船舶輪機(jī)主要故障與應(yīng)對(duì)策略分析

何躍洋 廣東省佛山航道事務(wù)中心順德航標(biāo)與測(cè)繪所

輪機(jī)一般是指將燃料轉(zhuǎn)變成有用功的內(nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，可以理解為：在燃燒燃料的過(guò)程中，輪機(jī)將燃料本身具備的原始能量轉(zhuǎn)化為熱能。之后對(duì)熱能進(jìn)行靈活運(yùn)用，將之轉(zhuǎn)化為其他形式的能（如電能），最終定向供應(yīng)其他設(shè)備。比如汽輪機(jī)是最常見(jiàn)的輪機(jī)，在燃燒燃料的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，作用于鍋爐并使其內(nèi)水分汽化，在有限空間內(nèi)逐漸形成壓力。這種壓力作用于汽輪機(jī)的葉輪并使其高速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，也可以直接成為推動(dòng)交通工具運(yùn)行的動(dòng)力。在現(xiàn)代船舶中，輪機(jī)的構(gòu)成比較復(fù)雜，且考慮到船舶日常使用期間的成本支出問(wèn)題，有可能因使用劣質(zhì)燃油等原因?qū)е麓拜啓C(jī)出現(xiàn)故障。對(duì)技術(shù)人員而言，需要明確這些故障的產(chǎn)生原理，并采用針對(duì)性的方法予以解決。

1.船舶輪機(jī)的主要故障分類(lèi)情況

船舶輪機(jī)發(fā)生故障時(shí)，主要表現(xiàn)為主機(jī)無(wú)法啟動(dòng)、存在拉缸現(xiàn)象（因各種原因?qū)е職飧讐嚎s壓力降低且喪失動(dòng)力性）、曲軸折斷等現(xiàn)象。盡管故障表象相同，但引發(fā)原因卻有很多種，首先應(yīng)該做好分類(lèi)工作。

1.1 基于故障直接原因的分類(lèi)

（1）結(jié)構(gòu)性故障。代表性情況為：船舶的輪機(jī)如果是柴油機(jī)，則氣缸套上部的“凸起緣根”部分可能在設(shè)計(jì)時(shí)因忽略受力問(wèn)題，或是因制造工藝不佳，最終導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)多發(fā)性裂紋，情況嚴(yán)重時(shí)甚至使整個(gè)缸套斷裂。

（2）工藝性故障。如果因輪機(jī)安裝質(zhì)量不佳，導(dǎo)致輪機(jī)運(yùn)行期間出現(xiàn)軸系振動(dòng)、軸承發(fā)熱、長(zhǎng)時(shí)間磨損過(guò)度等情況，同樣會(huì)導(dǎo)致輪機(jī)故障。

（3）單純磨損性故障。輪機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后，如果缺乏保養(yǎng)，則因磨損過(guò)度會(huì)導(dǎo)致活塞與氣缸之間的間隙越來(lái)越大，最終引發(fā)敲缸（輪機(jī)氣缸內(nèi)的壓力升高率如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常范圍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似金屬敲擊的聲音）、竄氣（輪機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)，可能出現(xiàn)部分可燃混合氣、燃燒產(chǎn)物等經(jīng)由活塞環(huán)，從原本所處的輪機(jī)氣缸內(nèi)竄入曲軸箱）等故障。

（4）管理性故障。輪機(jī)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間使用后，正常情況下，需要對(duì)潤(rùn)滑油的性質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)，或是直接進(jìn)行更換。但一些小型船舶管理人員可能受各種原因的影響，并未如期檢驗(yàn)或更換潤(rùn)滑油，導(dǎo)致滑油變質(zhì)之后，引起軸承合金熔化，最終引發(fā)重大故障。

1.2 基于技術(shù)性原因的分類(lèi)

