基于某輪柴油機(jī)異常停車的故障診斷與處理分析

在現(xiàn)代商船中，仍以具有安全可靠性強(qiáng)、起動性能好、經(jīng)濟(jì)性好等顯著優(yōu)勢的大型長沖程或超長沖程的低速柴油機(jī)作為船舶主機(jī)的首選形式，如MANB&WMC和SULZERRTA等類型。隨著國際、地區(qū)各項(xiàng)法規(guī)的實(shí)施及海上事故案例的深人研究，人們對主機(jī)的可靠性、經(jīng)濟(jì)型、機(jī)動性、生命力和低排放等指標(biāo)的要求日益提高，而船舶主機(jī)經(jīng)常在各種復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行，特別是受到負(fù)荷頻變、正倒車、燃油多樣性等影響，使之極易出現(xiàn)故障造成險(xiǎn)情。由于科技的進(jìn)步與發(fā)展，自動控制廣泛應(yīng)用于主機(jī)遙控、設(shè)備監(jiān)測報(bào)警、溫度和壓力的自動調(diào)整等，自動化程度的大幅提高促使輪機(jī)管理重心發(fā)生根本性改變，由此對管理人員在理論基礎(chǔ)與實(shí)踐分析方面提出了更高要求。所以，在解決主機(jī)故障時，不能僅著眼于主機(jī)本身原因，需要結(jié)合故障現(xiàn)象統(tǒng)籌分析動力裝置狀態(tài)，精準(zhǔn)查找故障堵點(diǎn)，并逐步建立和完善主機(jī)故障數(shù)據(jù)庫，以快速查明故障、解決故障，從而保證船舶、人員安全，避免或減少對海洋環(huán)境的污染。一、故障現(xiàn)象某輪主機(jī)型號為5S60MC-C8，為B&W公司推出的緊湊機(jī)型，MC系列柴油機(jī)自20世紀(jì)80年代投入使用后,以其低油耗、高可靠性、易維修保養(yǎng)和操作的特點(diǎn)獲得航運(yùn)界和造船業(yè)界的肯定，而S-MC-C機(jī)型與此前的S-MC機(jī)型相比,增加了10%的功率輸出，減少了約10%的柴油機(jī)總長度和10%的重量，廣泛應(yīng)用于2萬至20萬噸級的船舶上[1]。某輪總噸43005MT，主機(jī)功率10000kW，非限制區(qū)域使用380cst的HFO。2019年11月21日，駛?cè)氡泵琅欧畔拗茀^(qū)域(SECA）前通過低硫油轉(zhuǎn)換程序由HFO換用MGO;深夜時主機(jī)出現(xiàn)急停報(bào)警隨即又恢復(fù)正常;10分鐘后一號及二號缸排溫低，主機(jī)降速。次日凌晨主機(jī)異常停車并無法啟動;20分鐘后更換一號及二號缸噴油器后進(jìn)行試車，主機(jī)仍舊無法啟動;兩小時后再次試車，偶爾啟動成功但一號及二號缸未發(fā)火;之后解體高壓油泵，更換穿刺閥和吸入閥的內(nèi)部密封件，并裝復(fù)高壓油泵后，通過燃油系統(tǒng)放氣考克處進(jìn)行排氣，隨后再次試車，成功啟動主機(jī);下午慢車航行至外海漂航，試車時又出現(xiàn)主機(jī)無法啟動的現(xiàn)象。二、故障診斷與處理1、故障診斷故障診斷是故障處理的前提，在實(shí)際的診斷過程中，必須先明確故障的分類和故障的預(yù)兆[2],才能針對性的解決問題，降低船舶風(fēng)險(xiǎn)和提高檢修效率。通過科學(xué)利用監(jiān)控設(shè)備以及管理人員本身豐富的故障診斷知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可對主機(jī)運(yùn)行工況與故障原因進(jìn)行分析并做出準(zhǔn)確判斷，結(jié)合圖1主機(jī)操縱系統(tǒng)原理對上述故障現(xiàn)象存在的幾種故障原因可能性做以下分析。