劉建安，郭家建

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007)

目前，國(guó)際商船上的船舶柴油機(jī)普遍采用廢氣渦輪增壓的方式來提高功率。具體過程：柴油機(jī)排放的廢氣通過增壓器的廢氣渦輪端，并在其中做功，使廢氣中的能量通過廢氣渦輪機(jī)輸出，驅(qū)動(dòng)同軸的增壓器壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)將被壓縮的增壓空氣送入柴油機(jī)。因?yàn)樵鰤嚎諝獾膲毫ι?，其空氣密度增大，從而增加進(jìn)入汽缸的進(jìn)氣量，使汽缸內(nèi)的油氣混合物燃燒地更充分，因此大幅度提高了柴油機(jī)的功率和做功熱效率。廢氣渦輪增壓器的使用使柴油主機(jī)的輸出功率和柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性都得到顯著的提高。[1]

1 故障經(jīng)過

某船柴油主機(jī)型號(hào)：MAN B&W 6S50 MEC，廢氣渦輪增壓器型號(hào)：VTR500，柴油主機(jī)和副機(jī)都使用重油(180cst)，經(jīng)濟(jì)服務(wù)航速12.0 kn(約為主機(jī)55%額定功率下的降速航速)， 環(huán)球航線。2015年至2017年，因?yàn)閺U氣渦輪增壓器的原因使主機(jī)工況惡化，航速下降，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)時(shí)，主機(jī)額定轉(zhuǎn)速為120 r/min，加速到115 r/min左右時(shí)，增壓器喘振現(xiàn)象出現(xiàn)，某些缸單缸排溫過高，排煙總管內(nèi)在增壓器渦輪進(jìn)口處的溫度達(dá)到了497 ℃，在炎熱海域，有時(shí)最高可達(dá)到526 ℃。經(jīng)技術(shù)咨詢和確認(rèn)，同機(jī)型的主機(jī)在該工況下，通常各缸排煙溫度在350 ℃左右，增壓器廢氣渦輪端進(jìn)氣排煙溫度為430 ℃左右。[2]

這種故障現(xiàn)象持續(xù)了很長(zhǎng)一段時(shí)間，剛開始影響不明顯，后來持續(xù)積累惡化，最終導(dǎo)致主機(jī)因排溫過高而自動(dòng)降速，如果不進(jìn)行處理，后期會(huì)影響船舶安全航行。

翻閱以前的資料，包括輪機(jī)日志、工作記錄等，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象自2016年10月開始，一直延續(xù)至2017年。該船在做年度檢驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行了增壓器空氣濾網(wǎng)清洗、更換，人員進(jìn)入掃氣箱中檢查，將增壓器解體清洗，軸承和氣封換新，空氣冷卻器用外接清洗泵酸洗除垢，進(jìn)行了主機(jī)各缸吊缸等相關(guān)工作。主機(jī)啟動(dòng)檢查，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象有改善，但工況仍不能恢復(fù)到正常狀態(tài)。

調(diào)節(jié)柴油機(jī)的噴油定時(shí)，結(jié)合早期正常工況下測(cè)取的汽缸示功圖的爆發(fā)壓力、壓縮壓力、燃燒狀態(tài)，分析研究柴油機(jī)增壓器故障引起后繼柴油機(jī)排溫過高的原因。

2 故障原因診斷分析

以2015年8月在主機(jī)早期正常工況下測(cè)取的熱工參數(shù)與2017年故障狀態(tài)時(shí)的熱工參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見表1、表2。

表1 主機(jī)主要熱工參數(shù)對(duì)照表

表2 主機(jī)其他熱工參數(shù)對(duì)照表

從表 1和表2 可以看出，在同樣工況下，2017年10月的最高爆發(fā)壓力和壓縮壓力比2015年8月降低許多，主機(jī)排溫平均每缸升高50～60 ℃，掃氣壓力也降低0.013 MPa。增壓器廢氣進(jìn)口溫度增加了約70 ℃，出口溫度增加了約60 ℃，說明主機(jī)工況惡化。