（1）磨損引發(fā)的故障。船舶輪機(jī)是一組機(jī)械設(shè)備，很多工件在運(yùn)轉(zhuǎn)期間會(huì)相互接觸，由此極其容易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件磨損。隨著磨損程度的累積，在某一時(shí)刻造成的運(yùn)動(dòng)工件性能下降程度超過(guò)最大允許范圍時(shí)，便可能引起磨損性故障。如上文所述的氣缸套與活塞之間裂隙過(guò)大，進(jìn)而引起的敲缸、竄氣等故障都屬于磨損引發(fā)的故障。此外，在輪機(jī)葉片、軸承長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，因磨損過(guò)度，必定令軸承間隙過(guò)大，這同樣是主要的磨損故障。

（2）腐蝕性相關(guān)故障。船舶輪機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用的過(guò)程中，使用的燃油或其他燃料中含有大量化學(xué)成分。這些成分在燃燒的過(guò)程中會(huì)生成一些具有腐蝕性的物質(zhì)。而某些成分相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)對(duì)輪機(jī)造成電化學(xué)腐蝕、物理性腐蝕等。受此影響，輪機(jī)機(jī)組中的很多零部件的精度會(huì)逐漸下降，尺寸會(huì)逐漸偏離額定數(shù)值，甚至出現(xiàn)明顯的幾何形狀變化。代表性故障為：柴油機(jī)的氣缸套、活塞的冷卻水腔等都會(huì)受到電化學(xué)腐蝕。

（3）斷裂及老化性故障。輪機(jī)設(shè)備本身的制作工藝存在缺陷，如使用的材料在性質(zhì)方面存在均勻性不足、生產(chǎn)加工過(guò)程處理不當(dāng)、應(yīng)用后長(zhǎng)時(shí)間承受過(guò)大載荷、受到較為強(qiáng)力的撞擊作用等，最終引起故障。這類(lèi)故障的代表為：輪機(jī)的地腳螺栓可能因緊固程度不符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)而在使用過(guò)程中突然發(fā)生斷裂；另一個(gè)常見(jiàn)的斷裂故障為：氣缸蓋長(zhǎng)時(shí)間受氣缸內(nèi)部熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的周期性作用，會(huì)導(dǎo)致蓋體陷入熱疲勞和（或）機(jī)械疲勞狀態(tài)，最終導(dǎo)致蓋體出現(xiàn)裂紋。老化性故障方面，隨著輪機(jī)設(shè)備使用時(shí)間的增加，加上受磨損、腐蝕等影響，會(huì)導(dǎo)致性能老化。比如輪機(jī)基座下方的活動(dòng)墊塊經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)發(fā)生老化，導(dǎo)致汽輪機(jī)的整體穩(wěn)定性下降等。

1.3 基于性質(zhì)原因的分類(lèi)

上文所述的船舶輪機(jī)故障發(fā)生原因在一定程度上具有“不可避免性”，很難在使用過(guò)程中通過(guò)人為控制降低故障發(fā)生率。除此之外，如果按照性質(zhì)進(jìn)行劃分，可進(jìn)行如下分類(lèi)：

（1）人為操作不當(dāng)引發(fā)的故障。據(jù)武漢海事學(xué)校楊界教授的考證，船舶輪機(jī)的所有故障中，因船上操作人員或管理人員的操作不當(dāng)、管理過(guò)失、安裝質(zhì)量不佳等因素引起的輪機(jī)故障占故障總數(shù)的80%以上。最常見(jiàn)的人為操作不當(dāng)故障包括：①在主機(jī)滑油泵并沒(méi)有開(kāi)啟的狀態(tài)下，提前啟動(dòng)了輪機(jī)主機(jī)，造成的后果是輪機(jī)的軸瓦被火燒并腐蝕。②輪機(jī)軸承安裝情況、位置選擇等校驗(yàn)精度不足，導(dǎo)致輪機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)軸系振動(dòng)甚至是斷裂等故障。

