發電柴油機曲軸斷裂案例的分析與教訓

王希民

船舶柴油發電機組多是四沖程中速柴油機或高速柴油機，其運動部件的故障率較高。在柴油機機損事故中，常見的有進排氣閥漏氣、汽缸與活塞過度磨損、活塞環斷裂卡死、軸承合金燒熔、連桿大端軸承連接螺栓變形斷裂等。更為嚴重的是軸承過熱抱軸，造成曲軸的損傷，在交變應力作用下產生裂紋，甚至發生曲軸斷裂。

發電柴油機組都是多臺，有備用機組。一般的維護修理和常見的機損事故處理，由船員自行應急處置。由于機艙條件和技術水平的限制，船員自修無法采用精確的修理工藝，從而掩蓋了潛在的更加嚴重的機損事故。

一、曲軸斷裂案例分析

1.案例1：F輪No.2副機曲軸折斷

F輪在蘇伊士運河錨地，No.2副機發生滑油低壓報警而沒有及時停車處理，造成7道主軸承燒損（從No.2至No.8道），其中No.3和No.5道軸承燒損最為嚴重。船員進行了搶修，對損壞嚴重的4副主軸瓦換新，而對另外4副主軸瓦進行拂刮修理后裝復。

該發電機組繼續投入使用約3000 h，突然發生敲缸，經停車進行檢查，發現No.5缸曲柄臂處折斷。

從圖1所示的斷面分析，裂紋始于No.5道主軸頸與曲柄臂相連接的過渡圓角處（箭頭所指之處），裂紋向曲柄臂處延伸。1/3斷面呈貝殼波紋狀，棕紅色，而另2/3斷面是粗糙的撕裂的金屬斷面，應是彎曲疲勞破壞而折斷的。

事故后對現場作了調查，測量軸承座中心線徑向跳動量，沒有超過0.05 mm；核查曲柄臂距差測量的歷史紀錄，均在0.025 mm之內，都符合說明書要求；對10道主軸承下瓦進行測量檢查，其測量記錄如表1所示。由表1可知，No.3、No.5和No.8道主軸承的下瓦的厚度較薄，而且下瓦背部都被銼削過。

表1 主軸承下瓦厚度測量記錄表 mm

經調查了解到，由于主軸承燒損，造成軸承座變形，在船員自修過程中，為使新軸瓦能夠安裝下去，曾銼刮過瓦背。這樣的修理使各道軸瓦厚薄不均，造成曲軸實際中心線不正。No.3、No.5和No.8道的主軸頸在懸空狀況下運轉，偏差分別達到0.08 mm、0.21 mm和0.10 mm之多，使曲軸遭受反復彎曲應力，而No.5道主軸頸逐漸出現疲勞裂紋導致曲軸折斷，從而導致整根曲軸換新的重大機損事故。

2.案例2：某船No.2副機曲軸斷裂

某船在新加坡船廠修理No.2發電機組時，發現No.2道曲軸主軸頸彎曲0.20 mm，No.3道曲軸主軸頸彎曲0.36 mm，而且軸頸表面非常粗糙，軸瓦發生轉動。

任職輪機長沒填寫過機損事故報告，但根據上述測量數據和損壞情況分析，該柴油機軸承曾經發生過嚴重的過熱事故。

船廠對曲軸主軸頸變形進行加熱校直，而且對No.3主軸頸鍍鉻恢復原始直徑。裝復試車后測量曲軸臂距差，No.3缸達到0.048mm，超過說明書要求（0.025mm）。經再次檢查，發現是柴油機機座變形，其上下偏差在拂磨軸承座孔后得到矯正，但左右偏差未能消除，就這樣投入運行。

在后來進行年度檢驗時，發現No.3道主軸頸斷裂。裂紋是從主軸頸油孔處延伸至圓角處并沿圓周方向擴展的，裂縫全長約300 mm，寬約1 mm，如圖2所示。

原因分析：根據裂紋走向和部位進行分析，可能是兩個原因造成的。首先，在修理No.3道主軸頸時，因采用局部加熱校直，并進行表面鍍鉻處理，殘余應力消除不夠充分。另外，柴油機長期在曲柄臂距差超過正常值下運轉，是故裂紋呈現為彎曲與扭轉應力下的疲勞斷裂，導致整根曲軸報廢。

3.案例3：L輪No.3副機曲軸堆焊修理后斷裂

L輪No.3發電柴油機曲軸過度磨損，其主軸頸直徑比原始尺寸小0.45 mm，曲柄銷直徑小0.85 mm。日本三菱船廠采取堆焊磨削的方法予以修理。修復后，No.3副機運行約4000 h，發現該7缸柴油機的No.3缸曲柄銷頸和No.5道主軸頸上有相似的裂紋，裂紋都是從油孔處開始，沿軸向成45°伸展。如圖3所示。

