某船左主機排氣溫度高故障分析與排除

榮 健

（4808工廠威海修船廠，山東 威海 264200）

1 故障現(xiàn)象

該船主機為2 臺TBD604BL6 型柴油機，帶廢氣渦輪增壓器和中冷器，額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min，額定功率637 kW，額定工況下的排氣溫度不超過520 ℃。配套推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計軸功率為586 kW（柴油機轉(zhuǎn)速1 800 r/min 時）。海試時左主機轉(zhuǎn)速達(dá)到1 750 r/min 和1 800 r/min 時，雖然排氣溫度未超過說明書規(guī)定的520 ℃，但與之前正常狀態(tài)下使用時的排氣溫度相比，高約70 ℃，并且排氣時冒黑煙，曲軸箱呼吸器向外冒水蒸氣，檢查滑油已變質(zhì)。對兩艉軸進(jìn)行軸功率測量，發(fā)現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速時軸功率均超出設(shè)計軸功率，其中左軸大于右軸。右主機除軸功率超過設(shè)計指標(biāo)外其他無不正常表現(xiàn)。2 臺主機在1 750 r/min 和1 800 r/min 時測量的排氣溫度和艉軸功率見表1。

表1 2臺主機在1 750 r/min和1 800 r/min時測量的排氣溫度和艉軸功率

2 故障原因分析

2.1 故障樹

在船舶推進(jìn)系統(tǒng)中，船、機、槳三者相互關(guān)聯(lián)。主機排氣溫度高，可能是柴油機本身的燃燒質(zhì)量問題，也可能是船體的航行阻力偏離了設(shè)計工況，造成在同樣的主機轉(zhuǎn)速下負(fù)荷增加，還有可能是傳動軸系功率消耗增加而帶來附加負(fù)荷。因此，針對故障特征綜合所有有用信息，從船體、軸系及螺旋槳、柴油機3個方面進(jìn)行分析，并依據(jù)“先易后難”“先可能性大的后可能性小的”的原則進(jìn)行逐步排查。根據(jù)一般原理，列出故障樹，作為分析故障的總綱，主機排氣溫度高的故障樹見圖1。

圖1 主機排氣溫度高的故障樹

2.2 船體因素分析

船體在設(shè)計時，通過與螺旋槳的配合形成了主機的推進(jìn)特性。一般推進(jìn)特性在柴油機最高轉(zhuǎn)速時，功率接近其外特性該轉(zhuǎn)速下的最大功率，但仍保留一定的功率裕度。但如果船體外板變形，對于雙體船還包括2個片體不對稱等，就會使船體型線發(fā)生改變，使實際推進(jìn)曲線偏離原設(shè)計值，導(dǎo)致需求功率偏大，造成主機超負(fù)荷，排氣溫度升高。修理前，船體損壞極有可能造成船體外板和片體變形。修理時若在船排上不適當(dāng)擱置或坐排時間過長，也可能造成船體外板變形。船在碼頭?？繒r間長，易長出海生物，造成船體阻力增加。因此設(shè)計時通?？紤]污底狀況，并預(yù)留功率儲備。本次修理時船體外板均進(jìn)行了清理和重新涂裝，下水后在碼頭停靠時間短，因此船體污底這個因素可以忽略。

2.3 軸系及螺旋槳因素分析

軸系主要包括艉軸及艉軸軸承，為方便起見，將齒輪箱和螺旋槳也放在軸系中一起分析。軸系布置示意圖如圖2所示。主機通過橡膠聯(lián)軸器與齒輪箱直接連接，齒輪箱與艉軸通過法蘭與緊配螺栓連接固定。艉軸通過2只賽龍軸承支撐在艉軸管內(nèi)，前賽龍軸承前裝有SMB170 型艉軸密封裝置。直徑1 347 mm的5葉螺旋槳通過緊固螺母和半圓鍵與艉軸錐面配合安裝。

