兩起船用增壓器故障分析及管理建議

文/ 大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 葉朝陽

廢氣渦輪增壓器是柴油機(jī)的一個關(guān)鍵性設(shè)備，其工作環(huán)境惡劣，轉(zhuǎn)速高，裝配間隙小，一旦發(fā)生故障通常損壞程度較大，輕則耽誤船期，造成經(jīng)濟(jì)損失，重則影響船舶和船員安全。保持增壓器的良好工況，不僅能降低主機(jī)的燃油消耗，保持主機(jī)的高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，而且對降低排放、保護(hù)環(huán)境有著積極的意義。為了降低故障的發(fā)生率，管理者應(yīng)不斷學(xué)習(xí)和總結(jié)，提高管理水平。本文對兩起增壓器的故障進(jìn)行分析總結(jié)，與同行交流分享管理心得。

一、故障案例一

1. 故障現(xiàn)象

X船主機(jī)型號為MAN B&W 7S50MC-C, 增壓器型號為MAN B&W TCA66。某航次航行途中突然發(fā)生全船失電事故，主機(jī)自動保護(hù)停車。待全船失電恢復(fù)正常后重新啟動主機(jī)，發(fā)現(xiàn)增壓器滑油低壓報警，報警設(shè)定值為0.16 MPa, 調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥，將壓力升至0.19 MPa，主機(jī)緩慢加速，發(fā)現(xiàn)增壓器異響，油霧從壓氣機(jī)消音器溢出。手動停車，對增壓器進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)推力軸承盤碎成4塊，推力環(huán)和推力軸承之間滑動表面有拉痕，并附著炭化的滑油，軸頸軸承內(nèi)表面嚴(yán)重咬傷，內(nèi)徑擴(kuò)大5 mm之多。由于沒有備件，只能停用增壓器，主機(jī)降速維持到港。

2. 增壓器軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及潤滑

從故障現(xiàn)象可以得出結(jié)論：此次損壞是由于各潤滑部件缺少潤滑油而導(dǎo)致的。TCA66增壓器是曼恩公司2002年研發(fā)成功的高壓比軸流式新型增壓器，其結(jié)構(gòu)有較大的改進(jìn)：一體式軸承室；滑動式軸頸軸承位于壓氣機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪之間，屬內(nèi)支撐式；組合式推力軸承位于壓氣機(jī)葉輪和壓氣機(jī)端軸頸軸承之間，包括正反向推力軸承、推力環(huán)、推力軸承盤。軸承室的滑油正常情況下由主機(jī)系統(tǒng)油供給，應(yīng)急情況下由設(shè)置在增壓器上部的應(yīng)急油柜供給（見圖1和圖2）。

圖1 增壓器滑油供給圖

圖2 增壓器應(yīng)急供油時間

由圖1和圖2可知：正常情況下主機(jī)活塞冷卻油分支經(jīng)節(jié)流孔板（Φ8 mm）、壓力調(diào)節(jié)閥和進(jìn)油單向閥（此時打開）給增壓器軸承室供油，一路去潤滑各部件，另一路通過供油單向閥（此時關(guān)閉）的旁通小孔向應(yīng)急油柜補(bǔ)油，當(dāng)油柜油位沒過溢流管后油柜頂部空氣開始被壓縮，由于溢流管內(nèi)徑（Φ3 mm）小于旁通小孔內(nèi)徑（Φ7.2 mm），油位會繼續(xù)上升，直至頂部空氣壓力與補(bǔ)油壓力相等時停止（液位4）。當(dāng)主機(jī)滑油泵停止供油時，軸承室進(jìn)油單向閥關(guān)閉，應(yīng)

急油柜里儲存的滑油在其上部壓縮空氣的作用下一路通過供油單向閥（此時打開）向增壓器軸承室供油，一路通過溢流管流出。大約30 s后，油位降至液位3，溢流管露出，滑油只供給增壓器。此時油壓接近大氣壓，故需依靠重力作用供油，而應(yīng)急油柜安裝在增壓器軸承室的上方，位置不高，因此供油將變得困難，供油量會大幅下降。大約160 s后，油位由液位3降至液位2，進(jìn)油管管口露出，滑油開始通過進(jìn)油管底部的兩個小孔（Φ3.5 mm）給增壓器軸承室供油。大約30 min后油位由液位2降至液位1，應(yīng)急供油結(jié)束。

