某船主機排溫顯示異常故障排除解析

彭榮華，王逸林

（海裝駐青島地區(qū)第一軍事代表室，山東 青島 266000）

某船修后航行試驗時，2 臺12 V20/27 主機工作良好，最高轉(zhuǎn)速能夠達到該型柴油機的額定轉(zhuǎn)速。動力系統(tǒng)的油溫、水溫、油壓、水壓和控制氣壓都工作正常，各缸爆炸壓力也比較均勻，主要參數(shù)均符合標準要求。但是操縱室內(nèi)主機排溫顯示儀上顯示的主機各缸排溫混亂，在額定轉(zhuǎn)速時，部分缸排溫甚至降至60 ℃左右，與主機真實運行狀態(tài)完全不符，影響了主機修理人員對主機各缸工作狀態(tài)的判斷。

1 故障現(xiàn)象

航行試驗結(jié)束后，船廠連夜檢查排溫異常故障。①拆卸所有熱電偶，送計量站進行校驗。經(jīng)校驗，所有熱電偶實驗室內(nèi)工作正常，輸出電壓隨溫度升高線性良好；②檢查操縱室排溫顯示儀溫度顯示特性，從機旁和操縱室2 處接線箱模擬K型熱電偶，輸入標準電壓信號，排溫顯示儀上的溫度顯示與K型熱電偶標準分度表要求一致，穩(wěn)定性較好，沒有發(fā)現(xiàn)異常；③由于修理人員對該船以前的工作狀態(tài)并不了解，為了徹底解決問題，檢查從操縱室到熱電偶的連接線纜，判斷是否有反接、短路、斷路和接地現(xiàn)象。經(jīng)檢查，部分線纜因長期工作在高溫環(huán)境下有接地情況，還有部分熱電偶正負極性接反。船廠根據(jù)實際情況，使用原材質(zhì)更換了所有存在故障的線纜，系統(tǒng)恢復(fù)后，主機空車進1 試驗，各缸排溫顯示100 ℃左右，基本處于正常范圍內(nèi)。但是在航行驗證時發(fā)現(xiàn)，主機轉(zhuǎn)速進1時排溫基本正常，但轉(zhuǎn)速達到進2、進3、進4時，排溫再次出現(xiàn)異常，在機旁接線箱測量熱電偶輸出電壓，與顯示溫度一致，主機排溫線性再次混亂。當主機減速到進1時排溫異?，F(xiàn)象依然存在。其中左主機尤為嚴重，A1、A2、A4、A6、B2、B3、B4、B5缸溫度不升反降，溫度曲線明顯異常，左主機（故障驗證航次）排溫記錄表見表1。

表1 左主機（故障驗證航次）排溫記錄表 ℃

2 故障原因判斷

結(jié)合第一次航行試驗后故障排查過程，針對2次航行試驗主機的排溫實際情況分析：①主機爆壓均勻，排除主機各缸工作不穩(wěn)定的可能；②排溫顯示儀溫度顯示與分度表電壓值一一對應(yīng)，排除排溫顯示儀工作不穩(wěn)定的可能；③最終問題的根源集中在熱電偶和熱電偶至接線箱間線纜上。

綜合所有現(xiàn)象分析，引起異常的因素可能有以下2個方面：①熱電偶在主機高速運行時，因振動過熱，出現(xiàn)接觸不良或接地情況；②熱電偶至主機接線箱的線纜為K型補償導(dǎo)線，在接線時只關(guān)注了電纜的電氣通斷特性，沒有考慮溫度補償特性，如果將補償導(dǎo)線兩端整體接反，高溫時會出現(xiàn)反向溫度補償，從而導(dǎo)致溫度負增長。

3 理論原理和故障現(xiàn)象分析

該型主機原來配套的熱電偶為K 型鎳鉻/鎳硅熱電偶，因主機排煙系統(tǒng)溫度較高，為了保護操作人員安全，防止高溫燙傷，在排煙管外邊增加了一個隔溫護罩，形成了一個高溫區(qū)，熱電偶也被罩在里邊，如果直接將排溫信號從熱電偶送到排溫顯示儀上，缺少熱電偶與真實環(huán)境的溫度補償，排溫顯示會普遍偏低。由于在主機運轉(zhuǎn)時防護罩內(nèi)溫度非常高，建造設(shè)計時，為了保證排溫顯示正常，從熱電偶至主機接線箱配套了與熱電偶同材質(zhì)的K型補償導(dǎo)線，將低溫端從熱電偶引到接線箱，保證低溫端與環(huán)境溫度一致，加上系統(tǒng)環(huán)境補償，排溫顯示儀上能正確顯示各缸真實溫度。排溫熱電偶測量原理示意圖如圖1 所示，其中，t1為主機各缸排煙真實溫度；t2為熱電偶安裝區(qū)域溫度；t3為環(huán)境溫度。

