船舶柴油機(jī)超速案例分析

王柏友

摘 要：柴油機(jī)因超速損壞嚴(yán)重。本文分析超速直接原因和深層次原因，提出解決方案來(lái)避免發(fā)生同類事故，以提高船舶柴油機(jī)管理水平，保證船舶安全營(yíng)運(yùn)。

關(guān)鍵詞：船舶柴油機(jī)；超速；調(diào)速器；高壓油泵；壓力水柜電磁閥；二位三通閥；設(shè)備管理

1 概 述

在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，柴油機(jī)突然失去控制，轉(zhuǎn)速升高，以至于超過(guò)額定轉(zhuǎn)速而不停止，發(fā)出巨大的轟鳴聲。增壓器發(fā)出刺耳的尖叫聲，增壓壓力急速升高，排煙管冒出大量濃煙。超速不僅會(huì)造成柴油機(jī)嚴(yán)重機(jī)損事故，還有可能危及人身安全。

對(duì)柴油機(jī)的調(diào)速特性失控，主要是由以下兩個(gè)原因造成的：一是供油系統(tǒng)故障造成對(duì)柴油機(jī)供油失去控制，致使柴油機(jī)因超量供油發(fā)生超速現(xiàn)象；二是氣缸燃燒室因?yàn)槠渌蛟斐深~外的柴油或機(jī)油進(jìn)入，引發(fā)超速現(xiàn)象。

2 案例介紹及原因分析

2.1 案例介紹

在本案例中，超速時(shí)，缸頭進(jìn)排氣閥桿的上下動(dòng)作與活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率已不協(xié)調(diào)，當(dāng)閥桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞卻向上運(yùn)動(dòng)，由于超速時(shí)間較長(zhǎng)，不協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)將主機(jī)第二、第三缸的進(jìn)、排氣閥桿連續(xù)撞擊至折斷，斷掉的閥頭在氣缸燃燒室劇烈撞擊，最后被吹入排煙總管進(jìn)入增壓器，造成了左主機(jī)No.2、No.3缸的缸頭、缸套、活塞和部分缸頭附件以及增壓器轉(zhuǎn)子的嚴(yán)重破壞性損壞。

2.2 管理問(wèn)題

測(cè)試超速保護(hù)裝置的性能具有一定的冒險(xiǎn)性和難度，會(huì)給操作人員造成心理上的恐懼，導(dǎo)致輪機(jī)管理人員在日常的工作中很少做此類試驗(yàn)。本案例故障正是由于保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行不到位導(dǎo)致的，因此要求輪機(jī)管理人員在工作中要重點(diǎn)加強(qiáng)柴油機(jī)超速保護(hù)裝置的管理，尤其要注意：

（1）做好調(diào)速器的日常維護(hù)，要定期進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)并作必要的修理和調(diào)整；

（2）調(diào)速器和油門(mén)總桿的連接螺栓由于震動(dòng)會(huì)導(dǎo)致松動(dòng)并脫落，因此要定期檢查并收緊；

（3）對(duì)超速保護(hù)裝置的報(bào)警值、動(dòng)作值定期檢查并調(diào)整，對(duì)裝置的效能應(yīng)定期進(jìn)行試驗(yàn)，以上工作最好在每航次前完成，確保航行安全。

3 柴油機(jī)超速的直接原因

本船左主機(jī)超速的直接誘因是調(diào)速器的動(dòng)力輸出軸和柴油機(jī)的油門(mén)總桿連接處銷軸的定位螺絲脫落而致。調(diào)速器和油門(mén)總桿脫開(kāi)后，由于該機(jī)型的設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）原因，油門(mén)總桿處于自由狀態(tài)。

