服役期未过半主机活塞为何出现故障？_解锋.pdf

中国船检 CHINA SHIP SURVEY 2023.288主机的可靠性决定了船舶航行的安全性。正常情况下通过周期性的维护保养，多数主机在船舶整个服役期内是不需要更换缸套的。本文讲述的这台主机装配于30万吨级的超大型矿砂船上，在不到一半的服役期时，出现了活塞断环，缸套过度磨损超限，不得不更换缸套的情况。耗费巨额修理费，更主要的是影响到船舶的航行安全。因此特通过实际故障案例，分析查找原因，寻找改进措施。主机运行情况装配于30万吨级矿砂船的这型主机，启动性能优良，在较好的外在条件下启动空气达到12kg/cm2以上，主机冲转至12rpm即可达到服役期未过半，主机活塞为何出现故障？中远海运船员管理有限公司 解 锋发火转速，油头或油泵检修后，燃油系统比如油头或高压油泵因空气未排净，可能造成启动初期不发火。启动试验证明不少于4个缸发火燃烧时，主机即可启动运转，转速达到30rpm以上时，不发火的缸可以自动完成驱气，恢复正常运转。该 主 机 临 界 转 速 区 为3846rpm，位于HALF转速区内，机动操纵会造成不便。因船舶吨位解锋 自1996年一直在远洋船舶从事轮机管理工作，至2013年初次任职远洋船舶轮机长至今。2010年进入公司好望角型船队，历任船舶：“天昌海”轮、“天禄海”轮、“天顺海”轮、“宇中海”轮、“宇华海”轮等。在船舶轮机管理工作中积累了丰富的经验，在设备管理和能效管理方面有多个技术创新成果得到公司的嘉奖。一线手记 Site Notes2023.2 CHINA SHIP SURVEY 中国船检89大，机动操纵时显现主机配备功率过小。尤其满载时，在船速较低情况下，因相应负荷下的扫气压力限制，越过临界转速的时间会相应较长。通常设置是在临界转速区滞留超过45秒将会触发报警提示。最好的做法是在37rpm运转时间长一些，使船速尽可能接近理论航速，即7.9节，此时再加速会较容易越过临界转速区。在营运转速区还有一个高震动区间位于62 64rpm，63rpm是峰值，也应避开此区间运转。营运航行期间，主机运行在65rpm，功率15000kW，达到额定功率的69%左右，是最好的工作区间，效率最高，负荷适中，在正常海况船速可以达到13.8kn，经济性较好。若只是从节油考虑降速航行，考虑到主机工况，以58rpm较好，再低则扫气效率严重下降，透平后排气温度升高，对透平、排气阀及活塞组件产生不良影响。主机在营运中连续航行超过20天，每次抵港均应在第一时间安排扫气口检查。检查各缸活塞环状况，从扫气口观察缸套内壁，查看可视范围内的表面状况。这种检查对于判断气缸油量是否合适，有无异常磨损，是否需要吊缸检修，可以提供最直接的参考证据。好的状况，停车后活塞环上是布满气缸油的。这是因为检查时总要盘车，使活塞到达扫气口处，缸套内壁的气缸油会被活塞环刮下，积存在环槽内。这不能说是注油量偏多了。活塞环表面应该是光亮的，活塞环天地间隙没有变大，正常在0.45mm，上下移动活塞（正反向盘车），活塞环在环槽中可以上下移动，环槽中看不到明显的固体状积碳沉积，两道环之间的活塞本体上也没有积碳，这说明燃烧室状况良好，气缸油量充足。针对这台主机重点要观察第一道环的磨损情况。从历年的管理经验看，基于其结构的原因，即气缸注油器的布置位置，该机型考虑整个气缸的润滑，注油器布置在气缸中上部位置。这对于超长行程的机型来说，导致了活塞上止点第一道环的位置离注油点距离偏大，因此润滑条件差，按照推荐的注油量设置是偏小的。