圖1 排溫熱電偶測量原理示意圖

熱電偶是一種無源傳感器，通過2 種不同材質(zhì)導(dǎo)線組成的回路，在不同溫度下產(chǎn)生不同的熱電動勢，一種為2種導(dǎo)體接觸電動勢，另一種為單一導(dǎo)體溫差電動勢。由圖1可知，主機各缸的排煙溫度測量點的位置在主機內(nèi)部，而且處于超高溫區(qū)，無法直接測量，所以通過K 型鎳鉻/鎳硅熱電偶、補償導(dǎo)線以及環(huán)境溫度補償測量真實溫度。本船采用鎳鉻/鎳硅2 種不同金屬材質(zhì)熱電偶，通過熱電偶分度表綜合計算可以得到熱電偶溫差Δtr：

補償導(dǎo)線與熱電偶是同一屬性材質(zhì)，所以，根據(jù)補償導(dǎo)線兩端產(chǎn)生的電動勢，經(jīng)分度表綜合計算得到補償導(dǎo)線溫差Δtb：

在接線正確的情況下，顯示溫度t：

當補償導(dǎo)線兩端正負極接反時，形成反向補償，此時補償導(dǎo)線溫差（Δtb′）為-Δtb，反向補償顯示溫度t′為：

由式（3）和式（4）可得：

由式（5）可得，顯示溫度與真實溫度相差2Δtb。通過實驗室模擬試驗，當補償導(dǎo)線整體接反時，如果補償導(dǎo)線部位溫度升高，顯示溫度可能出現(xiàn)負增長。

結(jié)合幾次系泊試驗和航行試驗情況分析，當主機系泊試驗空車或進1 時，主機運行時間比較短，Δtr增長較快。而t2還沒有開始升高，與t3相差比較小，所以Δtb數(shù)值不會太大，雖然數(shù)值偏低一點，綜合主機工況不穩(wěn)定的現(xiàn)實，排溫顯示誤差能夠接受，呈現(xiàn)排溫正常的假象。當主機航行試驗工況增加到進2、進3、進4時，Δtr增長趨緩。t2顯著增加，局部溫度可以達到80 ℃以上，而t3變化較小。Δtb就被急劇放大，Δtb數(shù)值可能達到60 ℃以上，甚至更高。如果此時補償導(dǎo)線是反向補償，顯示溫度t′的線性取決于Δtr和Δtb線性斜率，顯示溫度出現(xiàn)負增長。此時顯示溫度t′與真實溫度t1相差2Δtb，所以300 ℃的排溫顯示100 ℃左右，驗證了表1中溫度異常的現(xiàn)象。此時，當主機轉(zhuǎn)速降回到進1 后，t2仍然處于高溫狀態(tài)，Δtb數(shù)值依然保持比較高的狀態(tài)，排溫顯示異?，F(xiàn)象依然存在，從理論上證明了航行試驗時的各種現(xiàn)象。

4 故障排查結(jié)果

經(jīng)過現(xiàn)場進一步分解檢查，發(fā)現(xiàn)主機排溫曲線異常的熱電偶補償導(dǎo)線全部正負極反接。對補償導(dǎo)線調(diào)整后，在現(xiàn)場用烤箱靜態(tài)加溫試驗，排溫顯示儀顯示的溫度值隨烤箱溫度升高同步升高，排溫顯示系統(tǒng)工作恢復(fù)正常。經(jīng)過該船返航過程驗證，各缸排溫隨主機工況線性增長，最終故障得以徹底解決。左主機（返航）排溫記錄見表2。

表2 左主機（返航）排溫記錄表 ℃

通過這次排溫顯示故障的排除和原因分析，施工人員在接線過程中，不能通過簡單的線路通斷證明接線的正確與否，尤其是在特種電纜的安裝時，不僅要了解特種電纜的基本電氣特性，還要熟悉掌握其物理特性，為設(shè)備安裝和故障分析判斷打牢理論基礎(chǔ)，減少試驗試航頻次，縮短船舶修理周期。