柴油機(jī)的燃燒過程主要受燃油品質(zhì)、噴油正時(shí)、換氣質(zhì)量、霧化質(zhì)量等工況因素影響。因此，本文案例中，柴油機(jī)的排溫?zé)嶝?fù)荷增大引起故障降速，不難確定是由于增壓器喘振，進(jìn)、出口廢氣溫度過高引起的[3]。

3 故障原因分析及排除

2015年與2017年的汽缸掃氣溫度變化不大，因此，排除空氣冷卻器冷卻側(cè)臟堵的原因。另一方面，在航行中，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速增加到101～105 r/min時(shí)，增壓器發(fā)出喘振聲；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至115 r/min以上時(shí)，隨著增壓器轉(zhuǎn)速升高，掃氣壓力增加，增壓器喘振加劇，且本體振動(dòng)劇烈，同時(shí)主機(jī)排溫顯著增高。綜合分析主機(jī)增壓器喘振故障的原因，當(dāng)增壓器壓氣機(jī)端氣流實(shí)際流量<設(shè)計(jì)工況流量時(shí)，氣流會(huì)沖擊葉輪進(jìn)口處葉片凹面，并在凸面分離氣流，從而引起增壓器喘振，同時(shí)掃氣增壓效率下降。

有關(guān)技術(shù)資料將喘振原因分為增壓器氣體流動(dòng)管道堵塞和增壓器氣體流動(dòng)非管道堵塞2種[4]。

3.1 增壓器氣體流動(dòng)管道堵塞

柴油機(jī)正常工況下工作時(shí)，增壓系統(tǒng)的增壓器流動(dòng)管道氣流流動(dòng)線路為：空氣→空氣濾網(wǎng)→消音器→葉輪(壓氣機(jī)側(cè))→空冷器→主機(jī)掃氣箱→進(jìn)氣口(掃氣口)→柴油機(jī)汽缸→排氣口→排氣總管→渦輪端噴嘴環(huán)→葉輪(廢氣渦輪側(cè))→廢氣鍋爐→排出。在這條氣體流動(dòng)線路中，若有一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障，就會(huì)影響柴油機(jī)氣體流通性，造成柴油機(jī)增壓器喘振、增壓器性能效率和增壓掃氣壓力下降，以及主機(jī)排溫升高等，若等主機(jī)排溫升高到一定值后，就可能出現(xiàn)故障報(bào)警、自動(dòng)降速或停車的現(xiàn)象。表3為船舶增壓器故障和可能原因?qū)?yīng)表，通過表3來分析、判斷增壓器故障的相關(guān)現(xiàn)象和原因，并針對(duì)性解決。

3.2 增壓器氣體流動(dòng)非管道堵塞

1)增壓器工作環(huán)境溫度發(fā)生變化。船舶在較高氣溫的海域或季節(jié)航行時(shí)，其周圍空氣密度較小，因而增壓器的進(jìn)氣流量會(huì)減少，工作使排氣壓力下降，廢氣渦輪獲得的能量減少，在主機(jī)油門加大提高轉(zhuǎn)速的過程中，易產(chǎn)生增壓器喘振現(xiàn)象。

2)空冷器冷卻效果變差?？绽淦鞯目諝鈧?cè)和冷卻水側(cè)臟堵、產(chǎn)生結(jié)垢會(huì)使熱交換效果變差，從而使冷卻能力下降，柴油機(jī)排氣溫度升高，增壓器轉(zhuǎn)速升高，流量增大，易引起喘振。

3)船舶航行阻力增大。當(dāng)柴油機(jī)在高負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)噴油量必須有所增加，提高轉(zhuǎn)速，才能保持一定的航速。但此時(shí)由于高負(fù)荷阻力的原因，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速反而有所降低，增壓空氣的流量反而減小，氣體流通過程中在渦輪側(cè)和壓氣機(jī)側(cè)產(chǎn)生流量上不匹配的矛盾，因而增壓器更易發(fā)生喘振。[5]

表3 船舶增壓器故障和可能原因?qū)?yīng)表

4)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)故障。若柴油機(jī)燃燒噴油系統(tǒng)發(fā)生故障，會(huì)產(chǎn)生燃燒后燃加劇，主機(jī)排溫升高，燃燒終點(diǎn)滯后，使增壓器轉(zhuǎn)速升高，壓氣機(jī)壓縮氣體流量增大，與渦輪側(cè)氣體流量不匹配，易發(fā)生喘振。