常规机型在完成磨合期运转后，气缸油量可以减至0.95g/kWh。本机在实际运行管理中，发现低于1g/kWh时，活塞环的过度磨损将无法避免。在一个吊缸周图1 磨合运行2000小时的活塞环状况图2 活塞环运行7000小时磨损情况中国船检 CHINA SHIP SURVEY 2023.290期内，可以通过测量第一道环外圆的泄压槽，也可叫做磨损指示槽，通过深度判断磨损量。新环槽深3.8mm，随着磨损，槽深度会减小，当槽深减小到2.5mm时应换新（参考图3）。可以依据不超过0.2mm/千小时来判断，超过该值则说明磨损量偏大。观察缸套内表面是否光滑干净，如果有黑色碳斑存在说明气缸油量偏小。从图1可以明显看出，在磨合运行2000h后，黄色的减磨合金还没有完全磨去，说明润滑较好。但第一道环的上四分之一处减磨合金已磨完，显示第一道环磨损量大于其他活塞环。图2显示了即将到达吊缸周期（800012000h）的活塞环状况。气缸油油量的调整与注油器布置位置之间的关系：该机型的注油器处于缸套上1/3偏下一点的位置，兼顾了整个缸套的润滑。缺点是缸套顶部燃烧室在每次燃烧做功后，缸套与第一道活塞环接触的表面油膜基本被破坏，在下一个冲程如果活塞环表面不能携带足够量的气缸油到达上止点，就会造成活塞环与缸套表面干磨，导致缸套上止点位置过度磨损。因此这样的布置对于超长行程的主机，应给予较大的注油量才能满足活塞环在上止点的润滑条件。从经验来看，气缸油注油量设置在87（ALFA 气缸油电子注油器87%BASIC SETTING）可以满足要求，对应功率消耗：不小于1.15/kWh。故障分析1.活塞及活塞环过度磨损 主机运行到47000小时，活塞环槽中的镀铬层逐渐磨损，天地间隙超极限，导致燃烧室密封不良，活塞环槽积碳、卡阻，第一道活塞环经常在运行中断裂。在扫气口检查时经常发现第一道活塞环搭扣处断裂缺失3至5cm。吊缸检修测量的数据，上止点处第一道环对应的位置缸套左右磨损量大，达到805.1mm,前后803.5mm，椭圆度严重。而从上止点第二道环对应的缸套位置向下则磨损量急剧减小，造成顶部的椭圆形喇叭口状。分析原因，这种形状是因为上止点处第一道环润滑严重不良导致。随着磨损加剧，情况会更快速的恶化。当活塞到达顶部时，进入喇叭口区域，活塞环在自身张力作用下，自环槽中向外弹出，此种状态不可避免地使活塞环径向内部与环槽之间空间变大、发火燃烧时更多的烟气进入此空间，烟灰沉积变多。而每一个燃烧循环第一道活塞环都要经历一次在环槽中弹出又缩回的过程，原本气缸油量不足，处于半干磨的状态，加上积存在环槽内部的烟灰颗粒过多，自然形成了磨料，导致磨损进一步加剧，更大的问题是润滑及磨料的不均匀使环槽形成不均匀磨损。因为润滑不均匀，在圆周内有的圆弧范围磨损量大，有的范围磨损量小。同时因第一道环密封性变差，在燃烧时更多的烟气下窜，进而影响到第二道环。第一道环一旦有超过三分之一圆弧因积碳卡阻，到达上止点时环不能弹出形成密封，燃气就会大量下窜，破坏第二、三道环的润滑，打破了正常的平衡。在发火燃烧时超过100kg/cm2的高压燃气作用在活塞环上，因不均匀磨损，活塞环垂直方向承受弯曲应力，长期承受交变应力，疲劳导致活塞环断裂。断环的另一个原因是活塞环卡阻后经过扫气口时，因缸套下部磨损量小，活塞环因卡阻不能自如收缩，搭扣部位碰一线手记 Site Notes图3 活塞环磨损指示槽2023.2 CHINA SHIP SURVEY 中国船检91撞扫气口边沿，导致环被刮断，这种情况最为危险，极易造成缸套被拉伤。