某型船用柴油機排氣膨脹節(jié)損壞的故障原因分析

陳華偉

摘 要：排氣膨脹節(jié)是船用柴油機排氣系統(tǒng)的重要部件，穩(wěn)定性直接影響船用柴油機的工作性能。某型海警船舶電站用的發(fā)電柴油機，長期運行在較高負荷，機組的工況惡劣、振動大，運行中膨脹節(jié)突發(fā)破裂故障。經(jīng)現(xiàn)場故障診斷和廠家協(xié)助，判定故障原因是導流管焊接定位不準確，導流管偏心，在排氣氣流高速沖刷振動的情況下，與波紋管出現(xiàn)碰擦，形成疲勞破壞源，最終導致波紋管疲勞破壞。經(jīng)修復改進后，膨脹節(jié)波紋管運行正常。

關(guān)鍵詞：船用柴油機;排氣膨脹節(jié);故障診斷

隨著船船領(lǐng)域柴油機性能的提高，船用柴油機對輸出功率也有了很嚴格的要求，同時也需要確保其運行穩(wěn)定。在這個情況下，船用柴油機各部件的工作環(huán)境變得更惡劣了。在這種惡劣工作環(huán)境下，柴油機的結(jié)構(gòu)強度受到了較大的考驗。特別是排氣系統(tǒng)，連接了廢氣排放系統(tǒng)和廢氣增壓系統(tǒng)，是船舶柴油機重要的組成部分，需要對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行特定要求。

現(xiàn)代船用柴油機都配備了膨脹節(jié)，其目的是通過彈性補償排氣管軸向的位移，從而減輕排氣系統(tǒng)和裝備的振動。膨脹的節(jié)體結(jié)構(gòu)以波紋管、導流筒、連接法蘭為主。在船舶運行時，船用柴油機排氣膨脹節(jié)受到柴油機運行時產(chǎn)生的振動，從而增加疲勞效應的危險[2]。

某型海警的電站中采用的船舶發(fā)電機，長期運行于85%至95%額定輸出功率之間，且常發(fā)生超負荷情況，機組工作條件惡劣，振動較大。此類船舶柴油機的排氣系統(tǒng)通過螺栓安裝在機體上，由于剛度較小，導致運行過程中，此處的振動幅值是柴油機機體的最大幅值。在長期運行的船舶電站，用柴油機排氣的膨脹節(jié)有可能導致波紋管開裂，嚴重的情況下導致整個引流筒斷裂或碎碎[3]。如果因此產(chǎn)生的碎片，隨著排氣系統(tǒng)進入增壓器，因為增壓器的葉片處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，微小的碎片也會撞擊葉輪，甚至有可能打斷葉片，就會產(chǎn)生嚴重的事故[4]。因此，針對船舶柴油機的研究中，越來越多的研究人員開始對柴油機的排氣系統(tǒng)進行研究，以保證柴油機部件及整體的運行穩(wěn)定性，減少排氣系統(tǒng)故障的發(fā)生率[5]。

1 故障現(xiàn)象及初步排查

1.1故障現(xiàn)象

2016年，某海警船2#發(fā)電柴油機的膨脹節(jié)突發(fā)破裂故障。為防止事故進一步擴大，值班輪機員啟動備用發(fā)電機，同時將2#發(fā)電機負荷轉(zhuǎn)移并解列，其柴油機降速停機，然后通知輪機長進行處理。經(jīng)船舶輪機部工作人員檢查發(fā)現(xiàn)：3缸與4缸之間波紋管嚴重損壞，膨脹節(jié)附近的傳感器電纜燒壞。故障圖片如圖1所示，完好膨脹節(jié)如圖2所示。因船上沒有備件，且擔心增壓器損壞，故聯(lián)系了廠家的技術(shù)服務人員登船進行檢查。經(jīng)廠家技術(shù)人員對增壓器狀態(tài)檢查發(fā)現(xiàn)：增壓器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動靈活，渦輪、噴嘴環(huán)、殼體等零部件沒有發(fā)現(xiàn)損傷現(xiàn)象，增壓器正常。因此，本次故障因處理及時，沒有造成嚴重事故。從以上檢查的結(jié)果可以判斷，此次事故除膨脹節(jié)損壞以及燙傷膨脹節(jié)附近的傳感器外，沒有對柴油機造成其它的影響，柴油機本身的狀態(tài)良好。

