5L70MCE柴油機汽缸活塞環(huán)異常磨損的分析處理

胡啟祥

(浙江交通職業(yè)技術學院，浙江杭州 311112)

某輪為巴拿馬型散貨船，6.4萬dwt，主機采用HEMEO 1977年制造的HYUNDAI B＆W5L70MCE型柴油機，5缸，缸徑700 mm，額定功率9 000 kW，額定轉速95 r/min，系高爆壓高增壓長沖程柴油機。

1 2次故障處理概況

1.1 初次故障及處理

該輪經(jīng)過某船廠對主機 No.1、No.4、No.5 缸進行吊缸常規(guī)保養(yǎng) (No.2、No.3缸1個月前已作保養(yǎng))等修理，加裝A燃料公司288 t的180 cst燃料油后，首航從黃驊運煤到北侖二期。輪機長按常規(guī)對主機進行磨合運轉。約55 h船抵錨地前主機換用輕柴油，在拋錨用車時，主機出現(xiàn)了連續(xù)2次倒車不發(fā)火現(xiàn)象，經(jīng)加大啟動油量后，主機運轉。

第2航次執(zhí)行去秦皇島運煤到北侖任務時，第1次倒車發(fā)火后有自動熄火現(xiàn)象，航行2 h之后多次發(fā)現(xiàn)主機No.3、No.5缸排氣溫度升至310～330℃ (正常排溫為300℃)，掃氣箱道門溫度在77～99℃之間，其余3缸則在43～55℃之間。主機停車檢查汽缸內部狀況時發(fā)現(xiàn)No.3缸第1道氣環(huán)近搭口處干燥，第2道環(huán)已內塌，第3、4道環(huán)油污;No.5缸第1、2、3道環(huán)油污，第4道斷環(huán)。因風浪漸大，輪機長依次采取了限制相應缸供油量，并加大汽缸注油量，以控制排溫和掃氣箱道門溫度。船抵目的地拋錨后，經(jīng)對主機各缸觀察孔進行檢查，發(fā)現(xiàn)各缸活塞環(huán)均有不同程度的磨損、斷環(huán)和粘環(huán)等現(xiàn)象，而且情況十分嚴重。于是，對主機No.1、No.2、No.3、No.4、No.5 缸進行了吊缸搶修，更換國產(chǎn)活塞環(huán)。

1.2 再次故障及處理

考慮到船在進廠前情況均正常，因此對新裝燃油品質產(chǎn)生懷疑，于是加裝了B燃料公司195 t的180 cst燃料油，并單獨存放，且將日用柜和沉淀柜內的存油駁空，加入新裝的燃料油，并從吊缸航修后開始使用。

然而，船在歸途中，主機No.4缸仍發(fā)生了同樣情況。船抵裝貨碼頭后，檢查發(fā)現(xiàn)新吊汽缸的活塞環(huán)又磨損了，No.4缸尤為嚴重，輪機長在對No.4缸進行吊缸的同時，并采取了下列措施:①提取2種燃料油油樣送專門機構進行化驗;②購買一批進口活塞環(huán)，將磨損環(huán)送活塞環(huán)廠進行材質化驗;③從管理上找原因，對油頭霧化、空冷器沖洗、汽缸注油量等都進行了檢查，并確認修船后主機的磨合程序基本正常。

第3航次，船從北侖二期到黃驊，在到黃驊的前一天，主機狀況又出現(xiàn)異常，特別是 No.3、No.5缸的排溫已明顯上升，掃氣箱的溫度更是大幅上升，說明汽缸內竄氣已很嚴重，但尚未造成掃氣箱著火。輪機長采取了降速、單缸減油和增大汽缸注油量的措施，勉強堅持到黃驊港。

船到黃驊港后，輪機長通過觀察孔對主機進行檢查，發(fā)現(xiàn)主機 No.3、No.4、No.5缸活塞環(huán)斷環(huán)、積炭、粘環(huán)、發(fā)黑等現(xiàn)象嚴重，在錨地對No.3、No.4、No.5 缸進行吊缸檢修。吊缸檢查發(fā)現(xiàn):①No.3、No.4、No.5 缸活塞環(huán)均已嚴重磨損(新環(huán)厚度為23 mm，磨損極限為20 mm)，大部分環(huán)厚度已超過磨損極限，見圖1;②掃氣總管與汽缸底部內有大量的殘余物，在汽缸底部的厚度約有1 cm，汽缸下部掃氣口外圍亦有附著殘余物，顏色漆黑、質地疏松、油膩、濕潤，像凡爾沙一樣，見圖2。