本船主機(jī)所采用的燃油高壓油泵是始點(diǎn)調(diào)節(jié)式（如圖2-1所示），主機(jī)的高壓油泵在工作時(shí)，油泵柱塞在套筒內(nèi)上下滑動(dòng)，當(dāng)柱塞下行打開(kāi)進(jìn)油口，具有較高壓力的燃油從進(jìn)油口進(jìn)入柱塞上端的工作腔室，并形成具有較高壓力的擾動(dòng)油流。在擾動(dòng)中，會(huì)有一股油流沿柱塞直槽向下運(yùn)動(dòng)，向下的擾動(dòng)油流會(huì)對(duì)柱塞體上的直槽面和工作斜面分別產(chǎn)生力F1和力F2（如圖2-2所示），F(xiàn)2會(huì)分解產(chǎn)生向上垂直力F2-1和水平力F2-2，力F2-2與力F1方向相反，且F1﹥F2-2，兩者之差會(huì)對(duì)柱塞產(chǎn)生一個(gè)向加油方向轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，并拉動(dòng)齒條加大供油，由于各缸油門(mén)齒條和油門(mén)總桿相連，且此時(shí)油門(mén)總桿與調(diào)速器連接斷開(kāi)后處于自由狀態(tài)，使得整個(gè)油門(mén)總桿向加油方向運(yùn)動(dòng)，并導(dǎo)致主機(jī)各缸高壓油泵供油量加大，直至超速現(xiàn)象出現(xiàn)。

在本船主機(jī)修理中，筆者曾親自進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，得出相同的結(jié)論：在主機(jī)運(yùn)行時(shí)，人為將主機(jī)的某一缸高壓油泵齒條和油門(mén)總桿斷開(kāi)，使其處于自由狀態(tài)，會(huì)發(fā)現(xiàn)齒條會(huì)自動(dòng)向加油方向運(yùn)動(dòng)，且速度越來(lái)越快，直至最大為止，用手把持齒條，會(huì)明顯感覺(jué)到有一定的反拉力。在超速保護(hù)作用正常情況下，主機(jī)的測(cè)速裝置將測(cè)得的轉(zhuǎn)速電信號(hào)輸送到PLC控制箱的調(diào)速器控制單元，觸發(fā)保護(hù)繼電器動(dòng)作，使應(yīng)急停車電磁閥21得電動(dòng)作→二位三通閥17動(dòng)作→高壓油泵停油氣缸進(jìn)入高壓空氣→高壓油泵停油→主機(jī)停車（如圖3所示）。

維修時(shí)，筆者親自進(jìn)行超速保護(hù)動(dòng)作效能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)21、17動(dòng)作都正常，但主機(jī)的高壓油泵停油氣缸得到的壓縮空氣壓力過(guò)低，不能推動(dòng)高壓油泵停油，致使保護(hù)失敗。進(jìn)一步試驗(yàn)檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致執(zhí)行氣源壓力過(guò)低的原因是增壓器By—pass閥泄漏壓縮空氣。By—pass閥是增壓器的一個(gè)保護(hù)裝置，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)電磁閥控制的二位三通氣動(dòng)閥，當(dāng)主機(jī)的掃氣壓力上升到0.13 MPa或者主機(jī)轉(zhuǎn)速升高達(dá)到670 rpm時(shí)，電磁閥得電，執(zhí)行機(jī)構(gòu)二位三通閥動(dòng)作→By—pass閥動(dòng)作→增壓器過(guò)高的掃氣進(jìn)入廢氣道→保護(hù)增壓器內(nèi)部元件，如圖4和圖5所示。本船左機(jī)超速時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)二位三通閥得電動(dòng)作，但由于其閥芯卡死在中間位置（事后解體該閥發(fā)現(xiàn)：閥芯銹蝕嚴(yán)重卡阻，腔室內(nèi)存有部分海水析出物質(zhì)NaCL等鹽分），使得執(zhí)行氣源由該閥的泄放口泄放，造成氣源壓力降低，又由于該執(zhí)行氣源和高壓油泵停油氣缸執(zhí)行氣源同路，因而導(dǎo)致保護(hù)失敗。

4 深層次原因剖析

眾所周知，機(jī)艙是船舶的“心臟”。機(jī)艙內(nèi)設(shè)備眾多，管系錯(cuò)綜復(fù)雜，各系統(tǒng)之間既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系，這就要求輪機(jī)管理人員對(duì)各設(shè)備的性能、控制方式、所附帶的管系布置以及相互間的關(guān)聯(lián)性熟練掌握。