圖2 軸系布置示意圖

該系統(tǒng)中的螺旋槳是直接負(fù)載，決定了主機的推進(jìn)工況負(fù)荷。螺旋槳如果發(fā)生槳葉變形、螺距偏大、異物纏繞等，其需求功率會增加，從而使相同轉(zhuǎn)速下柴油機負(fù)荷增大，排氣溫度升高。螺旋槳螺距偏大，有可能是制造出廠時就存在，也可能是使用過程中引起變形，需要拆卸測量后方能確定。異物纏繞一般是在航行過程中有漁網(wǎng)等細(xì)長柔性物體被旋轉(zhuǎn)的螺旋槳絞入，只要通過水下或上排檢查就能發(fā)現(xiàn)。軸線對中不良、艉軸軸承損壞或配合間隙不合適、艉軸本身變形彎曲等均會產(chǎn)生較多的功率損失，使需求功率增加，主機超負(fù)荷，排氣溫度高。

一般情況下，齒輪箱的工作狀態(tài)對于主機的負(fù)荷變化沒有大的影響，但如果軸承和傳動齒輪發(fā)生損壞，也會影響到功率傳遞，可能造成功率消耗增加從而增大柴油機的負(fù)荷，這種情況可通過分析運轉(zhuǎn)聲音和測量溫度來判斷。

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2.4 柴油機因素分析

柴油機排氣溫度高，如果不是因為輸出負(fù)荷增加，則需要從柴油機自身分析原因。排氣溫度異常偏高，歸根結(jié)底是氣缸內(nèi)燃燒不正常，應(yīng)從影響可燃混合氣空氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)分別進(jìn)行分析。該型柴油機是增壓中冷型，空氣系統(tǒng)包括空氣濾清器、增壓器、中冷器、進(jìn)氣流道、燃燒室、配氣定時等。其中空氣濾清器臟污阻塞、增壓器效率低、中冷器冷卻不足或阻力大均會造成空氣供給不足，而在相同的功率輸出需求下，需要額外增加供油量，使混合氣濃度加大，從而產(chǎn)生排氣溫度高、冒黑煙的現(xiàn)象。進(jìn)氣流道包括進(jìn)氣管和氣缸蓋內(nèi)空氣腔，這部分一般情況下不會有問題，但本故障的表現(xiàn)之一是呼吸器透氣管出口處冒水蒸氣，滑油已乳化變質(zhì)，說明有水進(jìn)入了滑油中，由于氣缸蓋內(nèi)既有空氣道又有水腔，因此需要重點排查。燃燒室密封不嚴(yán)（氣閥關(guān)閉不嚴(yán)、活塞環(huán)異常漏氣等）和配氣定時偏差均會影響氣缸內(nèi)柴油的燃燒質(zhì)量，造成后燃等，從而排氣溫度升高。

燃油系統(tǒng)的影響因素主要包括燃油品質(zhì)、噴油器和噴油泵故障與噴油時間不合適等，其中又以噴油器霧化不良、噴孔阻塞故障最為常見。而每次修理時噴油提前角均需要檢查調(diào)整到最佳值，超前或延后均可能造成燃燒不良。

3 故障排查和處理

由于對船體和軸系的全面檢查只能在排上進(jìn)行，所以先對柴油機進(jìn)行檢查，然后再上排對船體和軸系進(jìn)行檢查。

3.1 柴油機的排查和處理

TBD604BL6 型柴油機是直列6 缸、渦輪增壓，各缸的排氣管連接到一根總排氣管上，然后與渦輪增壓器連接。柴油機排氣溫度從增壓器后排煙管通過熱電偶測量，沒有單缸排氣溫度測量接口，也沒有單缸爆炸壓力的測量接口，難以判斷單缸工作狀態(tài)。影響柴油機排氣溫度的因素很多，根據(jù)原因分析，按照由外及內(nèi)、先易后難的原則逐一進(jìn)行排查，結(jié)果如下。

1）檢查左主機噴油器霧化狀態(tài)、開啟壓力和泄漏情況，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）檢查左主機供油始點（提前角）、氣閥間隙和配氣定時，均符合要求。

3）拆下噴油泵到試驗臺進(jìn)行試驗檢查，供油始點、供油時間間隔、各轉(zhuǎn)速供油量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，出油閥密封試驗無泄漏。

4）檢查空氣濾芯，臟污情況正常；檢查增壓器轉(zhuǎn)子軸向間隙和徑向間隙正常，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動靈活無卡滯。