（2）自然故障。有一些船舶長(zhǎng)期在較為惡劣的水域環(huán)境中作業(yè)。受惡劣自然環(huán)境的影響，輪機(jī)機(jī)組整體結(jié)構(gòu)、部分材料會(huì)逐漸發(fā)生惡性變化，最終引起多種故障。這類(lèi)自然故障還可以進(jìn)行進(jìn)一步分類(lèi)。比如輪機(jī)的正常磨損、老化等均會(huì)呈現(xiàn)出一定的自然規(guī)律，根據(jù)使用時(shí)間、自然環(huán)境等可以大致判斷對(duì)應(yīng)故障的發(fā)生幾率。如果輪機(jī)機(jī)組設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作材料本身存在缺陷，則在惡劣自然環(huán)境下，故障的發(fā)生會(huì)脫離正常規(guī)律，極有可能在無(wú)任何征兆下突然發(fā)生。引發(fā)這類(lèi)突發(fā)性故障的根本原因在于：多種不利的自然因素以及某種作用（如撞擊）突然出現(xiàn)并共同作用于輪機(jī)設(shè)備時(shí)，產(chǎn)生的作用力超過(guò)了設(shè)備能夠承受的極限值，進(jìn)而使故障突然發(fā)生。比如輪機(jī)螺旋槳槳葉折斷、輪機(jī)主機(jī)突然停車(chē)、輪機(jī)舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵控制系統(tǒng)突然失靈等。

2.應(yīng)對(duì)船舶輪機(jī)主要故障的有效策略

2.1 船舶輪機(jī)故障形成原因和故障發(fā)生前的征兆

除了少數(shù)突發(fā)性故障之外，絕大多數(shù)船舶輪機(jī)故障的發(fā)生都具有一定的規(guī)律性，只要理清內(nèi)因機(jī)理，掌握故障發(fā)生前的某些征兆，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障進(jìn)行提前預(yù)判，進(jìn)而做好防范措施。

2.1.1 故障形成的內(nèi)因機(jī)理

①包含磨損、腐蝕、設(shè)備疲勞等自然因素是不可避免的。這類(lèi)因素會(huì)令輪機(jī)機(jī)組設(shè)備中的某些零部件在尺寸、質(zhì)量、外部形態(tài)等方面出現(xiàn)變化，屆時(shí)會(huì)導(dǎo)致輪機(jī)的工作狀態(tài)偏離正常運(yùn)行模式，最終引發(fā)故障。

②輪機(jī)使用過(guò)程中并沒(méi)有嚴(yán)格遵照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行操作，甚至因各種原因出現(xiàn)違規(guī)操作，最終引發(fā)故障。最常見(jiàn)的情況是，輪機(jī)主機(jī)處于備車(chē)狀態(tài)時(shí)，船上人員并沒(méi)有對(duì)輪機(jī)主機(jī)進(jìn)行充分的潤(rùn)滑，且沒(méi)有及時(shí)檢查并更換機(jī)油，最終造成機(jī)油數(shù)量不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，甚至出現(xiàn)機(jī)油變質(zhì)，最終導(dǎo)致輪機(jī)主機(jī)、氣缸等設(shè)備內(nèi)部的流通阻力大幅度增加，最終引發(fā)機(jī)械故障。

③輪機(jī)的日常維護(hù)過(guò)程中，由于對(duì)很多工件的維修質(zhì)量不高，最終會(huì)引發(fā)故障。比如按照正常要求，輪機(jī)設(shè)備的定期維護(hù)必須依次經(jīng)過(guò)分解、清洗、檢驗(yàn)、修理、裝配共計(jì)6個(gè)環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)應(yīng)特定的技術(shù)要求。

總體而言，船舶輪機(jī)維修人員必須掌握輪機(jī)發(fā)生故障的內(nèi)因，之后制定針對(duì)性的處理方案，可在很大程度上降低故障發(fā)生率。