本船利用壓力供水方式供應(yīng)生活日用淡水和衛(wèi)生水，從能源節(jié)約方面考慮，現(xiàn)在絕大部分海船上衛(wèi)生用水都使用海水。本輪所用衛(wèi)生水系統(tǒng)如圖6所示，衛(wèi)生水泵1自海底門(mén)抽取海水并注入海水壓力柜2，隨著水面升高，壓力柜2內(nèi)上部的空氣逐漸被壓縮而產(chǎn)生壓力；當(dāng)水充到規(guī)定液面時(shí)，水泵1即停止供水，壓力柜2內(nèi)的水依靠柜內(nèi)上部空間被壓縮了的空氣的壓力，經(jīng)管路、閥件輸送至各用水出。為保證正常工作，壓力水柜頂部設(shè)有壓力表9和安全閥8，還設(shè)有壓力開(kāi)關(guān)7以便自動(dòng)控制水泵1的工作；當(dāng)柜內(nèi)壓力低于規(guī)定的最低工作壓力時(shí)，則有壓力開(kāi)關(guān)7自動(dòng)起動(dòng)水泵1，當(dāng)柜內(nèi)壓力達(dá)到規(guī)定的最高工作壓力時(shí)，亦通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)7停止水泵1供水。為減少壓力水柜充氣容積和補(bǔ)充柜內(nèi)空氣的消耗，經(jīng)常通過(guò)壓縮空氣充入閥6向柜內(nèi)沖入壓縮空氣。

對(duì)衛(wèi)生水系統(tǒng)的管理要求是：壓力水柜要及時(shí)補(bǔ)氣，使其水位和壓力維持在正常范圍內(nèi)。若水位過(guò)高或過(guò)低以及壓力過(guò)高導(dǎo)致的水位過(guò)低等，水泵1會(huì)起動(dòng)頻繁；若壓力過(guò)低則壓力水柜中的水到不了高層甲板。正常情況下，充氣閥6是截止止回閥，壓力柜2內(nèi)部的海水不能進(jìn)入閥6后端的壓縮空氣管路，但是當(dāng)出現(xiàn)下列問(wèn)題時(shí)，海水會(huì)倒灌入壓縮空氣管路：（1）截止閥6垂直放置，使6失去止回的作用；（2）截止閥6的閥頭脫落、閥頭和閥座的密封面銹蝕不密封等使閥6失去止回作用。

在本案例中，By—pass閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（二位三通閥）的閥芯卡死的最直接的原因恰恰就是壓縮空氣管路內(nèi)進(jìn)入海水，閥芯被海水銹蝕而卡死。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，主要原因是海水壓力柜的壓縮空氣充氣閥位置設(shè)計(jì)得不合理，如圖6所示，閥6布置在壓力柜體的中下部，使得閥6及其管路一直低于海水液面，當(dāng)閥6由于開(kāi)、關(guān)頻繁而出現(xiàn)閥頭及閥座密封面磨損，將會(huì)使閥6失去止回作用。

在不需要對(duì)壓力柜進(jìn)行充氣的時(shí)間段內(nèi)，充氣管路內(nèi)沒(méi)有壓縮空氣，壓力柜內(nèi)的高壓海水將會(huì)穿過(guò)閥6進(jìn)入壓縮空氣管路，由于機(jī)艙內(nèi)的壓縮空氣管路網(wǎng)是相互聯(lián)通的，浸入的海水會(huì)順著管路網(wǎng)進(jìn)入到各要害部件并導(dǎo)致腐蝕破壞。（按照正常操作要求，空氣分配器經(jīng)常檢查放殘。）

5 預(yù)防措施

（1）對(duì)壓力柜充氣閥的不合理位置進(jìn)行改正，將其移到圖6的6a處；

（2）輪機(jī)管理人員要經(jīng)常檢查壓力水柜的水位，及時(shí)充氣，保持水位在正常范圍內(nèi)；

（3）充氣的截止止回閥質(zhì)量要可靠，應(yīng)選擇耐用的不銹鋼錐形閥或針形閥；

（4）如條件允許，將充氣閥前的一段管路改為可拆卸式軟管連接，不充氣作業(yè)時(shí)保持軟管常斷開(kāi)（在后來(lái)工作的船上盡量改了）；

（5）對(duì)機(jī)艙壓縮空氣管路網(wǎng)的各閥站分配器的放殘閥，輪機(jī)管理人員要定期操作放掉系統(tǒng)內(nèi)的殘水。

6 超速后柴油機(jī)修理注意事項(xiàng)