5）檢查左主機中冷器空氣側(cè)和海水側(cè)，并與右主機對比無異常臟污，測量空冷器海水進(jìn)出口溫差并與右主機對比，均正常。

6）檢查左主機活塞和活塞環(huán)，磨損狀態(tài)、開口間隙和環(huán)槽間隙均正常。

7）2 臺主機同時由一個燃油艙供油，燃油品質(zhì)不會影響正常燃燒。

8）由于主機運轉(zhuǎn)時存在曲軸箱呼吸器向外冒水蒸氣的現(xiàn)象，因此判斷是滑油中含有水，油底殼內(nèi)滑油已乳化變質(zhì)也說明了這一點。而滑油中的水是機器冷卻水泄漏所致。因此，在各部件拆卸檢查之前，對左主機冷卻水系統(tǒng)做熱態(tài)整體密性試驗。柴油機開車運行至淡水溫度升至60 ℃后停車，進(jìn)行0.5 MPa 壓力試驗（超過工作時冷卻水壓力），水壓無下降，檢查氣缸套、機體各水腔均沒有漏水跡象。于是懷疑氣缸蓋或氣缸套有裂紋，這種裂紋在靜態(tài)時并不泄漏，在主機運轉(zhuǎn)時因承受高溫、高壓交變載荷和振動導(dǎo)致裂紋變大出現(xiàn)泄漏。拆卸后對每一個氣缸蓋、氣缸套進(jìn)行仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)第4缸氣缸蓋進(jìn)氣閥位置顏色與其他缸不同，似有黃色水痕銹跡，進(jìn)氣閥水痕見圖3。檢查第4缸氣缸套內(nèi)壁殘留的滑油已變質(zhì)為黑色黏稠狀，其他缸內(nèi)殘留的滑油顏色形態(tài)正常。對第4缸氣缸蓋進(jìn)行分解，拆下進(jìn)、排氣閥后，目測發(fā)現(xiàn)氣缸蓋進(jìn)氣閥座內(nèi)有疑似裂紋，經(jīng)著色探傷確認(rèn)存在一條約30 mm 長的裂紋，氣缸蓋探傷裂紋見圖4。

圖3 進(jìn)氣閥水痕

圖4 氣缸蓋探傷裂紋

為進(jìn)一步確認(rèn)該裂紋在靜態(tài)時不會發(fā)生泄漏，在車間對該氣缸蓋單獨進(jìn)行密性試驗，采用冷水、熱水、壓縮空氣以及提高試驗壓力等措施，均未發(fā)現(xiàn)氣缸蓋泄漏。由此證實該裂紋只有在工作狀態(tài)下才會漏水，于是對第4 缸氣缸蓋進(jìn)行了更換。

對柴油機的檢查，除發(fā)現(xiàn)1 個氣缸蓋有裂紋在工作狀態(tài)下漏水之外，其他均正常。漏水是從氣缸蓋進(jìn)入燃燒室，有一部分以水蒸氣形式混入空氣中燃燒，對柴油機燃燒質(zhì)量會產(chǎn)生一定影響。由于只有一個氣缸漏水并且該缸仍處于正常發(fā)火的工作狀態(tài)，因此影響有限，不至于造成柴油機排氣溫度過高且冒黑煙。因此，在水下進(jìn)行必要的檢查后，決定將船上排，對船體和軸系及螺旋槳作進(jìn)一步的檢查。

3.2 軸系及螺旋槳排查和處理

船在水下時，采用轉(zhuǎn)矩扳手測量2 條艉軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較檢查。測量結(jié)果顯示，左軸轉(zhuǎn)矩303 N·m，右軸轉(zhuǎn)矩270 N·m，相差33 N·m，該測量結(jié)果與海試時軸功率測量結(jié)果相符，說明左艉軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩偏大，軸功率也偏大。上排后，采用轉(zhuǎn)矩扳手再次測量艉軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩，左軸轉(zhuǎn)矩375 N·m，右軸轉(zhuǎn)矩355 N·m，相差20 N·m。外觀檢查螺旋槳無異物纏繞，拆出左艉軸檢查，發(fā)現(xiàn)的問題及采取的措施如下。