2.2初步排查

本海警船2號發(fā)電柴油機為 L21/31型號，由 MAN DIESEL & TURBO公司生產(chǎn)，外形圖如下圖3所示，具體參數(shù)如下表1。柴油機增壓系統(tǒng)由排氣管，增壓器，空冷箱和掃氣機組成的等壓系統(tǒng)。增壓器渦輪由柴油機排放的廢氣帶動，同時渦輪驅(qū)動安裝在相同軸上的壓氣機。壓氣機從機艙內(nèi)吸入的空氣是通過過濾器?？諝獗辉鰤浩魑M，通過空冷裝置進入掃氣箱，由進氣閥通過各缸進入。廢氣經(jīng)排氣閥進入排氣管，在這里各個缸的脈沖壓力均勻。最后進入增壓器通過以相同的壓力方式，由消音裝置排出，同時也可以通過增壓器排放廢氣的出口排出。

排氣管是分段式的，各缸通過膨脹節(jié)互相連接，以防止因膨脹產(chǎn)生過大的熱應力。為避免過多的熱損失并保持適當?shù)耐獗砻鏈囟龋艢夤苡酶魺岵牧习?。為了防止機體振動傳遞到排氣系統(tǒng)，排氣管一般通過柔性的波紋管與機體、空冷器或者增壓器進行連接。

經(jīng)現(xiàn)場分析，初步判斷柴油機排氣膨脹節(jié)損壞的可能原因有2個，一是膨脹節(jié)自身加工制造的質(zhì)量問題，膨脹節(jié)內(nèi)部存在缺陷或者應力集中，船舶工作環(huán)境惡劣，柴油機負荷高，高強度運行后，內(nèi)部缺陷逐漸擴展，最終導致膨脹節(jié)損壞。二是膨脹節(jié)裝配過程，品質(zhì)控制不夠嚴格，裝配時產(chǎn)生了扭曲或者變形，使得膨脹節(jié)產(chǎn)生額外的附加應力，最終導致柴油機運行過程中膨脹節(jié)損壞。

柴油機等效增壓傳動系統(tǒng)由柴油排氣管，增壓器，空氣制冷箱和增壓掃氣機部件組成的等壓系統(tǒng)。增壓傳動器上的渦輪由于從柴油機內(nèi)部排放的大量廢氣渦輪帶動，同時兩個渦輪壓氣驅(qū)動也是安裝在相同傳動軸上的渦輪壓氣發(fā)動機。壓氣機從發(fā)動機艙內(nèi)外部吸入的新鮮空氣通常是通過一個過濾器。

空氣被增壓器吸進，通過空冷裝置進入掃氣箱，由進氣閥通過各缸進入?？绽淦魇蔷o湊式、散熱面積大的兩級管型冷卻器，端蓋設計為分隔形式。水霧捕獲器是空冷裝置的標準配備。廢氣經(jīng)排氣閥進入排氣管，在這里各個缸的脈沖壓力均勻。最后進入等壓器，由增壓裝置的廢氣進入加壓器，消音裝置排出。

排氣管是分段式的，各缸通過膨脹節(jié)互相連接，以防止因膨脹產(chǎn)生過大的熱應力。為避免過多的熱損失并保持適當?shù)耐獗砻鏈囟?，排氣管用隔熱材料包裹?/p>

3 故障原因分析

3.1 裝配過程品質(zhì)控制

裝配質(zhì)量問題：經(jīng)現(xiàn)場檢查并調(diào)閱有關(guān)技術(shù)信息，本船發(fā)電柴油機的機體振動有可能通過機座、氣缸套、機架等連接處進行傳播。柴油機排氣的膨脹節(jié)裝配時，是在自由狀態(tài)下，整個排氣管連接好后，再整體裝在柴油機上的。除了第一缸與增壓器接管相連的膨脹節(jié)可能會出現(xiàn)安裝扭曲的問題外，其余的膨脹節(jié)不會產(chǎn)生裝配質(zhì)量問題。因此3缸與4缸之間波紋管嚴重損壞故障，與裝配無關(guān)。

3.2 膨脹節(jié)制造質(zhì)量

膨脹節(jié)波紋管和導流筒通常焊接到法蘭的入口，焊縫直接接受高溫廢氣的沖刷，極易引起晶界腐蝕。這種腐蝕是在晶粒的邊界處首先發(fā)生的，然后在晶界處向縱深發(fā)展的。此時，雖然金屬的外觀并沒有明顯變化，但其機械性能已大幅下降。尤其是在電站用的柴油機，燃料中的含硫分高，主要由硫產(chǎn)生的是二氧化硫，另有1%至5%的硫會被氧化成為三氧化硫，而這些三氧化硫則與大量水蒸氣反應形成非常小的硫酸鹽煙霧。硫酸氣體是常見的耐火介質(zhì)，易燃會使屬于奧氏體系的不銹鋼制品發(fā)生晶界性的腐蝕。這樣就加重了放在焊接接口處的晶界膜被腐蝕。

