戴 武

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

0 引言

船舶營運過程中，對于從事船舶運輸和管理的人員而言，最為關(guān)鍵和值得關(guān)心的問題就是如何避免船舶發(fā)生海上事故，提高船舶航行過程中的安全性和可靠性。因此，為了保障海上航運生命安全，防止海洋環(huán)境污染，在航運繁忙區(qū)域內(nèi)規(guī)定船舶航速和操作規(guī)范，為解決海事糾紛提供可靠依據(jù)，對深入研究船舶海上事故問題具有重要的現(xiàn)實意義。

根據(jù)海上事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)船舶主動力裝置故障造成的船舶海上事故在各類機(jī)械故障中的占比最高。因此，從提高船舶柴油機(jī)安全性和可靠性的角度著手，提出從設(shè)計、工藝制造方面提高柴油機(jī)可靠性時應(yīng)注意的問題和方法以及利用冗余對提高船舶柴油機(jī)可靠性做出合理設(shè)想。

1 海上船舶事故類型

船舶事故的類型大致可分為：機(jī)械故障、碰撞、擱淺、觸損、火災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、沉船及其他事故[1]。通過海上事故數(shù)據(jù)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，人為原因占總數(shù)的80%。然而，人為因素帶有明顯的隨機(jī)性和不確定性，在總結(jié)事故原因、制訂預(yù)防措施方面難以有很強的針對性。另一方面，船舶在海上出現(xiàn)機(jī)械故障而導(dǎo)致的事故，雖然只占海上事故總數(shù)的20%左右，但因其大多為船舶機(jī)械故障導(dǎo)致，船舶管理者可以對機(jī)械故障類型進(jìn)行分類，之后通過設(shè)備檢修和機(jī)械部件維護(hù)來對其進(jìn)行預(yù)防，同時也可以制訂針對性較強的維護(hù)計劃和事故處理措施，來減少事故的發(fā)生。

船舶航行過程中，其機(jī)械設(shè)備在工作負(fù)荷、運行時間、環(huán)境、設(shè)計、材料、制造和安裝工藝等各種條件的共同作用下會逐漸喪失其規(guī)定功能而造成重大的船舶事故。通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出，主機(jī)事故43起，占37.4%；副機(jī)10起，占8.7%；另外發(fā)電機(jī)9起，鍋爐4起，甲板機(jī)械18起，其他設(shè)備31起[2]?？梢?，船舶柴油機(jī)故障是造成船舶海上機(jī)損事故的主要原因，其次發(fā)電柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐及甲板機(jī)械事故也占有很高的比例。

2 海上船舶故障實例分析

2.1 主機(jī)敲缸故障

敲缸是指出現(xiàn)異常聲響或敲擊聲，通常發(fā)生在柴油機(jī)運行過程中。造成敲缸的原因可以總結(jié)為燃燒原因和機(jī)械原因兩種。由于燃燒原因造成的敲缸表現(xiàn)為尖銳的金屬敲擊聲，通常發(fā)生在上止點附近。由于機(jī)械原因造成的敲缸表現(xiàn)為鈍重的敲擊聲或摩擦聲，通常發(fā)生在上、下止點或運動部件越過上、下止點以及行經(jīng)氣缸中部時。

2.1.1 燃燒敲缸的可能原因

過大的噴油器供油提前角；過低的噴油器起閥壓力；噴油器噴油過程中其噴嘴針閥在開啟位置卡死；噴油器工作過程中，其起閥彈簧斷裂或松動；供油量過大導(dǎo)致超負(fù)荷運轉(zhuǎn)；燃油發(fā)生爆燃（由于燃油燃燒質(zhì)量差）。