圖1,主機(jī)操縱系統(tǒng)原理圖(1)安?；蜻b控系統(tǒng)故障安保系統(tǒng)有獨(dú)立于氣動操縱系統(tǒng)的控制氣源(0.7MPa)和供電系統(tǒng)，該氣源經(jīng)減壓后由手動二位三通閥(16）控制，其閥后管路上連接有參數(shù)值可調(diào)的壓力開關(guān)（17)，經(jīng)過起穩(wěn)壓作用的儲氣瓶(125)送至故障/停車電磁閥(127）儲氣罐。當(dāng)安保系統(tǒng)給出故障停車的電信號時，電磁閥127有電動作，控制空氣驅(qū)動泄油閥打開，高壓油泵斷油而使主機(jī)停車。遙控系統(tǒng)對換向、起動、停機(jī)等各種邏輯控制命令進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算和判斷后，送出各種信號實(shí)現(xiàn)電磁閥的邏輯/時序控制[3]，例如，起動電磁閥(90）將駕控起動信號送至閥(37)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)起動控制;停車電磁閥(84）將駕控停車信號送至閥(38)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)停油控制。此輪使用AUTOCHIEF-IV（簡稱AC-4）自動遙控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)主機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、自動降速/停車、參數(shù)顯示、啟停換向等邏輯控制和操作等，具有功能豐富、使用方便、安全性高等特點(diǎn)。根據(jù)出現(xiàn)急停瞬時報(bào)警隨即又恢復(fù)正常的現(xiàn)象，反映出安保系統(tǒng)或AC-4故障的可能性，如監(jiān)測油壓、水壓、油溫、水溫、超速、曲軸箱油霧濃度的傳感器或AC-4中某一模塊/元件受震動、溫度等環(huán)境影響,出現(xiàn)短時性故障但未觸發(fā)系統(tǒng)對主機(jī)做出延時動作，而又自行恢復(fù)功能，此類我們常稱之為“誤報(bào)警”。在案例現(xiàn)象中，主機(jī)異常停車和無法啟動時并未出現(xiàn)傳感器和AC-4系統(tǒng)的異常報(bào)警，且在后續(xù)測試中可數(shù)次啟動主機(jī)，說明并非因安保和遙控系統(tǒng)信號閉鎖導(dǎo)致的故障發(fā)生。但在日常管理工作中，我們需熟悉安保系統(tǒng)傳感器的安裝位置與AC-4系統(tǒng)的自檢功能，以便定期進(jìn)行功能校驗(yàn)。(2)啟動系統(tǒng)故障啟動系統(tǒng)包括機(jī)械和遙控系統(tǒng)兩部分。當(dāng)主機(jī)異常停車后，不應(yīng)盲目再次啟動，應(yīng)先根據(jù)報(bào)警信號做出判斷，盤車檢查主機(jī)的曲軸箱及氣缸部件有無損壞、卡阻。如無問題，即可嘗試機(jī)旁啟動測試，此時，轉(zhuǎn)換閥（100)工作于上位，遙控系統(tǒng)控制空氣經(jīng)過閥100全部泄放，“遙控”失效?？刂瓶諝馔ǖ綉?yīng)急起動二位三通閥(101）和應(yīng)急停車二位三通閥(102）輸入口處，機(jī)旁應(yīng)急操縱功能生效，遙控系統(tǒng)受限被屏蔽，在操縱過程中使用的閥件較少、便于查找，可反復(fù)進(jìn)行正倒車、換向測試。若為遙控系統(tǒng)故障，首先檢查氣控部分，包括:控制空氣系統(tǒng)的壓力,有無報(bào)警顯示;主啟動閥執(zhí)行動作情況及其鎖緊板的工作位置,啟動狀態(tài)時方塊轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動位置;空氣分配器換向動作情況，確認(rèn)換向氣缸是否到位;高壓油泵換向動作情況,確認(rèn)每缸換向氣缸是否到位”。