某船用低速柴油機(jī)曲拐箱爆炸原因分析

張云龍　王文育

【摘 要】 從事故調(diào)查的角度出發(fā)，以事故經(jīng)過、現(xiàn)場調(diào)查為基礎(chǔ)，分析二沖程低速柴油機(jī)曲拐箱爆炸的成因。在一些特定的條件下，如果管理不善，船用二沖程低速柴油機(jī)還是會發(fā)生類似于“曲拐箱爆炸”的重大機(jī)損事故，管理人員應(yīng)引起重視。

【關(guān)鍵詞】 缸頭漏水；汽缸水擊；倒車沖車；軸承干摩；閃爆；曲拐箱爆炸

1 事故概述

某船由德國VULKAN船廠建造，1994年出廠，為 TEU的集裝箱船，機(jī)艙配備額定功率為34 380 kW，SULZER NSD 9RTA84C型的直流掃氣低速主機(jī)，營運(yùn)轉(zhuǎn)速為97 r/min。

某日，該船在錨地拋錨。次日凌晨，駕駛臺通知備車，準(zhǔn)備進(jìn)港。約10 min后，主機(jī)備妥；約20 min后，起錨離底，駕駛臺動車，正車操主機(jī)，從DEAD SLOW逐步上升到HALF車令。當(dāng)動車約5 min時，機(jī)艙發(fā)出沉悶的爆炸聲，同時火警報警，主機(jī)自動減速。機(jī)艙致電駕駛臺，立即停車。響聲過后，機(jī)艙出現(xiàn)濃煙、局部火燒，初步判斷為主機(jī)曲拐箱爆炸，造成機(jī)損。船舶失去動力，由拖船拖帶至碼頭，靠泊后進(jìn)行主機(jī)檢查和修理。

2 事故調(diào)查

低速二沖程柴油機(jī)曲拐箱爆炸的現(xiàn)象比較罕見。船管公司立即組織人員到現(xiàn)場查明事故原因，以吸取教訓(xùn)，避免類似事件再次發(fā)生。調(diào)查小組隨即開展資料收集等相關(guān)的事故調(diào)查、取證工作。

2.1 事故經(jīng)過

某日1610時，該船抵錨地拋錨，主機(jī)完車，準(zhǔn)備次日凌晨靠泊。1800時，輪機(jī)部決定利用船舶拋錨的間隙，對主機(jī)No.6排氣閥進(jìn)行更換。2030時，No.6排氣閥更換完畢。2200時，主機(jī)完成壓水，加溫暖缸，主機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)正常。

次日凌晨0225時，機(jī)艙高溫膨脹，水箱低位報警，當(dāng)值輪機(jī)員下機(jī)艙處理報警，對報警原因進(jìn)行了簡單查找，沒有發(fā)現(xiàn)特別異常。0320時，駕駛臺通知機(jī)艙備車，準(zhǔn)備進(jìn)港靠泊，當(dāng)值輪機(jī)員及機(jī)工下機(jī)艙進(jìn)行備車；隨后備車完畢，準(zhǔn)備沖車。0332時，集控室手動控制，沖車，主機(jī)轉(zhuǎn)速10 r/min，發(fā)現(xiàn)No.3缸示功閥有水柱噴出，機(jī)工立即將情況報告在集控室操車的值班輪機(jī)員；值班輪機(jī)員繼續(xù)進(jìn)行第2次沖車，主機(jī)沒有轉(zhuǎn)速，從No.3缸示功閥噴出的水量減少；緊接著，值班輪機(jī)員進(jìn)行第3次沖車，本次為倒車沖車，主機(jī)轉(zhuǎn)速 10 r/min；此時，No.3缸示功閥沒有水噴出，值班輪機(jī)員命令機(jī)工關(guān)閉所有缸示功閥。0336時，值班輪機(jī)員在集控室正車啟動主機(jī)，啟動正常。0338時，主機(jī)轉(zhuǎn)換為駕駛臺自動控制，駕駛臺操縱，主機(jī)正、倒車啟動正常，備車完畢，等待起錨進(jìn)港；在備車時，共動車6次，其中集控室動車4次，第2次為倒車沖車。約等待12 min后，起錨離底，準(zhǔn)備正式用車。

0350時54秒，駕駛臺操主機(jī)正車DEAD SLOW（指令主機(jī)轉(zhuǎn)速25 r/min）；0351時01秒，主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)30 r/min；駕駛臺開正車SLOW（指令主機(jī)轉(zhuǎn)速38 r/min）；0351時14秒，主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)41 r/min；0354時44秒，開HALF （指令主機(jī)轉(zhuǎn)速52 r/min），主機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速47 r/min；0355時36秒，動車約5 min，主機(jī)油霧因濃度高報警；0355時41秒，機(jī)艙火警報警（以上數(shù)據(jù)采自于車鐘自動記錄儀以及報警自動打印儀）。