2.1.2 機(jī)械敲缸的可能原因

發(fā)生氣缸上部敲缸時可考慮是氣缸套的上半部分磨損量過大形成凸臺、氣缸內(nèi)運動部件對中不良、曲柄銷軸承兩側(cè)磨損不均或過大的氣閥間隙。四沖程柴油機(jī)發(fā)生氣缸中部敲缸時則可能是其中存在過大的活塞與氣缸套間隙或活塞銷間隙，以及氣缸套嚴(yán)重磨損的問題。發(fā)生氣缸下部及曲軸箱敲缸時要考慮十字頭軸承、十字頭滑塊與導(dǎo)板之間、連桿軸承或主軸承中的一處或幾處間隙過大，活塞或連桿等主要運動部件的螺栓松動或活塞冷卻液伸縮套管受熱發(fā)生彎曲變形的問題。

事故案例：2006年2月7日02:22，SCAN FJELL號通過基爾運河時，主機(jī)活塞故障導(dǎo)致油霧探測器動作，主機(jī)停車。該船暫時失去了舵效，接觸到海豚，但此時未發(fā)現(xiàn)主機(jī)故障，隨后重啟主機(jī)成功。船舶繼續(xù)向港口駛?cè)?，行在易北河上主機(jī)發(fā)出敲擊聲。主機(jī)再次停車，檢查發(fā)現(xiàn)第三組氣缸和活塞上存在刮傷。隨后船被拖輪拖行至泊位，由修理團(tuán)隊進(jìn)行修理。另一起事故發(fā)生在2007年12月18日15:40，MASTER DAVIDOV號正于航行途中，其主機(jī)突然傳來了不尋常的、持續(xù)的噪音。輪機(jī)長立即將主機(jī)停車并拋錨停航，隨后被拖至比雷埃夫斯港。檢查后發(fā)現(xiàn)1、2號惰輪和凸輪軸損壞。

處理措施：柴油機(jī)運行過程中出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象時，不論是燃燒原因或是機(jī)械原因造成的敲缸，首先應(yīng)當(dāng)利用柴油機(jī)調(diào)速裝置在保障船舶安全的前提下，降低柴油機(jī)運轉(zhuǎn)的速度。如果通過現(xiàn)象可以判斷原因為燃燒敲缸，應(yīng)在停車后分別對噴油器和噴油泵進(jìn)行檢修：首先對噴油器進(jìn)行調(diào)整和試壓操作，無法修復(fù)時換新。然后對噴油泵的供油量進(jìn)行檢查，如果噴油量不合適則改變柱塞的有效行程。最后，應(yīng)確定噴油器的噴油定時準(zhǔn)確。如果通過現(xiàn)象可以判斷原因為機(jī)械敲缸，則應(yīng)在停車后檢查有關(guān)機(jī)件，確定受損機(jī)件后進(jìn)行調(diào)整和修理，必要時可以換新。如果在航行期間機(jī)件受損嚴(yán)重?zé)o法修復(fù)，應(yīng)當(dāng)將受損的氣缸暫時封閉，降低柴油機(jī)運行速度，保證船舶正常航行，在進(jìn)入港口后進(jìn)行修理。

2.2 空氣壓縮機(jī)故障

高溫下分解形成的積炭自燃物發(fā)生自燃導(dǎo)致壓縮機(jī)著火爆炸。油滲入積炭和鐵銹并隨之留在排氣通道中，吸收了油的積炭沉淀物隨著排氣溫度的升高其氧化作用不斷加劇，氧化放熱過程中這些含油的積炭和鐵銹的溫度上升造成自燃。自燃有時可能在氣溫達(dá)到180～200℃或更低時發(fā)生，不一定要空氣溫度達(dá)到油的閃點。油在自燃過程中受熱蒸發(fā)，空氣中油的濃度不斷增大，達(dá)到一定程度會發(fā)生爆炸。本案例中壓縮機(jī)第三級壓縮發(fā)生故障導(dǎo)致排氣溫度過高，進(jìn)而使積炭沉淀物發(fā)生自燃并引起爆炸。

事故案例：2009年4月13日約12:50，馬士基NGUJIMA-YIN生產(chǎn)儲油輪 (浮式生產(chǎn)儲存和卸載)壓氣機(jī)組件發(fā)生爆炸并引發(fā)火災(zāi)，這是由于高壓壓氣機(jī)第三級壓縮發(fā)生故障而導(dǎo)致的。爆炸未造成人員傷亡，火情也很快得到了控制。

