某船燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大問題的分析及解決

陳燕飛， 陳 猛， 肖 超

（上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

主機(jī)是船舶與海洋工程中最重要的設(shè)備之一，是保證推進(jìn)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。主機(jī)的非正常工作（比如燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大）可能嚴(yán)重影響主機(jī)燃油噴射系統(tǒng)，產(chǎn)生破壞燃油系統(tǒng)（包括閥件、濾器、測(cè)量設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備等）的應(yīng)力，導(dǎo)致燃油進(jìn)主機(jī)壓力低壓報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致航行過程中主機(jī)降速或停車，威脅船舶的安全航行和營運(yùn)。

在某船試航期間進(jìn)行主機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，船東發(fā)現(xiàn)其燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)太大（主機(jī)其他參數(shù)正常），由低到高不斷增加主機(jī)負(fù)荷的過程中發(fā)現(xiàn)：在低負(fù)荷時(shí)燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較小，隨著負(fù)荷的不斷增加，壓力波動(dòng)變大；主機(jī)負(fù)荷在FULL檔以下時(shí)，燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)范圍在100kPa以內(nèi)；在主機(jī)負(fù)荷到達(dá)FULL檔以后，燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)范圍已達(dá)200kPa以上。在此期間，間斷性出現(xiàn)過幾次燃油進(jìn)主機(jī)壓力低壓報(bào)警（報(bào)警設(shè)置為7s延時(shí)）。

1 燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大問題的分析

通過仔細(xì)分析導(dǎo)致燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大的主要因素，認(rèn)為可在主機(jī)進(jìn)油總管和回油總管安裝蓄能器[1]。通過比較囊式蓄能器、自制蓄能器、金屬波紋蓄能器和彈簧式蓄能器等備選方案，認(rèn)為：金屬波紋蓄能器最好，彈簧式蓄能器較好，都能有效穩(wěn)定燃油進(jìn)主機(jī)的壓力；自制蓄能器和囊式蓄能器可作為備選，但其綜合性能需在實(shí)際航行和運(yùn)營過程中驗(yàn)證。

1.1 供油單元整體的影響

當(dāng)該船出現(xiàn)燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大的情況時(shí)，燃油進(jìn)主機(jī)壓力1（位于主機(jī)進(jìn)油總管，主機(jī)6#缸之后）與燃油進(jìn)機(jī)壓力2（位于主機(jī)進(jìn)油總管，主機(jī)4#缸與5#缸之間）的壓力波動(dòng)范圍差別較大，燃油進(jìn)機(jī)壓力1相對(duì)比較穩(wěn)定。

主機(jī)生產(chǎn)公司認(rèn)為這可能是因?yàn)楣┯蛦卧髁坎蛔?，建議旁通發(fā)電機(jī)，使供油單元僅供主機(jī)使用：將供油單元至發(fā)電機(jī)的相關(guān)管路所有進(jìn)、出口閥關(guān)閉，但主機(jī)各檔負(fù)荷下壓力波動(dòng)問題沒有得到明顯改善。

另外，該船的供油單元增壓泵是機(jī)械密封螺桿泵（一種容積泵），排出壓力僅取決于外負(fù)荷的高低和拖動(dòng)效率的大小，額定排出壓力與工作部件尺寸、轉(zhuǎn)速無關(guān)，主要取決于泵的密封性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和原動(dòng)機(jī)功率。在一般情況下，若外負(fù)荷異常增高，為避免排出壓力異常增大，常在螺桿泵的排、吸口間裝設(shè)安全旁通閥。該船的供油單元供給泵和增壓泵都帶有安全閥（見圖1）。

圖1 供油單元部分內(nèi)部原理

圖1中：D為油出口（通向主機(jī)）；E為主機(jī)回油；O為供油單元的油泄放。該供油單元的基本原理為：增壓泵（1.3和1.4）為機(jī)械密封螺桿泵，帶有安全閥；一臺(tái)增壓泵工作，另一臺(tái)增壓泵備用，安裝有可自動(dòng)切換工作方式的電機(jī)（1.3.1和1.4.1），電機(jī)帶有空間加熱器并驅(qū)動(dòng)增壓泵工作；供油單元的供給泵將油輸送至壓力混油柜（4.1），由增壓泵（1.3和1.4）增壓之后通過D輸送給主機(jī)，供主機(jī)正常工作。通過分析可知：僅供油單元整體的影響，不是導(dǎo)致燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大的原因。