圖1 新環(huán)與磨損環(huán)

圖2 掃氣箱殘余物

根椐掃氣箱檢查的結果，認為由于掃氣箱殘余物進入汽缸內造成異常磨損的可能性較大，于是對掃氣箱內部進行清潔，并對汽缸底部和掃氣箱的放殘管進行灌水檢查，確認每根管子都暢通。此外，為了排除活塞環(huán)質量的因素，將主機No.3、No.4、No.5缸的活塞環(huán)全部換用日本進口活塞環(huán)，并對相應缸的油頭進行了試壓，各缸汽缸注油器的注油定時進行校對，對高壓油泵及VIT機構的動作進行觀察，并確認正常。

船再次開航后，嚴格按要求對主機進行了磨合運轉，輪機部值班人員每隔1 h檢查并記錄主機工況，并觀察其變化。約過35 h檢查主機時，發(fā)現(xiàn)No.3、No.5缸的掃氣箱道門溫度明顯升高，最高超過70℃。為了安全，主機采取了減速和單缸減負荷運行。由于風浪較大，船到長江口錨泊后，才打開汽缸觀察孔和掃氣箱道門檢查汽缸內部，發(fā)現(xiàn)掃氣箱內又有大量殘余物，各缸活塞和活塞環(huán)已被嚴重污染和磨損，No.3缸4道環(huán)均已失效，No.5缸3道環(huán)失效，見圖3。

圖3 故障時No.3、No.5缸掃氣口

2 停航修理

由于繼續(xù)航行主機有拉缸的危險，因此，船舶被迫在長江口錨地進行臨時吊缸修理。當時燃油化驗的結果還未出來，活塞環(huán)的因素可以排除，但持續(xù)的活塞環(huán)磨損，汽缸套同樣也會相應的磨損，如果缸套直徑或橢圓度磨損超限后會造成汽缸密封不良，進而造成汽缸竄氣，下竄的氣體可將掃氣箱內的殘余物吹起并通過掃氣口進入汽缸內，使汽缸套和活塞環(huán)快速磨損。因此公司指令在對主機No.3、No.4、No.5缸吊缸修理的同時，重點檢查缸套尺寸，并重新檢查掃氣箱放殘管路、污油柜的透氣管路和透氣管路上的節(jié)流孔板，再次清潔掃氣箱內部。在檢查 No.3、No.4、No.5缸的缸徑時，發(fā)現(xiàn)汽缸橢圓度超限十分嚴重，見圖4、圖5和表1。

一般情況下，把鑄鐵缸套磨損率＞0.1 mm/kh、活塞環(huán)磨損率＞0.5 mm/kh稱為異常磨損。在如此短的時間內，有如此大的磨損量，表明異常磨損已相當嚴重。用透光法校驗No.3缸，可以看到活塞環(huán)與缸壁之間有大于中心角60°的光環(huán)，汽缸密封已嚴重惡化。臨時修理后，船舶慢車駛往原修船廠修理。

圖4 No.3汽缸活塞環(huán)

圖5 No.5汽缸活塞環(huán)

表1 缸套測量記錄表 mm

為了徹底排除主機故障，有關專家制定了一套全面的修理方案，內容包括:①主機5只缸，全部吊缸檢修，根據(jù)缸套的測量數(shù)據(jù)來確定是否更換汽缸套;②將所有掃氣箱放殘管路拆卸進行清通，掃氣總管和活塞下部掃氣箱徹底清潔;③主機增壓器解體清潔檢查，增壓器廢氣進口蜂網(wǎng)板清通;④廢氣鍋爐煙側道門打開用高壓水槍沖洗煙管;⑤主機供油定時用專用標尺復查，噴油器試壓、校驗。

經(jīng)過修理，更換了全部活塞環(huán)、3只新缸套和1只活塞頭以后，出廠開航，船上按規(guī)定進行了磨合，9 h后停車打開汽缸觀察孔檢查，各缸活塞環(huán)光亮、清潔，氣密良好，情況正常，見圖6。