處理措施：第一是要選擇黏度、閃點合適，抗氧化安定性好的滑油。第二是要避免壓縮機(jī)超負(fù)荷運轉(zhuǎn)導(dǎo)致排氣溫度過高，一般控制壓縮機(jī)的工作溫度低于滑油閃點20℃以上為宜。第三是要定期對氣道中的積油積炭進(jìn)行清除，將積炭厚度控制在3 mm以內(nèi)。第四是消除其他觸發(fā)自燃因素。避免運動部件異常磨損或咬死、容器與管道零部件松動產(chǎn)生撞擊、氣閥和活塞環(huán)漏氣的情況發(fā)生，不應(yīng)采用可燃性密封材料。第五是要防止空氣中油分濃度達(dá)到爆炸濃度。由于壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)時油氣集聚濃度增長較快，因此不應(yīng)當(dāng)使壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)時間過長。

2.3 舵機(jī)故障

事故案例：2009年11月26日普通貨船丹維京號在航行中舵被卡住，只能向右航行，無法回舵，隨后該船放棄原航線并錨泊，當(dāng)?shù)馗劭诎才磐陷唽⒃摯现粮劭?。另一起事故發(fā)生在2011年10月4日，前往蒙哥拉港口的車輛運載船Asian Leader（總重16201噸，于1995年建造） 與全集裝箱船Saipan Voyager（總重10774噸，于1979年建造） 以及停泊在加爾各答蘇巴斯碼頭的Mandena號相撞。三艘船都有損傷，隨后被送回碼頭修理。Asian Leading的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)了問題才導(dǎo)致此次事故發(fā)生。船只引航員引導(dǎo)船只向左轉(zhuǎn)，但是舵卡住致使船只與Mandena號相撞。

原因分析：在航行過程中，可能會發(fā)生舵機(jī)突然在滿舵的位置上停下來，然后不能回中，且有刺耳聲的情況?？赡茉蛴腥齻€：一是用于為舵機(jī)換向的控制發(fā)電側(cè)線圈損害；二是控制線路出現(xiàn)了損壞；三是舵機(jī)房或駕駛室的電位器出現(xiàn)了故障。

處理措施：出現(xiàn)這種情況時，駕駛員應(yīng)將舵機(jī)轉(zhuǎn)向備用舵機(jī)裝置，然后緊急停車，以防造成船舶事故。舵機(jī)被轉(zhuǎn)向備用舵機(jī)裝置時，如果舵機(jī)可以正常運行，則控制線路損壞或駕駛臺、舵機(jī)房電位器故障的原因可以排除；如果測量電磁線中電阻值時發(fā)現(xiàn)與說明書相符，則可排除控制閥電磁線圈損壞的原因。如果不能回舵的同時油泵的噪聲很大，則可判定故障為舵柱軸承或舵柱卡阻導(dǎo)致。對故障成因判定結(jié)束后，及時對相應(yīng)部件進(jìn)行維修。

通過以上分析可以看出，船舶柴油機(jī)故障在各類引發(fā)海上事故的機(jī)械故障中占比最高，是船舶海上營運過程中發(fā)生安全事故、降低船舶營運安全性的主要原因。因此探究船舶柴油機(jī)可靠性研究背景以及提高可靠性的方法，可為減少海上事故多提供一份保障。

3 提高船舶柴油機(jī)可靠性研究

3.1 船舶柴油機(jī)設(shè)計工藝可靠性分析

在船舶柴油機(jī)的設(shè)計和工藝制造過程中，柴油機(jī)可靠性的確保和提高體現(xiàn)為柴油機(jī)內(nèi)部零部件的可靠性以及各零部件之間合適的裝配。下面列舉了柴油機(jī)在設(shè)計、工藝制造可靠性方面的典型案例，通過對案例的分析可以得出柴油機(jī)部件的常見故障形式、解決故障問題的正確思路以及具體的處理措施。