1.2 燃油供給系統(tǒng)管路原理的影響

按照該船的系統(tǒng)圖檢查整個(gè)燃油日用系統(tǒng)管路，發(fā)現(xiàn)主機(jī)進(jìn)油管與回油管之間的調(diào)壓閥FSV31安裝錯(cuò)誤（見圖2）。燃油供給系統(tǒng)管路的基本原理為：來自主機(jī)、輔機(jī)燃油供油單元的油經(jīng)過FS45和FS46管路，通過快關(guān)閥（FSV29）進(jìn)口X（主機(jī)燃油進(jìn)口），從F（燃油出口），經(jīng)過FS48、FS64和FS50管路返回到主機(jī)、輔機(jī)燃油供油單元，主機(jī)進(jìn)油管路FS45、FS46與主機(jī)回油管路FS48、FS64之間的管路FS47上有壓力調(diào)節(jié)閥FSV31。

圖2 燃油日用系統(tǒng)

在發(fā)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)閥FSV31裝反之后，及時(shí)轉(zhuǎn)為柴油模式，使應(yīng)急柴油泵給發(fā)電機(jī)供油，停主機(jī)，重新正確安裝壓力調(diào)節(jié)閥FSV31。在重新安裝完畢之后，調(diào)整該壓力調(diào)節(jié)閥及燃油供給系統(tǒng)管路上的其他壓力調(diào)節(jié)閥，完畢之后在柴油模式下增加主機(jī)負(fù)荷，查看燃油進(jìn)主機(jī)壓力，但壓力波動(dòng)沒有改變。同時(shí)，將壓力調(diào)節(jié)閥 FSV31關(guān)至最小，發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷較低時(shí)燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)范圍有所收窄，但當(dāng)主機(jī)負(fù)荷增加至FULL檔以后燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)變大。這說明管路上的壓力調(diào)節(jié)閥FSV31不能有效緩解燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)問題。

1.3 主機(jī)的影響

主機(jī)生產(chǎn)公司認(rèn)為可能是主機(jī)某缸吸入閥的問題，建議單缸熄火查看燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)的情況。于是，對(duì)該船的主機(jī)由1缸至6缸逐個(gè)熄火，燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)情況基本一致，在沒有發(fā)現(xiàn)某缸熄火時(shí)，燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)明顯減小。在單缸熄火，供油單元僅供主機(jī)使用時(shí)，將供油單元至發(fā)電機(jī)的管路的所有進(jìn)、出口閥關(guān)閉，但各檔負(fù)荷下壓力波動(dòng)的情況也未得到明顯改善。

進(jìn)一步排查主機(jī)相關(guān)管路：將主機(jī)各缸吸入閥、主機(jī)機(jī)帶燃油調(diào)壓閥拆除檢查，僅發(fā)現(xiàn)主機(jī)機(jī)帶燃油調(diào)壓閥內(nèi)部2個(gè)密封圈斷了，其他無異常；將供油單元出口至主機(jī)回油管出口所有彎管拆除，查看彎管內(nèi)部及直管內(nèi)是否有雜物等，也未發(fā)現(xiàn)異常。在所有部件復(fù)位之后，在主機(jī)各檔負(fù)荷下，燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)情況仍未得到改善。

該船的主機(jī)為MAN B&W 6S60ME-C8.2-TⅡ，屬于二沖程大型電噴柴油機(jī)，這種電噴柴油機(jī)可電子控制燃油噴射和廢氣排放[2]，其燃油泵由液壓柱塞通過增壓達(dá)到所要求的燃油噴射壓力（見圖 3），液壓壓力由電控比例閥控制。主機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的基本原理為：在伺服油被薄膜蓄壓器加壓到一定壓力時(shí)，經(jīng)過控制閥之后，驅(qū)動(dòng)液壓柱塞和燃油柱塞（包含在圖4中的燃油升壓器內(nèi)）；燃油被吸油閥吸入并經(jīng)過燃油柱塞增壓之后進(jìn)入高壓燃油管，最后進(jìn)入燃油噴射閥（滑閥噴油器），供主機(jī)各氣缸的發(fā)火和燃燒使用。

