淺談船舶主機(jī)缸套異常磨損和活塞環(huán)折斷故障排除

馬健作 中遠(yuǎn)海運(yùn)特種運(yùn)輸股份有限公司

某船舶的二沖程低速主機(jī)的六個(gè)缸全部出現(xiàn)缸套異常磨損和活塞環(huán)折斷故障，由主機(jī)廠家、潤滑油公司、透平廠家、備件廠家、船東等技術(shù)人員成立專家組團(tuán)隊(duì)進(jìn)行診斷排除故障，故障較典型，排查項(xiàng)目較多，排查時(shí)間較長，前后一年時(shí)間左右，最終找到故障根源并成功排除，本文詳細(xì)介紹了本次故障排除過程。

1.主機(jī)基本資料

該輪2010 年建造，夏季載重噸為32000 噸，主機(jī)制造廠家為“Mitsubishi Heavy Industries,Ltd.Kobe Shipyard&Machinery Work”，主機(jī)型號(hào)為“6UEC43LS II”，額定功率為6300 kw，額定轉(zhuǎn)速為160 rpm，主機(jī)為二沖程低速柴油機(jī)，機(jī)械汽缸油注油器的MC機(jī)。

2.主機(jī)故障情況

（1）該輪航行途中，主機(jī)六個(gè)缸先后發(fā)出排煙和掃氣溫度高報(bào)警，停車進(jìn)行掃氣口檢查，發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)槽和環(huán)帶結(jié)碳嚴(yán)重，其中第1、2、3道活塞環(huán)折斷或者卡滯，第4道活塞環(huán)彈性明顯變?nèi)趺芊獠涣紝?dǎo)致后燃，排煙溫度和掃氣溫度異常變高。

（2）主機(jī)故障出現(xiàn)后，查詢主機(jī)部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和檢修記錄，主機(jī)總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間大約為35000小時(shí)，六個(gè)缸套均為原機(jī)缸套，之前沒有更換過；上次吊缸測量記錄顯示缸套內(nèi)徑?jīng)]有超標(biāo)；六個(gè)缸自上次吊缸后的工作時(shí)間大約在600-2500小時(shí)之間，沒有超過說明書6000-8000小時(shí)的吊缸周期。

（3）主機(jī)故障出現(xiàn)后，應(yīng)急吊缸，換新活塞環(huán)，主機(jī)恢復(fù)了正常，但是檢修過大約運(yùn)轉(zhuǎn)了300-500小時(shí)后，又再次出現(xiàn)斷環(huán)故障，海況好時(shí)繼續(xù)停航搶修；海況不好時(shí)只能單缸減油門，加大汽缸注油率，維持主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后選擇機(jī)會(huì)吊缸檢修。

3.主機(jī)故障初步排除方案

主機(jī)吊缸檢修和換新活塞環(huán)，無法徹底排除活塞環(huán)折斷和卡滯故障，懷疑燃油質(zhì)量問題，為此專門加裝燃油，采購助燃劑以及安排燃油化驗(yàn)，檢查燃油系統(tǒng)和噴油定時(shí)、排煙系統(tǒng)和排氣定時(shí)，更換缸套和活塞備件，以及解體檢修透平，通過一系列的檢修工作，主機(jī)活塞結(jié)碳和斷環(huán)情況雖然稍有好轉(zhuǎn)，但是仍然未能徹底排除。

3.1 燃油化驗(yàn)、噴油系統(tǒng)和燃油定時(shí)檢查

主機(jī)六個(gè)缸先后斷環(huán)，懷疑燃油質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，或者燃油系統(tǒng)、噴油定時(shí)存在問題。

3.1.1 燃油化驗(yàn)

主機(jī)活塞斷環(huán)故障時(shí)所用燃油油樣送到實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)論是油樣符合“ISO 8217-2010標(biāo)準(zhǔn)”，其中鋁硅含量和瀝青質(zhì)含量在可用范圍內(nèi)，F(xiàn)IA (燃油點(diǎn)火性能測試) 以及常規(guī)化驗(yàn)結(jié)果顯示滿意，因此，實(shí)驗(yàn)室推斷此次活塞斷環(huán)或許不是由于燃油問題。