其次檢查電氣部分，許多電子元件長期工作在高溫、振動的環(huán)境中，損壞概率高，如電磁閥動作延遲或卡死、磨損加劇，此外，過電流會造成電磁閥的燒毀。啟動電磁閥、正倒車電磁閥等相關(guān)電氣元件能夠?qū)е碌闹鳈C(jī)起動、換向信號受阻，若電磁閥通、斷電情況正常,表明電氣部分正常，反之則為電磁閥閥芯滑動故障或電磁閥電路問題。若為機(jī)械系統(tǒng)故障,應(yīng)檢查主啟動閥、正車和倒車換向閥、空氣分配器導(dǎo)閥和控制閥等重要閥件動作的靈活性，按具體范圍進(jìn)行拆檢。所以，對于主機(jī)無法啟動的問題受多方面影響，在管理中要加強(qiáng)對主機(jī)啟動系統(tǒng)的檢查和啟動閥件的定期保養(yǎng)，對氣路的檢查尤其重要[5]。若主機(jī)油路沒問題，僅氣缸啟動閥及控制閥件有問題時，應(yīng)按照以上步驟迅速檢查啟動系統(tǒng)各部件狀態(tài)。若主機(jī)油路有問題，則在啟動時可以達(dá)到啟動轉(zhuǎn)速，而后不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。案例中主機(jī)故障雖表現(xiàn)為啟動失敗和啟動困難，需以是否達(dá)到啟動轉(zhuǎn)速作為判斷，且在多次啟動成功后發(fā)生生異常停車現(xiàn)象，所以啟動系統(tǒng)不是此故障的根源問題。(3)燃油系統(tǒng)故障主機(jī)的燃油系統(tǒng)涉及包括分油機(jī)、循環(huán)泵、濾器、加熱器、高壓油泵、噴油器等眾多的機(jī)械設(shè)備部件，它們均可間接或直接導(dǎo)致主機(jī)無法啟動、降速運(yùn)行、轉(zhuǎn)速無法升高、異常停車等故障的發(fā)生。鑒于燃油系統(tǒng)的重要性，布置的傳感器和報(bào)警點(diǎn)較多，在判斷其是否出現(xiàn)故障時，根據(jù)報(bào)警信息進(jìn)行判斷、查找是最便捷的方法。案例中，一號及二號缸排溫低導(dǎo)致主機(jī)降速運(yùn)行，此時可通過檢查這兩缸的高壓油管脈動情況將故障點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分，如脈動正常則說明噴油器狀態(tài)不佳;如無脈動則可判斷為高壓油泵或供油系統(tǒng)存在問題，不正確的換油操作可造成高壓油泵偶件的咬死、過量磨損和供油系統(tǒng)堵塞等，使用專用工具能夠檢查高壓油泵的泄油閥芯活動情況，或松開高壓油泵的漏泄管路查看泄漏油量，而燃油供給系統(tǒng)中出現(xiàn)部件內(nèi)、外泄漏的現(xiàn)象較多，通過布置在系統(tǒng)中的傳感器及儀表判斷其狀態(tài)是否正常。此故障為某輪偶然發(fā)生且僅在換用MGO后出現(xiàn)，指示出故障與燃油的性質(zhì)有重要關(guān)系，即船用輕油與重油間的物理特性差別影響主機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，包括含硫量、十六烷值、粘度、密度等。在燃油系統(tǒng)參數(shù)正常且沒有外部警報(bào)的情況下，燃油中混有空氣將是導(dǎo)致故障發(fā)生的關(guān)鍵和潛在因素，含有空氣的燃油順次從一號到六號缸朝上進(jìn)入高壓油泵，由于油、氣比重差異大，積聚在油管頂部的空氣會首先進(jìn)入一號和二號缸高壓油泵導(dǎo)致其發(fā)火失敗進(jìn)而造成主機(jī)停車。