圖3 主機(jī)燃油噴射系統(tǒng)

圖4 液壓缸單元

但是，在該船主機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)中（如圖 3所示），燃油的噴射過程本身可能導(dǎo)致燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)：由于該船采用MAN B&W 6S60ME-C8.2-TⅡ主機(jī)，該型主機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)并未采用W?rtsil?主機(jī)的“共軌”技術(shù)[3]，每個(gè)缸都有獨(dú)立的噴射泵（圖4中的燃油升壓器[4]），當(dāng)燃油在供給管路中被駁運(yùn)時(shí)，燃油的壓縮、噴射以及釋放到回油管路而未被使用等諸多因素的存在，就很可能導(dǎo)致周期壓力波動(dòng)的發(fā)生；進(jìn)、出主機(jī)的燃油管路壓力相對(duì)于主機(jī)噴射壓力而言比較低，在這種雙重壓力管路中，壓力波動(dòng)就可能引發(fā)一些更嚴(yán)重的問題：出現(xiàn)疊加的更大的壓力波動(dòng)，波動(dòng)的壓力和由此產(chǎn)生的超出要求的峰值壓力不僅可產(chǎn)生管路的額外應(yīng)力，而且會(huì)使相關(guān)附件（閥件、濾器等）、設(shè)備（測(cè)量、檢測(cè)等）被嚴(yán)重破壞或不可修復(fù)（比如黏度計(jì)等）。

1.4 其他情況

與該船極為相似的某船，其主機(jī)、輔機(jī)燃油供油單元出口處設(shè)置有一臺(tái)壓力阻尼器（見圖5中的B020），其基本原理為：燃油通過供油單元的供給泵、增壓泵，經(jīng)過壓力阻尼器（B020）的“穩(wěn)壓”作用之后，通過供油單元出口B輸送給主機(jī)，多余的燃油通過安全閥V074進(jìn)入供油單元的除氣容器中，V052為透氣閥，V053為泄放閥。

上述兩船在燃油供給系統(tǒng)方面的區(qū)別僅在于主機(jī)進(jìn)油管與回油管之間是否設(shè)置有壓力閥FSV31（如圖2所示），實(shí)際情況是沒有設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥（FSV31）、設(shè)置有壓力阻尼器的某船在實(shí)際航行、營運(yùn)過程中沒有出現(xiàn)燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大的情況。由此可說明：某船的壓力阻尼器起到了減小壓力波動(dòng)的作用，可能削弱了主機(jī)自身原因?qū)е碌娜加蛪毫Σ▌?dòng)，可基本消除進(jìn)主機(jī)的燃油壓力波動(dòng)；該船的壓力調(diào)節(jié)閥FSV31（如圖2所示）不能有效減小燃油壓力波動(dòng)，但可能會(huì)在某種程度上削弱主機(jī)自身原因?qū)е碌娜加蛪毫Σ▌?dòng)。

圖5 壓力阻尼器

該船采用自制蓄能器（見圖6），當(dāng)蓄能器在供油單元（僅供主機(jī)使用）出口時(shí)，增壓泵出口壓力波動(dòng)消除，但燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)依然較大。由此可說明：僅針對(duì)供油單元而采用自制蓄能器的措施不能有效解決進(jìn)主機(jī)燃油壓力波動(dòng)的問題。

2 燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大問題的解決

該船的燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)太大的問題出現(xiàn)之后，通過實(shí)際檢驗(yàn)，在燃油系統(tǒng)的適當(dāng)位置處設(shè)置蓄能器是解決方案，可在主機(jī)進(jìn)油總管和回油總管安裝蓄能器，備選方案包括：自制蓄能器shock absorber（見圖6）、囊式蓄能器（見圖7）、金屬波紋蓄能器（見圖8）和彈簧式蓄能器（見圖9）。自制蓄能器主體結(jié)構(gòu)為DN200的普通中空鋼管，附件為法蘭、閥門及短管，中空鋼管無須額外充入空氣。