柴油機(jī)超速后，各運(yùn)動(dòng)部件之間原來(lái)匹配的相互運(yùn)動(dòng)頻率被打破，會(huì)使運(yùn)動(dòng)件出現(xiàn)撞擊、扭曲和斷裂等顯性損害以及內(nèi)部裂紋等其他隱性損害。事故后的修復(fù)工作是一項(xiàng)細(xì)致而又復(fù)雜的任務(wù)，修理人員需要注意以下幾個(gè)方面：

（1）要對(duì)柴油機(jī)的各缸進(jìn)行吊缸，徹底檢查連桿、曲軸、連桿螺栓、活塞銷軸、凸輪軸、各傳動(dòng)齒輪、高壓油泵、缸頭附件等部件是否有明顯損傷，如有必要，應(yīng)對(duì)以上部件進(jìn)行磁粉、X-線或超聲波等探傷檢查，以確保各部件沒(méi)有任何損傷；

（2）解體增壓器，檢查、測(cè)量各運(yùn)動(dòng)件，有條件應(yīng)將轉(zhuǎn)子送專業(yè)廠做動(dòng)平衡試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修理；

（3）調(diào)速器送專業(yè)廠家解體檢修，做臺(tái)架試驗(yàn)，保證調(diào)速器的良好功能；

（4）減速齒輪箱解體檢查各齒輪的齒面、齒隙和各軸承及推力軸承的間隙；

（5）主機(jī)底座、齒輪箱底座、中間軸承底座的各個(gè)地腳螺栓要檢查并收緊；

（6）進(jìn)、排氣總管、分管要詳細(xì)檢查，確信無(wú)金屬殘物存在；

（7）潤(rùn)滑油系統(tǒng)徹底清潔，加新滑油并進(jìn)行串油，以確保系統(tǒng)內(nèi)無(wú)任何雜質(zhì)；

（8）對(duì)主機(jī)的超速保護(hù)停車、主機(jī)滑油失壓、滑油高溫、淡水失壓、淡水高溫、主軸承高溫、汽缸套溫度高溫、齒輪箱滑油低壓和高溫、中間及尾軸承高溫等各種報(bào)警和保護(hù)停車的效能進(jìn)行試驗(yàn)，以確保以上各功能正常；

（9）要制定詳細(xì)嚴(yán)格的試車大綱，逐項(xiàng)逐步進(jìn)行。在各關(guān)鍵部位安排專人值守，發(fā)現(xiàn)異常立即采取措施；

（10）在試車過(guò)程中，要多次停車檢查個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的溫度和表面情況，根據(jù)檢查的情況，逐步加大試車負(fù)荷，但負(fù)荷的增加應(yīng)緩慢，系泊試車時(shí)以不超過(guò)主機(jī)負(fù)荷50%為限；

（11）試車成功投入營(yíng)運(yùn)后，要限制主機(jī)負(fù)荷過(guò)高使用，每間隔一段時(shí)間，要對(duì)主機(jī)的各運(yùn)動(dòng)部件做詳細(xì)檢查，根據(jù)檢查情況可酌情提升主機(jī)的負(fù)荷，直至完全正常運(yùn)行。

7 結(jié)束語(yǔ)

船舶柴油機(jī)超速將會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生致命的損壞，對(duì)船公司造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，機(jī)艙的各個(gè)設(shè)備既獨(dú)立又統(tǒng)一，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出故障都將會(huì)影響到整個(gè)船舶安全，進(jìn)而影響船舶營(yíng)運(yùn)。因此，要求各輪機(jī)管理人員在愛(ài)崗敬業(yè)、不斷學(xué)習(xí)提升專業(yè)水平的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)機(jī)電設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，確保船舶設(shè)備和營(yíng)運(yùn)安全。