為進(jìn)一步準(zhǔn)確驗(yàn)證，此輪通過燃油系統(tǒng)濾器處持續(xù)放氣操作，結(jié)果，主機(jī)多次正倒車啟動正常，未再出現(xiàn)異常停車現(xiàn)象。2、故障處理考慮到MGO發(fā)熱值、比重低、啟動性能差等影響，此輪進(jìn)入SECA前已將主機(jī)啟動油門從60%調(diào)整至68%。起初的瞬時急停報(bào)警并未造成主機(jī)停車，輪機(jī)人員疏于管理沒有及時進(jìn)行原因分析和相關(guān)干預(yù),當(dāng)主機(jī)降速故障后陸續(xù)對噴油器更換、啟動系統(tǒng)檢查、一號及二號高壓油泵解體,在檢修高壓油泵時發(fā)現(xiàn)其中一個泄油閥芯偏磨和閥面泄漏痕跡、彈簧偏軟，使得供油油量減少，影響氣缸排溫，但高壓油泵并非故障產(chǎn)生的根源問題，原因分析方向的誤判極易造成船舶處于險(xiǎn)境之中。燃油系統(tǒng)進(jìn)氣的唯一途徑為自動反沖洗濾器，此處使用HFO時燃油壓力為0.43MPa，使用MGO時則為0.4MPa，雖均在正常參數(shù)范圍內(nèi)，但控制空氣壓力為0.42MPa，較MGO壓力大0.2MPa，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的內(nèi)部密封不良，導(dǎo)致控制空氣進(jìn)入燃油系統(tǒng)。圖2自動反沖洗濾器動作機(jī)構(gòu)通過拆檢自動反沖洗濾器動作機(jī)構(gòu)，更換圖2所示的老化密封圈，并將其控制空氣壓力調(diào)整至0.35MPa才徹底解決了主機(jī)異常停車和啟動困難的故障。三、管控措施優(yōu)化根據(jù)故障現(xiàn)象精確查找和分析其產(chǎn)生原因?qū)τ诖霸O(shè)備管理人員至關(guān)重要，不要被表面現(xiàn)象所迷惑。由于上述船舶輪機(jī)人員在管理中的判斷方向錯誤，導(dǎo)致耗費(fèi)大量時間和精力，并對船舶和人員安全產(chǎn)生一定威脅。根據(jù)以上柴油機(jī)故障現(xiàn)象及相關(guān)處理過程，提出幾點(diǎn)優(yōu)化管控措施。1、燃油轉(zhuǎn)換操作改進(jìn)船舶在進(jìn)入SECA前會換用合規(guī)的船用輕油，但換油過程中操作不當(dāng)就容易引發(fā)設(shè)備故障，釀成險(xiǎn)情事故。通常在惡劣海況、狹窄水域、航道和進(jìn)出港等情況下不宜進(jìn)行燃油轉(zhuǎn)換操作，以免換油過程中出現(xiàn)主機(jī)降速、停車、全船失電等意外情況，降低船舶的機(jī)動性能和避碰能力，影響船舶的航行安全。穩(wěn)妥起見，船舶應(yīng)避開復(fù)雜航段，在進(jìn)入SECA前、通航環(huán)境較好的寬闊水域完成輕油平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，將主機(jī)負(fù)荷降至25~40%額定功率，待燃油轉(zhuǎn)換結(jié)束，主機(jī)負(fù)荷可緩慢增加至正常負(fù)荷。在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)做好燃油溫度、柴油機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)換時間等參數(shù)監(jiān)測，溫度變化梯度控制在2℃/min，減少溫度對柴油機(jī)性能的影響[5]。輕油的流通對管路有沖洗作用，還應(yīng)在換油前清洗濾器確保其良好狀態(tài)，換油后通過油溫、油壓等參數(shù)確認(rèn)供油單元狀況，并提前對主機(jī)進(jìn)行正倒車啟動試驗(yàn)。船舶因換輕油操作導(dǎo)致的設(shè)備故障頻發(fā)，多由于未嚴(yán)格按照換油程序操作或未做好船用輕油管控措施而引起的。