原因分析：船公司委托日本三菱長崎技術實驗室對已損壞的曲軸進行理化和金相分析，根據實驗結果，我們分析如下：

①裂紋起因于堆焊后的疲勞斷裂，可以從裂紋始點處的斷面晶粒的金相組織觀察到這種斷裂。

②裂紋始點處的表面硬度很高，這是由于熱處理不充分所引起的。

③曲柄銷頸和主軸頸的圓角部位處，其金相組織呈馬氏體，說明應力消除得不完全。

④根據硬度測量結果，在熱影響區的硬度較高，圓角處的硬度更高些。

⑤根據殘余應力測量結果，曲柄銷圓角處的抗拉殘余應力為3.0～4.2 MPa，主軸頸油孔附近的抗拉殘余應力為2.5～4.7 MPa。在實驗室的電爐里對上述試件進行退火處理，即在650 ℃溫度下，進行15 min退火處理，其抗拉殘余應力降到0.2～0.4 MPa。這就清楚地表明，堆焊后局部退火處理未使曲軸材料本身的殘余應力完全消除。

結論：曲軸軸頸上的裂紋，是由于堆焊后殘余應力消除不充分，使材料產生很高的表面硬度而引起的。這樣在曲軸頸上容易產生特征相似的裂紋，并具有極大的抗拉殘余應力。

現將該廠的堆焊修理工藝介紹如下：先對曲軸全部預熱至220℃，然后局部加熱至350℃，從No.1缸曲柄銷圓角處開始堆焊。焊完后曲軸軸頸被加熱至650 ℃，做局部退火處理（即用石棉蓋住軸頸保溫，使曲軸本身緩慢冷卻下來）。各軸頸依次按同樣工藝方法進行。局部退火后發現曲軸彎曲0.3 mm，在校直機上做了矯正。實踐證明，該工藝是失敗的。

二、經驗教訓

1.科學管理與應急處理

軸承過熱、軸頸損傷、軸瓦咬死、機座變形、曲軸變形等，是導致曲軸斷裂的重要原因。輪機管理人員要防止機器在滑油失壓（或油路堵塞而壓力突然升高）、滑油高溫、曲柄臂距差過大的情況下運轉。特別要強調，一旦發生軸承過熱、合金燒熔的情況，千萬不能立即停車，而應降負荷運轉，加強潤滑，逐漸降溫后再停車，否則就會出現軸瓦抱住軸頸的損壞事故。

2.加強滑油的管理

做好柴油機滑油的清潔保養工作，經常分油，按時清洗濾器，定期取樣化驗，確保滑油質量。尤其不能在滑油含水量超過標準（0.2%）的情況下長期運轉，其氯離子和強酸更不允許存在，并且要迅速找出原因予以消除。在停機期間要定期盤車，避免曲軸受到局部腐蝕。實踐經驗證明：水分和強酸會造成間隙面軸頸上呈帶狀黑斑或麻點腐蝕（亦稱梨皮狀腐蝕）。如冷卻水使用的硝酸鹽類處理劑（如DREWNE）滲入機油中，滑油分油加熱溫度低于70℃時，會造成嗜氣細菌繁殖使機油變質，導致軸頸表面無光并呈灰白色。如果海水進入機油，則軸頸會受到電化學腐蝕，腐蝕常發生在軸頸圓角或油孔附近，且從此產生裂紋并延伸，造成曲軸斷裂。如軸頸大面積腐蝕，其腐蝕深度和面積影響曲軸強度，也會導致曲軸報廢。

3.慎用堆焊修理工藝

當發電柴油機曲軸過度磨損時，為了恢復原始直徑尺寸而采取堆焊或厚層鍍鉻修理工藝，其成功率是很小的。日本海事協會出版的《船用發電機事故特集》一書中也說：“軸頸偏磨損后，用焊補和鍍鉻方法修復，成功實例是很少的，作為長久的處理方法，現今實踐也很少。”我們認為：一旦發生此類事故，應及時訂制新曲軸，根據船期和新曲軸訂貨時間的長短，該修理工藝可作為一種應急修理手段使用。

4.熱矯正工藝應更加精確

對于曲軸彎曲變形，采取局部加熱校直、局部退火的修理方法，常因處理工藝不當使殘余應力很難消除，因而很難取得滿意效果，甚至事與愿違。