圖6 自制蓄能器shock absorb

圖7 囊式蓄能器

圖8 金屬波紋蓄能器

圖9 彈簧式蓄能器

首先使用自制蓄能器shock absorber，將自制蓄能器安裝在主機(jī)燃油進(jìn)口管段#6氣缸機(jī)帶背壓閥進(jìn)口處及主機(jī)燃油回油管路出口F處（見圖10，其中F和X分別為主機(jī)燃油出口、進(jìn)口），燃油壓力波動(dòng)較大的問題得以解決，壓力波動(dòng)穩(wěn)定在100kPa以內(nèi)，試航期間效果良好，能穩(wěn)定燃油進(jìn)主機(jī)壓力。但是，主機(jī)生產(chǎn)公司擔(dān)心可能會(huì)有少量空氣進(jìn)入燃油系統(tǒng)，影響燃油系統(tǒng)的正常運(yùn)行，建議使用彈簧式蓄能器，這種蓄能器通常應(yīng)用于MAN B&W MC/MC-C類型的主機(jī)中，通過該船的試用（見圖11）和交付之后的正常使用，證明該方案是可行的。

圖10 自制蓄能器的應(yīng)用

可采用充有氮?dú)獾哪沂叫钅芷?，但可能出現(xiàn)的問題是：彈性體不能很好地適應(yīng)燃油、高溫等條件，若不能及時(shí)補(bǔ)充通過彈性體的氣體，氣體會(huì)逐漸損失，這就可能導(dǎo)致蓄能器隔膜開裂，蓄能器功能變差。要解決該問題，往往需在檢測(cè)、維護(hù)方面投入較高的費(fèi)用，同時(shí)間隔性地更換彈性體等。

可采用活塞式蓄能器，但可能存在容量較小、缸體加工與活塞密封要求較高、反應(yīng)不靈敏和氣體容易泄漏到油里等問題?？刹捎脧椈墒叫钅芷鳎赡艽嬖谌萘枯^小、產(chǎn)生的壓力取決于彈簧的剛度和壓縮量及有噪聲等問題?；钊叫钅芷骱蛷椈墒叫钅芷鞫即嬖谀Σ?、磨損的問題。

可采用金屬波紋蓄能器（見圖12），其基本原理為：對(duì)于重型柴油機(jī)，可分別在進(jìn)油管路、回油管路上安裝金屬波紋蓄能器，其波紋是液體與氣體之間的柔性分離部件，被焊接在其他部件上，可起到氣密的作用且可上下自由運(yùn)動(dòng)；經(jīng)過金屬波紋蓄能器“穩(wěn)壓”的燃油，在主機(jī)各氣缸高壓噴射泵的作用下進(jìn)入各氣缸，供氣缸內(nèi)正常的發(fā)火和燃燒使用。金屬波紋蓄能器適用溫度范圍較廣的燃油（有的甚至可適應(yīng)160℃的燃油），其波紋沒有摩擦、磨損，使用壽命非常長(zhǎng)，這使整個(gè)金屬波紋蓄能器的監(jiān)測(cè)和維護(hù)費(fèi)用得以降低。

圖11 彈簧式蓄能器在船上的試用

圖12 金屬波紋蓄能器的應(yīng)用

上述囊式蓄能器、活塞式蓄能器、彈簧式蓄能器和金屬波紋蓄能器的具體安裝位置都可參考該船使用的自制蓄能器shock absorber的具體安裝位置。

3 結(jié) 語

綜上所述：導(dǎo)致燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大的主要原因并非僅僅是該船的供油單元；供油單元、主機(jī)和燃油供給系統(tǒng)管路原理這3個(gè)因素中的2個(gè)或3個(gè)共同作用（相互干涉）才是導(dǎo)致燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大的主要原因。解決燃油進(jìn)主機(jī)壓力波動(dòng)較大問題的一個(gè)較簡(jiǎn)單、實(shí)用的方案是：在燃油系統(tǒng)的適當(dāng)位置設(shè)置合適的蓄能器。

通過對(duì)本文所述的方案進(jìn)行分析和比較，既可選擇綜合性能較高、使用壽命較長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用較低的金屬波紋蓄能器作為第一優(yōu)選對(duì)象，也可通過綜合優(yōu)化供油單元、主機(jī)、燃油供給系統(tǒng)管路原理，消減或消除燃油進(jìn)主機(jī)壓力的較大波動(dòng)，這樣可提高燃油供給系統(tǒng)的性能，延長(zhǎng)其使用壽命，保證船舶的安全航行和運(yùn)營。