3.1.2 燃油系統(tǒng)和噴油定時(shí)檢查

解體檢修燃油高壓油泵和噴油器，檢查噴油定時(shí)，確認(rèn)燃油系統(tǒng)和噴油定時(shí)情況正常，但是主機(jī)仍然存在活塞結(jié)碳嚴(yán)重和斷環(huán)故障。

3.2 排氣閥、排氣定時(shí)和排煙管路檢查

3.2.1 排氣閥和定時(shí)檢查

排氣閥和排氣定時(shí)影響柴油機(jī)完全燃燒，狀況不良時(shí)將導(dǎo)致后燃，為了防止出現(xiàn)這種情況，按照說明書進(jìn)行排氣閥和排氣定時(shí)的檢查，確認(rèn)排氣閥和定時(shí)情況正常。

如果排氣定時(shí)不對，將影響柴油機(jī)燃燒，導(dǎo)致后燃嚴(yán)重，為了防止出現(xiàn)這種情況，按照說明書對排氣定時(shí)進(jìn)行核對，經(jīng)核對定時(shí)與說明書要求一致，排除了排氣閥定時(shí)的影響。

3.2.2 排煙管路檢查

如果排煙管路不夠通暢，柴油機(jī)燃燒不完全，活塞環(huán)容易結(jié)碳，容易折斷，為了防止出現(xiàn)這種情況，對排煙總管、廢氣鍋爐煙管和煙囪出口進(jìn)行細(xì)致檢查，檢查情況正常，排除了排煙系統(tǒng)的原因。

圖1 缸套冷腐蝕和水磨痕跡

圖2 空冷器和脫水格柵

3.3 缸套和活塞換新

主機(jī)六個(gè)缸活塞結(jié)碳嚴(yán)重和頻繁斷環(huán)，排除了前面所述的原因后，故障原因聚焦在主機(jī)缸套和活塞頭部件。把六個(gè)缸套和活塞全部換新，觀察到活塞的結(jié)碳和斷環(huán)情況比之前稍好一些，但是還是未能徹底排除，之前主機(jī)吊缸后運(yùn)轉(zhuǎn)幾百小時(shí)出現(xiàn)斷環(huán)，現(xiàn)在斷環(huán)時(shí)間延后一些，活塞結(jié)碳情況也略有改善。

3.3.1 缸套換新

該輪主機(jī)缸套標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑為430mm，磨損極限為433mm，最大磨損率為缸套內(nèi)徑的0.7%。由于主機(jī)活塞斷環(huán)導(dǎo)致缸套出現(xiàn)異常磨損，吊缸測量缸套最大內(nèi)徑約為432.8mm，磨損率達(dá)0.5mm/kh，大于鑄鐵缸套磨損率標(biāo)準(zhǔn)0.1mm/kh，屬于異常磨損。鑒于主機(jī)缸套磨損超標(biāo)，換新6個(gè)缸套。

3.3.2 活塞頭換新

由于活塞斷環(huán)故障，導(dǎo)致了環(huán)槽磨損量超過極限值，環(huán)槽下平面被磨出臺(tái)階，為此，換新6個(gè)活塞頭。

3.3.3 活塞桿翻新

由于缸套磨損超限，導(dǎo)致了活塞桿運(yùn)動(dòng)中心線失中，活塞桿出現(xiàn)異常磨損，有明顯劃痕和磨臺(tái)，橢圓度嚴(yán)重超標(biāo)，密封環(huán)套在活塞桿明顯透光?；钊麠U沒有異常磨損前，填料函基本不漏油，活塞桿異常磨損后，填料函漏油嚴(yán)重，漏油量約500升/天，另外，由于填料函不能密封，主機(jī)系統(tǒng)油被掃氣和汽缸油污染，粘度、鐵、銅、含水量和總堿值超標(biāo)。

活塞桿翻新修理后，填料函基本不漏油，主機(jī)系統(tǒng)油指標(biāo)逐步好轉(zhuǎn)。

4.主機(jī)故障最終排除方案

前面一系列檢修工作，未能徹底排除主機(jī)活塞結(jié)碳和斷環(huán)故障，重新整理檢修思路，最終通過對掃氣、氣缸油、活塞環(huán)槽和透平噴嘴環(huán)等一系列的針對性檢修，最終排除了故障。