这种极端不良工况产生的后果如图4、图5所示。出现这种情况，最直接的原因就是气缸油量偏小。实践也证明当注油量小于0.85g/kWh，将不可避免地发生断环、过度磨损。吊缸检修磨合结束后将气缸油量设置为不低于1.15g/kWh，在一个吊缸周期（8000 12000h）活塞环将始终处于正常状态。因此气缸油碱值合适、注油量充足至关重要。2.运行中发生敲缸装配同一机型的某轮航行中发生NO.1缸敲缸，该缸运行时间76000小时，上次吊缸测量缸套最大磨损量5.8mm，尚未达到磨损极限。停车通过扫气口检查，发现NO.1道活塞环断裂，积碳严重。主机减速运行，敲缸随着运行时间延长越发严重。待海况允许后停车吊缸检修，发现缸套上止点位置磨损严重，达到8.5mm已超过极限值6.4mm。换新活塞环后依然敲缸。燃烧工况急剧恶化，气缸窜气严重，引发该缸扫气箱着火。最终通过停车更换缸套，该缸恢复正常。原因分析：该轮当时使用的燃油铝硅含量达到59mg/kg（允许上限60mg/kg）。这是产生过度磨损的直接原因。对比其他缸没有产生明显变化，是因为其他缸磨损量都较小，已有多个缸已经换新了缸套，缸套密封润滑条件较好。NO.1缸原本因磨损间隙偏大，正常运行中就存在上止点密封不良，活塞环窜气。燃油中的铝硅燃烧析出，不能被气缸油带走，就会在半干磨状态下形成磨料，加剧磨损。一旦缸套左右方向磨损量超过极限值，状态会加速恶化，超过了活塞能够保持正中的临界间隙值，在喷油燃烧产生的爆压推动下，活塞会向侧面撞击缸套内壁产生敲击声，即发生敲缸。出现这种情况只有换新缸套才能恢复正常。管理措施通过以上案例可以看出要保证主机燃烧室部件可靠运转，合理的气缸油设置至关重要。气缸油的主要作用包括润滑、中和燃油中的硫份和清净分散性。运转中一旦气缸油的清净分散性不足以完全溶解，图4 积碳卡阻断环图5 缸套碳癍中国船检 CHINA SHIP SURVEY 2023.292一线手记 Site Notes带走积碳，将导致燃烧室工况急剧恶化。在这种情况初期，扫气口检查时，若发现积碳过多，如果第一道环还没有卡住，从扫气口人工喷入少量祛碳剂，溶解积碳至活塞环可以正常活动，再加注气缸油润滑。适当加大该缸气缸油注油量运行一段时间也可适当改善活塞环工况，维持到吊缸检修。不管航行时间长短，每次抵港都要尽可能安排从扫气口检查活塞及缸套可见部位的状况。这种检查可以为气缸油量的调整提供最有效的参考。活塞一旦出现过度磨损，主要发生在环槽底面的过度磨损，只能换新活塞头。在缸套还没有磨损到达极限更换新缸套之前，尤其要注意气缸油注油量的调整。气缸油润滑不足，一旦产生积碳堆积、卡阻，极易发生活塞环断裂现象。在这种情况下吊缸检修更换活塞环时要特别注意新环的安装方向，第一和第二道环一定要将搭扣置于前后方向，两道错开180度。这样放置是考虑到缸套左右方向磨损量大的原因，活塞环搭扣朝向前后更利于环的扩张和收缩（如果第一道环搭扣朝向左右，在环扩张收缩时搭口部位将承受很大的应力，极易造成搭口疲劳断裂），第三、四道环置于左右方向，错开180度。这针对于缸套已经因磨损出现椭圆度的情况尤其重要。当然，活塞环在运转中也会自动的旋转，这种随机的转动更利于缸套密封和环槽的清洁。吊缸时发现活塞环偏磨，缸套左右偏磨严重，椭圆度大。该椭圆度主要呈现于第一道环上止点位置附近，变化距离在10cm之内。以活塞处于上止点位置看，从第三道环向下缸套的润滑状态是良好的，第三、四道环磨损是很小的。