只要船上嚴(yán)格按規(guī)范流程換油，提前做好設(shè)備的應(yīng)對措施，由此引發(fā)的故障率必將大幅下降。2、性能指標(biāo)優(yōu)化調(diào)整IMO2020限硫令實(shí)施以后,船舶在全球海域使用不高于0.5%/m的低硫油，相比于高硫油，燃油特性參數(shù)發(fā)生較大變化，對所使用設(shè)備也會產(chǎn)生眾多影響，并不限于柴油機(jī)、輔鍋爐等燃燒設(shè)備，其附屬設(shè)備設(shè)施同樣隨燃油參數(shù)的改變產(chǎn)生差異影響。例如，低硫油粘溫指數(shù)變化較大，粘度受溫度影響變化趨勢增加，在超過燃油某個階段的溫度上限后，可能造成燃油在管路內(nèi)部氣化或形成空泡，加速設(shè)備、閥件的內(nèi)部密封老化和損壞。所以，根據(jù)燃油參數(shù)及其粘溫曲線，需要適時對柴油機(jī)和燃油系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整:(1)對于柴油機(jī),適當(dāng)增加啟動油門和限制油門的刻度，適當(dāng)降低燃油進(jìn)機(jī)溫度,以維持柴油機(jī)噴射所需粘度，如有必要可通過VIT或高壓油泵調(diào)整噴油定時;(2）對于凈化設(shè)備，尤其在使用MGO期間，應(yīng)小流量運(yùn)行，必要時可串聯(lián)運(yùn)行，減少泵擾動對低硫油粘度造成的影響;(3)同樣，燃油硫含量的降低，燃燒后形成的SOx隨之減少，柴油機(jī)低溫腐蝕情況明顯緩解，將缸套水溫度控制在正常值之內(nèi)的同時還可調(diào)低水溫，一般低速機(jī)缸套冷卻水的出口溫度可控制在60~70℃，其中進(jìn)出口溫差不大于12℃，可減少滑油油膜的蒸發(fā)、缸套磨損和密封圈老化現(xiàn)象。[6](4）就目前多數(shù)遠(yuǎn)洋船舶所使用的低硫油而言，包括輕質(zhì)餾分油、重質(zhì)餾分油和“調(diào)和油”，密度都會有所降低，受加熱設(shè)備、環(huán)境溫度影響，油壓在供油單元處較之前減小，這就需要根據(jù)所使用的燃油參數(shù),通過燃油增壓泵旁通閥調(diào)整燃油系統(tǒng)壓力處在正常范圍之內(nèi),保證柴油機(jī)供油、噴射等所需壓力正常，一般來說壓力范圍在0.4~0.45MPa。3、建立故障數(shù)據(jù)庫柴油機(jī)管理人員應(yīng)熟練應(yīng)用油液成分及狀態(tài)分析、異常噪音及振動分析和溫度與壓力狀態(tài)分析[7]等多種故障診斷方法，根據(jù)柴油機(jī)反饋的現(xiàn)象為依據(jù)，切忌盲目檢修，造成大量無效工作。一般柴油機(jī)手冊給出了各部件的維保時間和常見故障原因分析及解決方法，對于控制系統(tǒng)硬件故障、輔助設(shè)備故障、次要部件故障并未做具體闡述，而柴油機(jī)是一個涉及多個領(lǐng)域科學(xué)知識的復(fù)雜系統(tǒng)，一個故障狀態(tài)有可能是由多種故障原因同時引起的。在發(fā)生此前未經(jīng)歷過的異常狀況時，船員往往無從下手，則可能根據(jù)不準(zhǔn)確的片面信息將故障分析引向歧途。日常工作中建立健全以故障狀態(tài)為基礎(chǔ)的故障數(shù)據(jù)庫，將會極大的提高故障診斷和解決速度，降低柴油機(jī)維保成本和停航時間。首先，建立單系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)庫，諸如燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、啟動和控制