幾乎在報警的同時，機(jī)艙突然發(fā)出沉悶的爆炸聲，主機(jī)自動減速。機(jī)艙致電駕駛臺，并立即停車。船長感到事態(tài)嚴(yán)重，命令原地拋錨，要求機(jī)艙查清原因。在巨響過后，機(jī)艙出現(xiàn)濃煙，能見度不足1 m，主機(jī)周圍易燃物被引燃，多只燈罩及透平濾網(wǎng)燒毀。

經(jīng)船方初步檢查，判斷為主機(jī)曲拐箱爆炸。

2.2 現(xiàn)場調(diào)查

在現(xiàn)場，主機(jī)No.3缸已被全面拆開，由專業(yè)廠家進(jìn)行檢查、修理，更換已有嚴(yán)重裂縫、漏水的缸頭，以及對曲拐箱內(nèi)的十字頭下瓦、連桿軸瓦、該缸前后主軸瓦、各處軸頸等進(jìn)行檢查、修理。這些軸瓦有明顯的局部損壞，并存在局部與軸徑粘連后嚴(yán)重的拉毛現(xiàn)象，相關(guān)軸徑也有不同程度的拉毛損傷。

在現(xiàn)場可以看到，主機(jī)側(cè)面共有9個防爆門，已有8個防爆門有開啟的痕跡。防爆門開啟處有明顯的燒痕，特別是No.3缸的防爆門，燒痕較為明顯，說明曲拐箱爆炸的主要位置在No.3缸附近。

現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn)在曲拐箱內(nèi)有明顯的著火點(diǎn)及燃燒痕跡。查看已更換下來的No.3缸缸頭，發(fā)現(xiàn)缸頭內(nèi)部裂縫非常大，在排氣閥座下方的觸火面已有長約75 cm的裂縫，大量的水從該裂縫處漏出，進(jìn)入燃燒室。裂縫處有明顯的、由于漏水而形成的銹跡。

該船舶膨脹水箱為手動補(bǔ)水，而在4 h左右的時間內(nèi)，漏水逾1 m3，可見該裂縫較大。在膨脹水箱低位報警后，當(dāng)值輪機(jī)員下機(jī)艙處理，并對報警原因進(jìn)行了簡單查找，但未作進(jìn)一步檢查，失去一次發(fā)現(xiàn)問題的絕佳機(jī)會。

在發(fā)生故障時，該缸蓋換新后已運(yùn)行了 h，觸火面有多處明顯裂紋，包括噴油嘴附近的小裂縫（未穿透）以及已大量漏水的排氣閥座下的一圈大裂縫。從該缸已有的裂縫看，裂縫多、長、深、寬。這些裂縫的形成應(yīng)該有一個發(fā)展過程，特別是排氣閥下裂縫的形成和逐步滲漏應(yīng)有一定的時間了。該缸在1個月前進(jìn)行吊缸檢修時沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)裂縫痕跡，吊缸后只運(yùn)行了561 h，說明吊缸時對缸頭檢查不夠認(rèn)真。在事發(fā)前10天，輪機(jī)部人員進(jìn)行了掃氣箱清潔。大管輪負(fù)責(zé)掃氣箱內(nèi)部清潔和燃燒室內(nèi)部檢查，輪機(jī)長負(fù)責(zé)主機(jī)外部，從小道門處對主機(jī)內(nèi)部進(jìn)行檢查。此次檢查均未發(fā)現(xiàn)No.3缸有滴水痕跡等異常情況，說明檢查有可能存在不到位的地方。船舶失去了吊缸時檢查、掃氣箱檢查2次發(fā)現(xiàn)隱患的良好機(jī)會。

據(jù)輪機(jī)長反映，主機(jī)單缸冷卻使水閥無法關(guān)嚴(yán)，在換No.6排氣閥時，需對整臺主機(jī)放水，因此，在換排氣閥完工后對高溫冷卻系統(tǒng)進(jìn)行大量且長時間的補(bǔ)水，造成主機(jī)冷、熱變化范圍大，局部熱應(yīng)力大，可能導(dǎo)致原有的裂縫加速開裂。

3 事故原因

從以上調(diào)查到的情況分析，事故原因為“缸頭漏水，形成水擊，損壞軸瓦，造成干摩，引發(fā)曲拐箱爆炸”。

具體原因分析如下：

在停機(jī)狀態(tài)時，No.3缸活塞正處于壓縮沖程，封閉了掃氣口。由于No.3缸缸頭的排氣閥座下方觸火面出現(xiàn)裂縫，大量向燃燒室內(nèi)漏水，一小部分水通過不能完全密封的活塞令漏到掃氣箱內(nèi)，大量的水積聚在該缸活塞頭頂，但此時的缸套內(nèi)并未完全積滿水。