3.1.1 機(jī)油泵故障問題

機(jī)油泵故障是由于潤滑和配合不良導(dǎo)致的，其中包括軸與軸承、鍵與鍵槽的配合不良、機(jī)油泵外殼體存在微小裂紋或裝配不良等。針對以上原因?qū)C(jī)油泵進(jìn)行潤滑和零件配合方面的改進(jìn)，收效甚微。隨后將機(jī)油泵轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子軸間的連接由鍵連接改為兩者過盈配合，從而徹底解決了問題。改進(jìn)后機(jī)油泵故障率大幅下降。

3.1.2 油泵和輸油泵的密封問題

柴油機(jī)的油泵和輸油泵密封性差會導(dǎo)致柴油機(jī)冷起動困難，然而僅僅對油泵和輸油泵進(jìn)行改造并進(jìn)一步提高其密封性能，無法有效改善柴油機(jī)冷起動困難的問題。研究分析后發(fā)現(xiàn)，在柴油機(jī)設(shè)計過程中通過在高于柴油機(jī)位置處增設(shè)柴油沉淀器來解決柴油機(jī)冷起動困難問題，可實現(xiàn)柴油機(jī)的快速起動。

3.1.3 起動電機(jī)故障問題

起動電機(jī)在運行過程中的故障率較高，發(fā)生故障后難以完全修復(fù)。究其原因是起動電機(jī)的起動時間過長。減少起動電機(jī)的起動時間和起動電機(jī)吸鐵開關(guān)的受熱量是降低其故障率的關(guān)鍵。由此提出相應(yīng)的處理措施：首先，應(yīng)確保柴油機(jī)上的起動按鈕安全可靠，避免因起動按鈕無法斷開致使起動時間過長，導(dǎo)致起動機(jī)在超速狀態(tài)下發(fā)生損壞；其次，由于柴油機(jī)起動過程中起動電機(jī)與燃油系統(tǒng)配合工作，因此只有保證燃油系統(tǒng)的可靠性，才能避免因為燃油系統(tǒng)出現(xiàn)故障致使起動時間過長；最后，柴油機(jī)工作過程中應(yīng)保持其排氣正常，吸鐵開關(guān)和排氣管之間適當(dāng)間隔，從而降低吸鐵開關(guān)受排氣管輻射熱而燒壞的幾率。

3.1.4 連桿發(fā)生斷裂問題

船用柴油機(jī)在工作過程中可能會出現(xiàn)連桿斷裂現(xiàn)象。在對柴油機(jī)進(jìn)行拆檢的過程中發(fā)現(xiàn)，連桿斷裂敲打機(jī)體的位置大多在連桿大頭螺釘?shù)撞恳约芭c連桿大頭連接的桿身根部。連桿斷裂是由于連桿大頭上的螺釘孔底部由絞孔造成的尖角處應(yīng)力集中導(dǎo)致的。在工藝加工方面的問題在于加工連桿時對連桿大頭上的螺釘孔先鉆孔而后攻絲，因此引起了連桿在使用過程中孔部出現(xiàn)應(yīng)力集中。加工工藝改善后連桿斷裂問題得到了有效的解決。

3.1.5 空壓泵連接法蘭根部裂紋

船用柴油機(jī)在工作過程中，可能會出現(xiàn)其空壓泵連接法蘭根部裂紋并漏油的現(xiàn)象。加工時留下的法蘭根部尖角產(chǎn)生應(yīng)力集中[3]，受振動會造成裂紋出現(xiàn)。再加工過程中可將法蘭根部的尖角改為圓角。改進(jìn)后柴油機(jī)空壓泵運轉(zhuǎn)正常，其連接法蘭根部不再出現(xiàn)裂紋。