3. 故障的分析和調(diào)查

全船失電時，主機(jī)滑油泵立即停止供油，應(yīng)急油柜向增壓器軸承室供油。此時增壓器轉(zhuǎn)速大約有10 000 r/min, 在慣性作用下依然高速旋轉(zhuǎn)，然而由于應(yīng)急油柜未供油或供油不足，潤滑部件高速干磨，產(chǎn)生的磨粒附著在運(yùn)動副表面，摩擦阻力加大，溫度急劇升高，運(yùn)動副燒熔，裝配間隙增大，震動加劇，進(jìn)而導(dǎo)致推力軸承盤碎裂。全船失電恢復(fù)正常后再次啟動主機(jī)，由于裝配間隙變大，滑油壓力自然就會降低，乃至報警。在人為調(diào)整壓力后慢慢加速，增壓器由于運(yùn)動部件的損壞發(fā)生強(qiáng)烈震動，產(chǎn)生的高溫蒸發(fā)滑油，油霧從壓氣機(jī)消音器溢出。

此次故障是由于應(yīng)急油柜未供油或供油不足而引起的，故決定將其解體以調(diào)查緣由。應(yīng)急油柜為筒形，兩端有法蘭，臥式安裝，外觀檢查油柜發(fā)現(xiàn)其一端端蓋上部有微量漏油痕跡，打開端蓋發(fā)現(xiàn)油柜內(nèi)部較干凈，供油單向閥和供油管正常，這表明故障可能是因供油不足引起。仔細(xì)分析應(yīng)急油柜供油原理發(fā)現(xiàn)：在主機(jī)滑油向油柜補(bǔ)油時，當(dāng)補(bǔ)油壓力與油柜上部被壓縮的空氣壓力相等時，補(bǔ)油動作停止。如果此壓縮空氣慢慢由泄漏點(diǎn)漏出，那么補(bǔ)油動作將慢慢繼續(xù)，直至液位在泄漏點(diǎn)保持動態(tài)平衡，然后滑油可能從空氣泄漏處緩慢滲出。當(dāng)需要油柜應(yīng)急供油時，少量滑油（低于正常應(yīng)急供給量）流出油柜后，油柜里的滑油壓力就等于大氣壓，因為泄漏處很細(xì)微，油柜基本密封（因溢流管還浸在滑油中），因此油柜中的滑油很難再流出為增壓器供油，則各潤滑部件會因為應(yīng)急供油不足而損壞。外觀檢查油柜時發(fā)現(xiàn)一端端蓋上部有微量漏油痕跡支持了以上的推斷。

4. 故障總結(jié)

這起增壓器故障較為罕見，產(chǎn)生原因系管理人員通過分析而得出，受限于各種客觀因素，船方無法通過科學(xué)實驗來驗證。曼恩公司的服務(wù)工程師也參與了故障的調(diào)查，在共同的調(diào)查和分析下，決定更換應(yīng)急油柜，筒形新油柜兩端將采用焊接式，以降低泄漏發(fā)生的幾率。由于焊接式的端蓋會給日后的油柜清潔保養(yǎng)帶來困難，可考慮在兩端的端蓋上安裝可以打開的盲板，方便油柜的清潔。根據(jù)應(yīng)急供油原理，盲板的最高位置應(yīng)低于溢流管的高度，這樣即使盲板有微小的滲漏，滲漏的也只是滑油，仍然能保證應(yīng)急油柜頂部有足夠的被壓縮空氣，從而油柜在需要應(yīng)急供油時能發(fā)揮作用。在油柜未更換期間，注意檢查油柜有無泄漏。船舶在港或錨地時，檢查油柜的應(yīng)急供油功能，停止主機(jī)滑油泵的同時通過回油觀察鏡檢查供油量和供油時間。