4.1 掃氣溫度和濕度

掃氣溫度和濕度對缸套磨損有一定影響。掃氣溫度過高時(shí)，將會(huì)引起主機(jī)排溫過高；掃氣溫度過低時(shí)，將會(huì)引起缸套冷腐蝕；掃氣濕度過大是，水分將會(huì)洗去缸套內(nèi)壁油膜，并與燃油燃燒后的硫產(chǎn)物結(jié)合生成硫酸，導(dǎo)致腐蝕磨損。

檢查發(fā)現(xiàn)主機(jī)缸套內(nèi)壁有冷腐蝕和水磨痕跡，懷疑主機(jī)掃氣溫度過低，或者掃氣濕度過高，進(jìn)一步檢查，主機(jī)掃氣溫度和空冷器的脫水格柵情況正常，但是發(fā)現(xiàn)掃氣箱放殘水管路有一個(gè)“三通閥”長期處于切斷位置，導(dǎo)致“自動(dòng)放殘水伐”沒有使用，大量冷凝水被掃氣帶入主機(jī)，將“三通閥”接通至“自動(dòng)放殘閥”，恢復(fù)自動(dòng)放殘水，主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，氣缸內(nèi)壁的冷腐蝕和水磨痕跡沒有進(jìn)一步擴(kuò)大。

4.2 汽缸油的注油定時(shí)、注油率檢和總堿值

注油定時(shí)、注油率和總堿值是影響缸套磨損和結(jié)碳的主要因素之一，參照說明書的技術(shù)要求全面檢查和調(diào)整優(yōu)化，主機(jī)原來使用57號(hào)總堿值的汽缸油，經(jīng)綜合評(píng)估調(diào)整為使用40號(hào)和100號(hào)兩種總堿值汽缸油，主機(jī)活塞環(huán)結(jié)碳減少，斷環(huán)故障概率變低，取得一定檢修效果。

4.2.1 汽缸油定時(shí)

該輪主機(jī)有兩組汽缸注油器，第一組注油器給1/2/3缸注油，第二組注油器給4/5/6缸注油，檢查發(fā)現(xiàn)第一組注油定時(shí)比說明書要求提前了15°，而第二組注油定時(shí)與說明書要求一致，咨詢主機(jī)廠家，得知注油器是鏈條傳動(dòng)，不能精確調(diào)整定時(shí)，廠家回復(fù)提前15°注油不會(huì)影響缸套潤滑效果。通過排比法，第一組注油器定時(shí)有偏差，1/2/3缸出現(xiàn)缸套異常磨損和活塞斷環(huán)故障，但是第二組注油器的定時(shí)與說明書一致，4/5/6缸也出現(xiàn)同樣故障，說明了故障原因與注油定時(shí)無關(guān)。

4.2.2 汽缸注油率調(diào)整

主機(jī)汽缸注油率過小，缸套潤滑不良，引起磨損加??；注油率過大，不但浪費(fèi)，而且會(huì)使得活塞頂部、環(huán)槽、氣口和排氣閥處積碳增多，引起活塞環(huán)和排氣閥粘著，導(dǎo)致活塞環(huán)出現(xiàn)卡滯或者折斷，同時(shí)過多的汽缸油沉積在活塞底部空間，容易導(dǎo)致掃氣箱著火；汽缸注油率主要是通過掃氣箱殘油化驗(yàn)指標(biāo)和活塞環(huán)濕潤度進(jìn)行調(diào)整。如果掃氣箱殘油化驗(yàn)顯示Iron含量大于200mg/kg，pq指數(shù)過高，通常表示存在明顯的磨料磨損，需要增大注油率。如果停航檢查活塞環(huán)，發(fā)現(xiàn)干巴巴的，沒有濕度的濕潤度，說明注油率過小，需要調(diào)大注油率。

圖3 使用TBN57一種汽缸油，活塞環(huán)結(jié)碳嚴(yán)重

圖4 TBN40和TBN100兩種汽缸油交替使用，活塞環(huán)結(jié)碳減少

該主機(jī)說明書注油率范圍為1.22—2.31g/kw.h，基準(zhǔn)注油率為1.5 g/kw.h，通過掃氣箱殘油化驗(yàn)指標(biāo)和活塞環(huán)濕潤程度，調(diào)整注油率約為1.72 g/kw.h。