針對本次排氣膨脹節(jié)損壞問題，船舶工作人員請供應商就膨脹節(jié)進行了質(zhì)量分析。質(zhì)量分析報告由上海材料研究所進行專業(yè)材料分析后得出。從上海材料研究所的分析報告來看，膨脹節(jié)的原材料的化學成分、金相組織、原材料夾雜等指標都符合相關(guān)標準要求。由此可見，膨脹節(jié)的材料沒有問題。但是報告指出，破壞部位存在如下現(xiàn)象：斷裂部位的導流管與波紋管之間的間隙較小，斷裂處局部有擦傷特征，有疲勞特征。

3.3 排氣膨脹節(jié)受力分析

本機的排氣管道被安裝在主發(fā)動機的支架上。在加速運動過程中柴油發(fā)動機的運動部分，主要的振動負荷如下：氣缸內(nèi)的燃油燃氣產(chǎn)生的氣缸力，柴油發(fā)動機曲軸工程中氣缸襯里活塞側(cè)推力和軸承力。驅(qū)動部件的動態(tài)負荷通過固定框架、氣缸襯墊及氣缸頭等框架，通過內(nèi)燃機排氣管道傳送。內(nèi)燃機的動態(tài)荷重隨主軸的轉(zhuǎn)動周期性變化，排氣管也伴隨著循環(huán)負荷。由于內(nèi)燃機的循環(huán)負載過大，排氣管在大振幅的循環(huán)負載中變形，排氣管結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而會影響內(nèi)燃機的正常運轉(zhuǎn)。

導流筒的功能是減小膨脹中廢氣流阻，防止由高速流動引發(fā)波紋振動，其結(jié)構(gòu)有翻邊式和焊接式兩種類型。當氣缸排氣時，廢氣在膨脹的節(jié)內(nèi)高速流動，使波紋管與導流筒的重疊圓柱空間成為一個負壓區(qū)，而筒內(nèi)的流動氣流成為正壓區(qū)，此時導流筒“撐起”。當氣缸沒有排氣，導流筒就會恢復正常。因此，在高溫脈沖的廢氣流作用下，導流筒發(fā)生了強烈的振動，即“撐大”然后恢復再“撐大”的往復，焊口處的斷裂速度逐步加快形成疲勞斷裂。

4 結(jié)論

從上面的分析可以看出，膨脹節(jié)破裂是由多個因素共同產(chǎn)生。本次膨脹節(jié)損傷事故，由于導流管焊接過程中定位不明確，導致引流管偏中至一面，與外部波紋管之間的空隙過大。而"懸臂梁"型導流管，在排氣氣流高速沖刷振動時，與波紋管發(fā)生碰撞，在擦傷后會增加腐蝕，形成勞損源，最終造成疲勞性波紋管的破壞。

柴油機工作時的振動是由系統(tǒng)產(chǎn)生的，無法消除。因此，除了提高焊接質(zhì)量外，還需要對膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如將排氣口導管直徑變更為兩側(cè)排氣口導管直徑以上的長度。通常膨脹和控制導管的排放口直徑比法蘭兩端的排放口直徑小。如果折斷，導管會被排氣吹跑而消失。以排氣口通過面積確實不影響為前提，導管兩端的排氣口直徑比成套設備兩端的排氣口直徑略有改變。這樣可以有效地保障渦輪和其他相關(guān)設備的安全。同時加大內(nèi)層導流管與外層波紋管的間隔，在安裝過程中確保間隙均勻，從而起到降低柴油機機體振動對排氣管的影響，消除有可能導致破壞的疲勞源的作用。

參考文獻：

[1]易太連， 吳杰長， 刁愛民， 歐陽光耀. 基于有限元和 FE-SAFE 的柴油機排煙管振動下的疲勞壽命[J]. 內(nèi)燃機工程， 2008（03）：76-80.

[2]董宗然，林焰.船舶布管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計及自動化算法[J].計算機集成制造系統(tǒng).2016，22（3 ）：714-727.

[3]牛玉華.常用壓力容器用膨脹節(jié)國際標準的介紹及分析[J].壓力容器.2013，36（6）：38.

[4]張煥冬.幾種典型膨脹節(jié)的有限元分析[D].北京：北京化工大學，2013.

[5]鐘云飛.在役直管壓力平衡型膨脹節(jié)壽命評估技術(shù)研究[D].上海：華東理工大學，2013.