5)柴油機(jī)單缸不工作或柴油主機(jī)手柄操車速度過猛。在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，若單缸熄火(主動(dòng)單缸停油)或者短時(shí)間內(nèi)急速減速、加速或停車，由于增壓器仍保持較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，不能立即減速或停轉(zhuǎn)，同時(shí)，增壓器的渦輪側(cè)空氣流量減少，而壓氣機(jī)側(cè)背壓仍處于較高狀態(tài)，在高背壓、小流量下運(yùn)行的增壓器，易引起喘振。[6]

經(jīng)大量的實(shí)踐調(diào)查，船舶航行過程中，主機(jī)增壓器氣體流動(dòng)管道堵塞也是引起增壓器喘振的主要原因。

對(duì)比2015年和2017年的數(shù)據(jù)，2年內(nèi)都不同程度的對(duì)柴油機(jī)增壓器相關(guān)設(shè)備進(jìn)行清潔、檢修處理(包括增壓器壓氣機(jī)葉輪、擴(kuò)壓器、噴嘴環(huán)、廢氣葉輪等部件)，還有進(jìn)口濾器、掃氣箱和排氣口等都進(jìn)行了清潔，增壓器甚至解體，對(duì)迷宮式密封、轉(zhuǎn)子軸封、氣封都進(jìn)行了修理或換新。但重新裝復(fù)測(cè)試后，增壓器和主機(jī)的運(yùn)行工況還是沒有得到太大改善。

因此，將柴油機(jī)正常工況運(yùn)行參數(shù)作為基準(zhǔn)，以近2年檢修改善增壓器工況的檢修工作為基礎(chǔ)，分析判斷以上故障產(chǎn)生的主要原因應(yīng)該是：增壓器渦輪側(cè)葉輪的葉片或者噴嘴環(huán)噴嘴葉片變形。后經(jīng)拆檢，對(duì)增壓器轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡試驗(yàn)(動(dòng)、靜平衡試驗(yàn))，確認(rèn)葉輪工作葉片有腐蝕以及一定程度的變形，為此，更換渦輪側(cè)葉輪，換新噴嘴環(huán)，試運(yùn)行主機(jī)，增壓器本體振動(dòng)減小，加速區(qū)喘振消失，主機(jī)運(yùn)行工況良好，各缸排氣溫度恢復(fù)到360 ℃左右正常狀態(tài)。

4 日常維護(hù)管理

在柴油機(jī)增壓系統(tǒng)日常管理中，應(yīng)依照各船實(shí)際情況和增壓系統(tǒng)說明書、保養(yǎng)手冊(cè)制訂出合理的維護(hù)管理工作流程。

1)柴油機(jī)在良好工況運(yùn)行時(shí)，仍應(yīng)按照輪機(jī)日志等技術(shù)文檔具體要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)記錄各項(xiàng)重要運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)(如各缸排溫、增壓器渦輪進(jìn)氣/排氣溫度、轉(zhuǎn)速、空冷器溫差和壓降等重要工況參數(shù))，這些重要參數(shù)既作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，也是后期發(fā)生故障后分析、排除的基本依據(jù)。

2)柴油機(jī)操作應(yīng)盡量平緩，柴油機(jī)增、減速操作不能動(dòng)作太迅猛，避免發(fā)生喘振現(xiàn)象，除非緊急情況。

3)船舶柴油主機(jī)高負(fù)荷條件下，不應(yīng)該為保持航速而加大噴油量，造成主機(jī)超負(fù)荷，而應(yīng)根據(jù)具體情況適當(dāng)降低主機(jī)噴油量。

4)輕油和重油燃燒轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整噴油提前角，輕油轉(zhuǎn)換為重油，應(yīng)適當(dāng)調(diào)大噴油提前角，以減少后燃，從而達(dá)到降低主機(jī)排溫的目的，反之亦然。

5)根據(jù)說明書要求和具體情況，清洗和拆檢主機(jī)增壓器和空冷器。

6)定期進(jìn)行鍋爐吹灰工作。

7)注意增壓器軸承的維護(hù)和保養(yǎng)。