3.2 冗余控制系統(tǒng)可靠性

3.2.1 冗余度定義

冗余度譯自英文詞“redundancy”，即為了實現(xiàn)機(jī)械或設(shè)備安全運行所考慮的多余的一個量，其目的是在發(fā)生故障時仍能保障儀器、設(shè)備或某項工作正常運轉(zhuǎn)。冗余可以分為三種類型：信息冗余、時間冗余和器件冗余[4]。本文研究的重點是柴油機(jī)的冗余度，即器件冗余。船用柴油機(jī)的冗余度是指在柴油機(jī)內(nèi)部組件發(fā)生故障失效，或由于惡劣天氣影響導(dǎo)致柴油機(jī)部分功能喪失時，由另一臺備用柴油機(jī)或其他可以實現(xiàn)船舶推進(jìn)的動力機(jī)械來確保船舶安全航行的能力?，F(xiàn)在的船舶大多數(shù)僅裝有一臺柴油機(jī)作為船舶推進(jìn)裝置，當(dāng)發(fā)生柴油機(jī)內(nèi)部零件故障，或惡劣天氣影響導(dǎo)致主柴油機(jī)故障停車時，船舶就會失去航行能力，影響船舶海上安全。因此，主機(jī)應(yīng)當(dāng)保持足夠的冗余度。

3.2.2 柴油機(jī)冗余系統(tǒng)設(shè)想

互為備用的兩臺柴油機(jī)，工作能力和運行參數(shù)應(yīng)完全一致，在船舶航行過程中推進(jìn)船舶運行，確保船舶安全。在輪機(jī)管理人員及船舶自動控制系統(tǒng)的控制下，使其中一臺柴油機(jī)處于工作狀態(tài)，另一臺柴油機(jī)則應(yīng)處于備用狀態(tài)。備用柴油機(jī)可以隨時無障礙起動并向推進(jìn)系統(tǒng)輸出功率，以此保證工作/備用狀態(tài)的無擾動切換。工作狀態(tài)下的柴油機(jī)起著為船舶航行提供推進(jìn)動力、保障船舶在海上安全航行的決定性作用，兩臺柴油機(jī)互為備用的關(guān)鍵在于當(dāng)處于工作狀態(tài)的柴油機(jī)發(fā)生故障停車時迅速起動備用柴油機(jī)，可保證船舶航行能力[5]。發(fā)現(xiàn)故障迅速起動備用柴油機(jī)也就是為了實現(xiàn)冗余系統(tǒng)的無擾動切換。

以上設(shè)想屬于被動冗余的方式，最終目的是通過冗余控制系統(tǒng)的可靠性。在本文中即通過設(shè)置備用柴油機(jī)或并聯(lián)柴油機(jī)提高柴油機(jī)系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而提高船舶海上航行過程中的安全性，保障船上人員、財產(chǎn)安全。隨著航運事業(yè)的不斷發(fā)展，船舶海上事故的數(shù)量不斷增加，事故造成的危害不斷加重，提高船舶海上安全性越來越受到人們的關(guān)注。因此，對柴油機(jī)系統(tǒng)的冗余性改進(jìn)，將會是未來船舶建造的重點和熱點問題。

4 結(jié)語

通過對機(jī)械故障造成的船舶海上事故原因分析，我們應(yīng)該認(rèn)識到：機(jī)械故障復(fù)雜多樣，并且會隨著運轉(zhuǎn)時間的增長而不可避免地發(fā)生。此外，在對大量海上事故數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和分析的過程中不難發(fā)現(xiàn)，船舶主推進(jìn)裝置故障是造成船舶機(jī)損事故的主要原因，提高船用柴油機(jī)的安全性、可靠性對實現(xiàn)船舶安全航行、保護(hù)海洋環(huán)境具有重要意義。在對船用柴油機(jī)可靠性的探究過程中我們發(fā)現(xiàn)，船用柴油機(jī)的可靠性不僅僅依賴于其設(shè)計和工藝制造的過程，也可以通過設(shè)置備用柴油機(jī)或其他備用推進(jìn)裝置建立柴油機(jī)冗余系統(tǒng)，構(gòu)建利用冗余思想來提高船用柴油機(jī)可靠性，確保船舶安全航行的新思路。