在第一次沖車時（主機(jī)轉(zhuǎn)速10 r/min），相鄰缸進(jìn)入壓縮空氣，帶動該缸活塞上行。在壓縮空氣的動力下，No.3缸活塞快速向上運(yùn)動，引發(fā)缸內(nèi)水擊。巨大的沖擊力從活塞傳到曲拐箱內(nèi)的十字頭瓦、連桿軸瓦以及該缸前、后的主軸瓦等，導(dǎo)致相關(guān)部件損壞。本次沖車示功閥為開啟狀態(tài)，可以釋放一定的壓力，因此，作用在運(yùn)動部件上的水擊力量相對要小一點(diǎn)。由于在第一次沖車的作用下該缸活塞上部全部積滿了水，第二次沖車主機(jī)沒有運(yùn)轉(zhuǎn)，也就不至于形成水擊而傷害主機(jī)。在緊接著的一次倒車過程中，積聚在活塞上部的水通過掃氣口全部釋放到了掃氣箱內(nèi)，因此，在以后的沖車及啟動中，主機(jī)表現(xiàn)為正常狀態(tài)。

在備車完畢等待起錨的這12 min內(nèi)，No.3缸又正好處于壓縮沖程，缸頭又形成一定量的積水。在啟動時，由于該缸示功閥為關(guān)閉狀態(tài)，形成了更為嚴(yán)重的水擊。

在主機(jī)運(yùn)行過程中，氣缸內(nèi)形成一定的壓力，迫使內(nèi)漏減輕或消失，甚至缸內(nèi)燃?xì)鈺构嗟剿到y(tǒng)中，即使還有少量漏水，在掃氣口打開時，水就進(jìn)入掃氣箱，因此，在主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時是不會造成水擊的。

從以上分析可以判斷，造成主機(jī)相關(guān)軸瓦損壞的過程主要是在第一次沖車及主機(jī)正式啟動時No.3缸形成的水擊作用。

在這2次的水擊作用下，巨大的沖擊力使該缸相關(guān)軸瓦局部損壞，并與軸徑粘連，軸承間沒有間隙，無法建立油膜。

在主機(jī)開始運(yùn)行時，相關(guān)損壞軸承局部干磨，使軸承間干磨處的溫度快速升高。在開始運(yùn)行到發(fā)生爆炸的這5 min時間內(nèi)，為一個加熱過程，軸承周圍的油快速蒸發(fā)，形成油氣，與曲拐箱內(nèi)的空氣混合，油氣濃度達(dá)到爆炸上限。同時，這5 min的干磨過程也是損壞的軸承間形成著火熱源的過程。

損壞的軸承周圍油氣溫度達(dá)到了該油氣的閃點(diǎn)（200℃左右），遇到軸承間干磨產(chǎn)生的熱源點(diǎn)，點(diǎn)燃了曲拐箱內(nèi)油氣和空氣的混合物，瞬間發(fā)生化學(xué)爆炸（稱之為“閃爆”），致使曲拐箱內(nèi)壓力急速升高，沖開防爆門?！伴W爆”的油氣沖出曲拐箱，形成火球，掃過主機(jī)周圍并快速向上竄，在火球經(jīng)過的路徑上，將可燃物燒掉。由于機(jī)艙內(nèi)沒有堆放大量的可燃物，火球在燒完后自然熄滅，并留下燃燒痕跡。機(jī)艙內(nèi)沒有形成真正的火災(zāi)，得益于該船舶對機(jī)艙的清潔、整理，沒有亂堆、亂放，且主機(jī)周圍比較整潔。

曲拐箱內(nèi)發(fā)生的化學(xué)爆炸需要消耗大量的空氣，原有的空氣和油氣混合物在“閃爆”后沖出了曲拐箱，導(dǎo)致曲拐箱內(nèi)缺少新鮮空氣。由于來不及從曲拐箱透氣孔（自閉式）補(bǔ)充新鮮空氣，所以“閃爆”后的油氣沖出曲拐箱后，在曲拐箱內(nèi)沒有形成真正的燃燒，就不存在燃燒痕跡。

至于著火點(diǎn)，也就是熱源點(diǎn)，應(yīng)該是在No.3缸的某軸瓦與軸徑的干磨處，但無法判斷具體位置。這是因為產(chǎn)生高溫的時間短（主機(jī)僅運(yùn)行5 min），還不足以使軸徑發(fā)藍(lán)（500～600℃），并且在著火后，主機(jī)還運(yùn)行了1 min左右，即使留下輕微的著火點(diǎn)痕跡，也在繼續(xù)運(yùn)行的這1 min內(nèi)被磨掉了。

4 結(jié) 語

以上事實(shí)說明，船用低速柴油機(jī)運(yùn)行比較平穩(wěn)、可靠，但在一些特定的條件下，還是會發(fā)生“曲拐箱爆炸”之類的重大機(jī)損事故。