1）校直艉軸。采用兩支點測量艉軸螺旋槳安裝軸頸和艉軸前端法蘭安裝軸頸的徑向跳動，發(fā)現(xiàn)2 處軸頸徑向跳動均為0.40 mm，遠(yuǎn)超出修理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)0.08 mm 的要求。軸端徑向跳動超標(biāo)，對支撐軸承產(chǎn)生附加力，軸承摩擦力增大，軸功率也增大。采取敲擊法校直艉軸，使艉軸各軸頸徑向跳動量達(dá)到規(guī)定要求。

2）軸系對中。脫開齒輪箱輸出法蘭與艉軸前端法蘭，采用平軸法測量2只法蘭的對中值。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)艉軸前端法蘭比齒輪箱輸出法蘭中心高0.70 mm。艉軸抽出后，以齒輪箱輸出法蘭中心為艏基準(zhǔn)點，后賽龍軸承中心為艉基準(zhǔn)點，采用拉鋼絲線法測量左軸系中心線。經(jīng)測量檢查，發(fā)現(xiàn)前賽龍軸承中心線比理論中心線高0.80 mm，其值與平軸法測量值基本一致，超出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)0.20 mm的要求。檢查發(fā)現(xiàn)前賽龍軸承下部存在明顯磨損跡象，與前賽龍軸承中心線比理論中心線高相吻合。艉軸安裝中心線產(chǎn)生偏差，使軸承負(fù)荷不均勻并產(chǎn)生附加力，艉軸與賽龍軸承摩擦力增大，消耗功率增加。為了消除軸系對中偏差，采取抬高主機和齒輪箱的措施，使軸系對中符合要求。

3）測量螺距。對螺旋槳螺距進(jìn)行測量，總平均螺距相對設(shè)計值高出3.4%，超出修理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于1.0%的要求。螺旋槳螺距越大，同樣轉(zhuǎn)速下推進(jìn)功率越大，柴油機負(fù)荷就越大。經(jīng)檢查，螺旋槳除螺距偏大外，其余均正常?？紤]到船舶受損前使用正常，且已查出軸系問題，決定對螺旋槳不作處理，繼續(xù)使用。

4）檢修右軸?？紤]到此次修理級別和船體變形對右軸影響不大，因此對右軸系進(jìn)行了簡單的檢查處理，沒有進(jìn)行抽軸檢修。

采取上述措施并重新安裝艉軸后，在排上再次測量艉軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩，左軸轉(zhuǎn)矩270 N·m，右軸轉(zhuǎn)矩320 N·m，左軸轉(zhuǎn)矩明顯變小。

3.3 船體檢查和處理

船上排后，大致測量了船體基本尺寸、左右片體大小和左右片體與船中線的對稱情況，測量結(jié)果略超出設(shè)計圖紙要求。船體外板未發(fā)現(xiàn)明顯變形。

由于受本次修理級別的局限，未進(jìn)行精確測量，測量數(shù)據(jù)不足以判定船體是否存在較大的變形以及對船體阻力的影響。但因左軸系中心線比理論中心線存在較大偏差，左片體在受損后存在一定的變形?？紤]到修理范圍和實際使用需求，本次不對船體進(jìn)行精確測量和變形矯正。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對柴油機、軸系及螺旋槳、船體進(jìn)行排查和處理后，船下水再次試航，當(dāng)主機轉(zhuǎn)速1 750 r/min時，左主機排氣溫度390 ℃，右主機排氣溫度400 ℃，排氣冒黑煙、呼吸器冒水蒸氣現(xiàn)象消除，故障排除。考慮到船體變形情況依然存在以及滿足使用要求，將正常使用時主機最高轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 750 r/min。通過本次排故障修理，得到以下幾點啟示。

1）柴油機、軸系和螺旋槳三者之間必須相互配合和安裝恰當(dāng)。當(dāng)船舶軸系和螺旋槳中的任何一項發(fā)生改變，都可能造成附加負(fù)荷而需要消耗更大的功率，從而使柴油機輸出功率增加，嚴(yán)重時將使柴油機處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，出現(xiàn)排氣溫度高、冒黑煙現(xiàn)象。

2）對于小型船舶，通過靜態(tài)測量軸系轉(zhuǎn)矩，可間接反映出軸系軸線和軸承工作狀況，為確定故障和修理范圍提供參考。

3）在靜態(tài)試驗時，可能不能發(fā)現(xiàn)氣缸蓋裂紋漏水，需要結(jié)合故障特征仔細(xì)觀察判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的探傷檢查而確定。