4.2.3 汽缸油總堿值選擇

汽缸油總堿值（TBN）用于中和附在汽缸壁的硫化物燃燒產(chǎn)物，避免產(chǎn)生酸腐蝕，理論上來說，總堿值越高，代表機(jī)油中和酸性物質(zhì)的能力越強(qiáng)，清潔能力也越好，但是過量堿值氣缸油在高溫下燒結(jié)形成的灰白色碳酸鈣，形成磨料磨損，造成活塞環(huán)和缸套異常磨損。如果掃氣箱殘油堿值在10-25mgKOH/g之間，說明汽缸油總堿值合適。

主機(jī)原來使用TBN57汽缸油，潤滑油公司建議調(diào)整使用TBN40和TBN100兩種汽缸油交替使用，其中TBN100汽缸油用于中和清潔活塞結(jié)碳；使用一段時(shí)間后檢查主機(jī)活塞環(huán)結(jié)碳減少，斷環(huán)故障概率變低，取得一定檢修效果。

4.3 活塞頭檢修

主機(jī)活塞頭換新后，斷環(huán)故障依然存在，測量發(fā)現(xiàn)該主機(jī)活塞環(huán)天地間隙偏小，聯(lián)系備件廠家，得知環(huán)槽高度是按照說明書規(guī)定的最小值公差進(jìn)行加工，目的讓環(huán)槽多些磨損余量，考慮到活塞環(huán)天地間隙小，在高溫和結(jié)碳時(shí)活塞環(huán)容易卡滯，按照最大公差重新加工活塞環(huán)槽高度，以避免活塞環(huán)在高溫時(shí)不容易被結(jié)碳卡滯在環(huán)槽里面。

活塞環(huán)槽加工數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 活塞環(huán)槽加工數(shù)據(jù)表（單位：mm）

5.透平噴嘴環(huán)換新

主機(jī)透平廠家為“Nakasaki Shipyard &Machinery Works”，型號(hào)為“MET53MA”。

將主機(jī)運(yùn)行參數(shù)與新船時(shí)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)主機(jī)掃氣壓力變低、爆炸和壓縮壓力差值變小、排溫變高，懷疑透平效率變差。經(jīng)了解排煙總管沒有格柵，噴嘴環(huán)曾經(jīng)被異物撞擊變形，僅用手工校正和焊補(bǔ)修理，沒有換新。另外，噴嘴環(huán)已經(jīng)使用了十多年，其流道長期受高溫高腐蝕的燃?xì)鉀_蝕，廢氣離開流道的角度、速度和壓力偏離設(shè)計(jì)值，致使主機(jī)透平效率可能變低。為了提高主機(jī)運(yùn)行參數(shù)，訂購了全新的噴嘴環(huán)備件，并換新安裝使用，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)觀察，主機(jī)掃氣壓力比之前增加了0.4Bar，爆炸與壓縮壓力的差值從原來25Bar提高至30Bar，平均排煙溫度下降15°C左右，主機(jī)活塞結(jié)碳明顯變好，沒有出現(xiàn)斷環(huán)故障。

船舶主機(jī)朝著低轉(zhuǎn)速、超長沖程、高增壓、電噴等方面發(fā)展，為了減低油耗率，主機(jī)儲(chǔ)備功率普遍較小，當(dāng)船舶污底、配載不良或者大風(fēng)浪航行時(shí)，主機(jī)運(yùn)行時(shí)容易超負(fù)荷，出現(xiàn)燃燒不完全現(xiàn)象，導(dǎo)致了透平、排氣閥、活塞、缸套等主要部件嚴(yán)重結(jié)碳或過熱燒損，主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況變差。建議嚴(yán)格按照主機(jī)技術(shù)通函每月至少兩次進(jìn)行掃氣口檢查，對缸套內(nèi)壁、活塞頭頂部和活塞環(huán)進(jìn)行拍照，形成連續(xù)性檢查檔案，并進(jìn)行對比分析，確保主機(jī)安全可靠工作。