圖6 廠修后No.3、No.5缸掃氣口

之后，主機工況穩(wěn)定，各缸掃氣箱溫度均衡，多次檢查，結果各缸情況正常，磨合良好。

3 故障原因分析

對于這種高爆壓高增壓短裙活塞的柴油機，如果活塞下部掃氣箱放殘不當，或者放殘管堵塞，可能造成氣流將活塞下部掃氣箱內的殘余物通過氣口帶入汽缸內;尤其是汽缸套磨損較大、橢圓度增大后，由于活塞環(huán)與汽缸套貼合不好，汽缸竄氣會很嚴重，高溫高壓燃氣就會直沖汽缸底部，假如汽缸底部十分干凈，就不會有垃圾被吹起又從掃氣口吸入的情況。由于該輪的掃氣箱已長期沒有清潔，里面殘余物較多，因此，下竄的燃氣將這些殘余物吹散，又從掃氣口吸入，造成了汽缸二次顆粒 (掃氣箱殘余物)污染，使磨合無限期延長，最終造成了不可逆轉的活塞環(huán)和汽缸套的異常磨損。這就是后來多次吊缸換活塞環(huán)、換燃料油，依然發(fā)生活塞環(huán)及缸套嚴重磨損的主要原因。

各缸磨損量、橢圓度尚正常前，活塞環(huán)發(fā)生的異常磨損作何解釋，遲到的油樣化驗報告 (摘要)(見表2)引起了技術人員的關注。

表2 180 cst燃料油化驗報告 (摘要)

對缸套磨損而言，船用低速機燃用低質燃料油比燃用低硫的柴油高2～3倍;灰分含量高時會增加燃燒生成的金屬氧化物或金屬鹽，增大磨料磨損;殘?zhí)亢蜋C械雜質含量高也會增加磨料磨損。但對這2種燃料油，上述指標正常或基本正常。

燃料油中的鋁、硅以極硬的硅酸鋁顆粒形式存在，而且在催化裂化后也難于清除，因此，這些硅酸鋁顆粒將嚴重增加缸套活塞環(huán)的磨粒磨損 (是一次顆粒的主要部分)?；灲Y果表明:A公司提供的180 cst燃料油中金屬元素鋁與硅總量居然達到895 mg/kg，是標準的11倍多，屬嚴重超標。B公司提供的180 cst燃料油中金屬元素鋁與硅總量為183 mg/kg，是標準的2倍多，也屬超標。鑒于上述原因，可認為在船廠中第1次加裝的180 cst燃料油鋁與硅總量嚴重超標，是導致初次缸套活塞環(huán)異常磨損的主要原因。缸套活塞環(huán)異常磨損導致橢圓度等增大，造成燃燒室與掃氣箱竄氣，繼而使二次顆粒進入汽缸，引起事故擴大化。

在初次故障，尤其是確認活塞環(huán)嚴重磨損的情況下，僅僅更換活塞環(huán)、減油降溫，而沒有及時測量缸徑以確定磨損量，進而選擇合理的吊缸檢修方案，使事故處理失去了一次成功解決的機會。

4 教訓與啟示

這一事故歷時長，反復多，由于處理不當，造成了較大的經(jīng)濟損失。為防止類似事故處理失誤的發(fā)生，至少有以下幾點教訓值得吸取。

1)公司領導面對事故，應科學決策，積極支持技保部門履行職責，努力避免行政決策違背技術管理的科學性。要重視船員素質的提高，應在公司層面制定政策，獎優(yōu)罰劣。

2)技保部門應加強管理，提高科學性、有效性。積累船舶技術資料，制定動態(tài)管理、應急管理、定期交流等科學管理機制，按管理體系中持續(xù)改進的理念，對每次事故的經(jīng)驗教訓加以梳理，修正管理制度中的相應條目，確保事故分析處理準確、及時和管理水平持續(xù)提高。

3)船員應加強學習，不斷提高專業(yè)水平。一線船員既是船舶設備的操作者，又是故障的發(fā)現(xiàn)者、信息提供者，還是故障處理的執(zhí)行者，其業(yè)務水平對安全生產(chǎn)至關重要。特別是輪機長，更應鉆研業(yè)務，努力成為技術精英。面對問題，應及時報告和溝通，帶領船員全面檢查分析，抓住要點，有的放矢。切不可頭痛醫(yī)頭，顧此失彼，導致問題復雜化、擴大化。

［1］杜榮銘.船舶柴油機 ［M］.大連海事大學出版社，2006.

［2］滿一新.船機維修技術［M］.大連海事大學出版社，1999.