二、故障案例二

1. 故障現(xiàn)象

Y船和X船是姐妹船，主機(jī)和增壓器的選型是一樣的，其出廠時間早于X船半年。某日X船收到船舶管理公司來電，要求檢查主機(jī)增壓器廢氣進(jìn)氣管中的保護(hù)格柵工作狀況，并通報了Y船主機(jī)增壓器的損壞情況：在航行途中保護(hù)格柵損壞，損壞的格柵進(jìn)入渦輪機(jī)導(dǎo)致渦輪葉片等部件損壞。

2. 檢查的結(jié)果和分析

TCA66是一款定壓增壓器，主機(jī)各缸的排氣支管都接到一根排氣總管上，排氣總管體積較大，各缸排出的廢氣進(jìn)入后迅速膨脹、擴(kuò)散并很快穩(wěn)定下來，排氣總管實際上成了一個具有穩(wěn)壓作用的集氣箱，集氣箱中的廢氣再經(jīng)過連接管進(jìn)入廢氣渦輪。連接管中安裝一保護(hù)格柵，用以防止異物損壞廢氣渦輪。

打開集氣箱一端的人孔進(jìn)入其中，通過連接管管口檢查格柵的狀況，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀的格柵向渦輪機(jī)側(cè)鼓起。從連接管中拆下格柵仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)狀格柵焊接在一法蘭上，有幾處焊接點(diǎn)已經(jīng)斷裂，讓人慶幸的是格柵未脫落。

保護(hù)格柵使用壽命很長，通常從集氣箱過來的異物都不能將其損壞。X船服務(wù)時間只有大半年，本該起阻止異物作用的格柵自己卻險些成了損壞渦輪機(jī)的異物。由于格柵向增壓器側(cè)鼓起，如果其材料和制作工藝等沒有缺陷，那么可能有異常的高壓廢氣進(jìn)入連接管沖刷了格柵。再次進(jìn)入集氣箱詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)主機(jī)第四缸排氣支管口的對面布置的就是連接管管口。正常情況下，當(dāng)主機(jī)第四缸排氣閥開啟排氣時，高壓的廢氣進(jìn)入集氣箱膨脹降壓、擴(kuò)散并穩(wěn)定下來進(jìn)入連接管。由于增壓器的連接管管口在集氣箱上的位置為第四缸排氣支管管口的對面，部分第四缸的排氣來不及膨脹降壓就進(jìn)入連接管，直接沖刷保護(hù)格柵，從而降低格柵壽命并引起其損壞。

3. 故障總結(jié)

故障是由于設(shè)計缺陷而引起的，通常船舶管理者很難在故障發(fā)生前察覺。如果增壓器布置在集氣箱的端側(cè)，顯然不會出現(xiàn)這樣的故障。如果由于布置困難，增壓器位于集氣箱的側(cè)面，進(jìn)入集氣箱檢查連接管管口的位置就變得很有意義。將檢查結(jié)果反饋給船舶管理公司，公司在與船廠進(jìn)行技術(shù)探討后決定進(jìn)行改造，此后格柵再未出現(xiàn)類似的狀況。

三、管理建議

1. 針對船公司的技術(shù)管理者

船上管理者由于條件所限，獲得的外部信息較少，船公司管理者應(yīng)建立一個有效的機(jī)制，將搜集的內(nèi)外部資料傳遞給船舶，避免同樣或類似的故障在本公司船舶發(fā)生。故障案例二很好地證明了信息分享的重要性。

2. 針對船上的設(shè)備管理者

增壓器技術(shù)發(fā)展較快，近幾年ABB公司推出了新型的A100系列增壓器，曼恩公司的TCA和TCR系列增壓器開始引入可變噴嘴環(huán)（VTA）技術(shù)，新近研發(fā)了二級渦輪增壓系統(tǒng)并于今年推出了專門針對二級增壓技術(shù)的TCX系列斜流式增壓器，這些先進(jìn)的技術(shù)對管理者的水平提出了更高的要求。設(shè)備管理者一方面應(yīng)依據(jù)說明書的要求和經(jīng)驗對增壓器進(jìn)行常規(guī)的維護(hù)保養(yǎng)，另一方面應(yīng)認(rèn)真分析增壓器的改進(jìn)部件，了解其工作原理，理解其管理要點(diǎn)，方能減少故障發(fā)生。

[1]孫培廷.船舶柴油機(jī)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2002.