)，從該船的工作人員了解到，為了降低運(yùn)營(yíng)成本，船上的設(shè)備基本都是出于間隙啟停狀態(tài)，也就是說(shuō)該柴油機(jī)的啟停是相當(dāng)頻繁的，所以該機(jī)熱疲勞故障的幾率也會(huì)大大上升。

4　結(jié)論

為了減少熱疲勞的產(chǎn)生，提高燃燒室部件的可靠性，延長(zhǎng)柴油機(jī)的使用壽命，結(jié)合該船的柴油機(jī)工作特點(diǎn),我們建議在柴油機(jī)的日常管理中應(yīng)當(dāng)注意：

（1）加強(qiáng)對(duì)冷卻水的管理，選用清潔、硬度低的淡水，及時(shí)補(bǔ)充冷卻水處理劑，防止冷卻水腔，結(jié)垢，堵塞；定期清洗冷卻水腔,保證燃燒室部件良好的傳熱效果。

（2）柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)要保證5-10分鐘的熱機(jī)時(shí)間，冬天工況下還應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng),減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

（3）不超負(fù)荷運(yùn)行，并保證冷卻水溫度在說(shuō)明書(shū)的允許范圍內(nèi)。

（4）盡量減少啟停柴油機(jī)的次數(shù)，減少低頻應(yīng)力的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉永長(zhǎng).內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,2012.

[2]鄭連興等.船舶柴油機(jī)連桿“伸腿”事故原因探索[J].中國(guó)水運(yùn)(下半月),2008(09).

[3]張志清，譚東麗.壓縮比對(duì)中速柴油機(jī)燃燒性能的影響[J].艦船科學(xué)技術(shù),2014(08):75-79.

[4]孫力平等.農(nóng)用單缸柴油機(jī)氣缸蓋的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014(03):234-238.

基金項(xiàng)目：欽州學(xué)院校級(jí)科研課題（2014XJKY-11B）

作者簡(jiǎn)介：藍(lán)廣林（1976—），男，廣西人，甲類(lèi)一等輪機(jī)長(zhǎng)，高校教師，在讀碩士，主要研究現(xiàn)代輪機(jī)管理。