扩展探讨活 塞 冲 程3200mm，属 于 长冲程机型。每缸在缸套中部环形分布8个气缸油注油器。从运转管理中得到数据看，缸套的润滑设置存在不足。因冲程长，一排注油点很难满足于从上到下全行程的良好润滑。参考实例：2021年下水的载重325000吨矿砂船装配的7G80ME电喷柴油机，放弃了MAN主机原来的注油点，在更靠上的位置重新布置了8个注油器。这样偏上的布置较好地保证了燃烧室部位的润滑。但也出现了缸套中下部清净分散性不足的状况，缸套表面有碳癍沉积。这种情况，如果在缸套上布置两排注油器可能是比较好的解决方案。例如三菱UEC型主机，即是两排注油器布置，在同样气缸油消耗的情况下，缸套及活塞环的磨损量远远小得多。这样的润滑状况可以达到船舶服役寿命期内不用更换活塞和缸套。当然，对于已经装船运行的主机来说更改原始结构并不是能够轻易实现的，只能分析原因在管理中尽可能改善运行条件。气缸注油量的设置过大会产生哪些隐患呢？出于节能考虑，当然希望够用就好。但如果偏大了会怎样呢？过多的气缸油进入燃烧室参与了燃烧显然会产生不良后果，可能会在活塞头部出现固体结垢沉积，这种情况更容易发生在短冲程柴油机或注油点偏上的情况。如果出现这种情况，通过扫气口检查可以及时发现，并作出调整。针对本文论述的机型则不易出现，原因是上止点距离注油点较远。如果气缸油过量了，多余的气缸油会在活塞下行时被刮入扫气箱，因此产生的不良影响是，会在盘根箱密封欠佳时被过多的带入曲轴箱污染系统滑油，造成系统油碱值偏高。这要通过定期的滑油化验才能发现。通过不断的实践发现，充足的气缸油量带来的好处不仅是活塞环与缸套磨损量减少，主机故障率大幅度降低。同等的油耗下，主机动力性能更好。表现在可以更快的越过临界转速区，加速性能更好。更大的优势是燃油经济性有明显2023.2 CHINA SHIP SURVEY 中国船检93图6 压夜拉伸器结构图的提升，可以大幅度节约燃油，降低排放。吊缸拆装拆装要点如下：缸套上部台阶打磨：吊出活塞后测量活塞环天地间隙，数值在0.45 0.50mm，说明活塞环槽没有明显磨损，此时换新活塞环不会造成上止点第一道环的位置变化，这种情况缸套顶部的凸台可以不用磨平。因为打磨操作不当磨到台阶下部的缸套表面时，反而会造成磨合初期密封不良，但是在活塞因环槽磨损超限而换新后，缸套顶部凸台必须磨平。磨平凸台是个考验技艺和费时的工作，最好选择厂家要求的专用设备，但通常船上是不具备的。这就需要精心操作，因为第一道环的密封性至关重要，缸套打磨不好将产生很大的不良影响。如果没有专用的设备，打磨操作不应采用角磨机，应该选用直式手持砂轮机，沿圆周方向打磨，避免损伤台阶以下的缸套表面。拆卸缸头螺帽使用液压拉伸器，俗称液压螺母，要精确整好液压螺母的预留行程，如图6所示：将螺母安装到位后调整活塞升程至8.7mm，这个数值即缸头螺栓在上紧状态时被弹性拉伸的长度和缸头与液压螺母本身产生形变的距离之和，当泵压至1500bar达到拆卸力矩时，螺杆将被拉伸，活塞升程达到10.5mm。液压螺母的最大升程是15mm,安全余量4.5mm，缸头螺帽旋松后，泄压，缸头螺栓弹性回缩，液压螺母活塞基本回落到底，但不会压紧在缸头上，可以顺利完成拆卸。回装缸头时只需安装到位，活塞旋到底即可，不需调整升程。泵压至1500bar，缸头螺帽旋到底，完成缸头压紧。泄压后液压螺母活塞升程停留在8.7mm左右，下次拆卸时，检查确认视情稍作调整即可。注：本文图片全部由作者提供。