2.1.2 故障出現(xiàn)前的征兆

除了內(nèi)因之外，對(duì)一些故障出現(xiàn)前呈現(xiàn)出的征兆進(jìn)行全面了解，可提前做好準(zhǔn)備，或是在故障突然發(fā)生時(shí)能夠在第一時(shí)間判斷出故障生成的原因，并進(jìn)行針對(duì)性處理。代表性的故障發(fā)生前兆表現(xiàn)為：①輪機(jī)的工作狀態(tài)突然出現(xiàn)異常，比如輪機(jī)主機(jī)的轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)迅速增加或是減少，熄火后無(wú)法再次啟動(dòng)，潤(rùn)滑油泵出口處的壓力在無(wú)任何工況變化的情況下驟然降低等。②設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)前所未見(jiàn)的非正常聲響。造成這類(lèi)異常聲響的原因包含敲缸故障、軸套松動(dòng)故障、增壓器處于異常工況等。無(wú)論是否確認(rèn)故障類(lèi)型，技術(shù)人員都應(yīng)立刻停止船舶輪機(jī)主機(jī)運(yùn)行，之后進(jìn)行檢查（如果故障程度較輕，可不完全停車(chē)，而是降低輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度），決不能予以忽略。③輪機(jī)排煙的顏色發(fā)生異常變化，比如發(fā)黑、發(fā)藍(lán)、發(fā)白等。三種異常顏色變化對(duì)應(yīng)的故障分別為有部分潤(rùn)滑油竄到氣缸、燃料燃燒不完全、燃料（特指油料）中混入了水。

2.2 船舶輪機(jī)主要故障的模式和故障發(fā)生規(guī)律

故障模式的分布特點(diǎn)與故障分類(lèi)相關(guān)，本段不再贅述，只圍繞故障的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行分析。船舶輪機(jī)屬于一般性質(zhì)的機(jī)械設(shè)備，故障發(fā)生率與時(shí)間相互相應(yīng)，可以形成多種壽命特征曲線(xiàn)。具體如下：

（1）輪機(jī)零部件的常見(jiàn)故障率曲線(xiàn)。如圖1所示，零部件的故障發(fā)生率曲線(xiàn)整體呈現(xiàn)出“浴盆”形態(tài)。具體而言：輪機(jī)設(shè)備剛剛裝在船舶之后，初期運(yùn)行時(shí)，由于零部件之間的熟悉程度不高，相互之間需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng)，故早期故障發(fā)生率較高。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的應(yīng)用之后，幾乎所有零部件之間已經(jīng)彼此適應(yīng)，相互之間的配合也漸入佳境，故如果船舶運(yùn)行時(shí)沒(méi)有遭遇突發(fā)情況，故障發(fā)生率整體較低。隨著使用期限的大幅度增加，零部件的磨損日益嚴(yán)重，故障發(fā)生率會(huì)逐漸增加。早期發(fā)生的故障多由輪機(jī)整體設(shè)計(jì)和零部件制造存在缺陷而引發(fā)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)故障需立刻更換零部件。中期偶發(fā)故障時(shí)應(yīng)該明確故障成因并進(jìn)行針對(duì)性解決，后期故障處理與前期一樣，需要更換磨損嚴(yán)重的零部件。

圖1 船舶輪機(jī)零部件壽命-故障曲線(xiàn)圖

（2）其他故障率曲線(xiàn)。輪機(jī)使用期間，還存在5種較為常見(jiàn)的故障率曲線(xiàn)，如圖2所示，從a到e對(duì)應(yīng)的情況分別為：①故障率維持恒定會(huì)略微增加，有明顯磨損期。②故障率增長(zhǎng)緩慢，無(wú)明顯磨損期。③故障率出廠(chǎng)時(shí)較低，但會(huì)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的急速增加，之后會(huì)進(jìn)入緩慢增長(zhǎng)期，無(wú)明顯磨損期。④故障率全周期內(nèi)恒定，零部件質(zhì)量極好，僅僅會(huì)因偶然因素引發(fā)故障。⑤設(shè)備初期有較高故障率，之后會(huì)急速下降，最后進(jìn)入恒定緩慢增長(zhǎng)的狀態(tài)，無(wú)明顯磨損期。

圖2 船舶輪機(jī)整體運(yùn)行其他故障率曲線(xiàn)

3.結(jié)語(yǔ)

對(duì)船舶輪機(jī)維修人員來(lái)說(shuō)，需要掌握輪機(jī)多種零部件的故障率變化情況，結(jié)合各類(lèi)型故障的發(fā)生內(nèi)因，在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)判斷故障成因，并通過(guò)更換零部件的方式迅速排除故障，使船舶在行駛過(guò)程中依然維持正常工況，避免陷入危險(xiǎn)境地。