一例船舶副機活塞卡滯故障分析

青島遠洋運輸有限公司 劉廣利

一、故障情況

某船是一艘載重噸為75 928 t的散裝貨船，2001年11月28日日本豐橋船廠制造，配備日本大發柴油機株式會社制造DAIHATSU 5DK-20型副機3臺，副機汽缸5只，缸徑200 mm，沖程300 mm，額定功率440 kW，額定轉速720 r/min，副機燃用380 cSt重油。

2013年3月14日08：00，二管輪啟動備用No.2副機并電，09：00 No.1副機解列，空轉10 min后，停機開示功考克。期間，暖缸水溫度保持66～67 ℃，預潤滑油泵正常運轉。第二天，No.1副機周期性安全檢查系列工作：氣閥間隙調整，燃油、滑油濾器清洗，副機內部檢查，一切正常。滑油冷卻器海水面清通，噴油器更換5只后，啟動預潤滑油泵持續運轉。17日上午，二管輪準備將No.1副機運轉試驗后作備用。盤車三四圈后沖車，第一次沖車副機正常運轉。二管輪考慮到剛換過噴油器，活塞頂部可能漏入燃油等雜物，進行第二次沖車，副機靜止不動。二管輪立即停止沖車，盤車檢查，發現副機不能盤動。

開副機曲拐箱道門檢查，各缸滑油油流良好。檢查連桿大端，No.3缸連桿大端軸向間隙小，沒有活動余地，懷疑No.3缸換噴油器時汽缸內落入異物。下午，輪機人員全部下機艙，拆下No.3缸缸頭，發現缸套內沒有異物只是上部積炭較多，缸套下部內壁光滑、沒有拉缸痕跡。拆下三段分體式連桿大端檢查，軸瓦光潔無損傷。活塞在缸套上部卡住不動，無法吊出。

18日，輪機人員將活塞連同缸套一起吊出，嘗試使用冰塊、液態CO2冷卻活塞，用榔頭敲擊墊有方木的活塞頭，活塞仍不能在缸套內上下移動，無法將活塞從缸套中取出查找故障原因。于是，報告公司。該副機吊缸后運轉1 803 h，排煙溫度、潤滑油/冷卻水壓力、溫度一直正常，活塞卡滯又是在沖車過程中發生，不存在熱負荷因素，檢查缸套內壁又無劃痕，故障原因令人困惑。

二、故障分析

鑒于該缸活塞連桿可能已經受力過大，為安全起見公司決定將該缸缸套、活塞、連桿全部緊急訂購備件換新。但只有找到故障的真正原因，才能保證整臺副機不出問題。考慮到鋁質活塞頭與鑄鐵缸套金屬材料的熱膨脹系數不同及煤油良好的滲透清洗性能，公司通知船舶將No.3缸缸套及活塞放入冷庫，冷凍24 h，倒入煤油浸泡。然后將活塞及缸套放在木板上，用榔頭敲擊方木將活塞從缸套中取出。

19日，卡死的活塞順利取出。檢查發現活塞的第一、第二道氣環在環槽內被積炭卡死不動，第三道氣環，第四、第五道刮油環正常，活動自如。取下活塞環清潔后，檢查活塞環磨損均勻、表面光滑沒有劃痕。缸套及活塞表面也無損傷，沒有拉缸痕跡。活塞解體，活塞銷、銷承均無異常。

換下的5只噴油器泵壓檢查，一只噴油器啟閥壓力稍低，其他都在正常范圍，No.3缸排煙溫度始終是五個缸中最低的。23日，No.1副機其他四缸活塞全部吊出，仔細檢查缸套及活塞環狀況。No.4缸活塞頭及第一道氣環活塞部分積炭較多，其他三缸正常。氣環、刮油環及彈簧裝配均正確無誤，活塞環狀況良好。

該船在巴拿馬Cristobal拋錨期間租家曾多次來電要求船舶盡量減少每日耗油量，機艙只保持主機燃油循環泵、主機淡水泵運轉。主機滑油泵只在每周試車的前一天啟動，其余時間停掉。副機負荷一直在140~150 kW。副機工作參數見表1：

表1 副機工作參數

船舶副機額定功率為440 kW，說明書要求副機負荷低于30%額定功率時換輕油，負荷超過30%額定功率時換重油。廠家要求副機低負荷運轉換輕油是因為副機不像二沖程船用主機設應急輔助鼓風機，低負荷時增壓器效率低，掃氣效果差。低負荷運轉副機燃用輕油時產生的煙灰沉積物較少。如低負荷運轉副機持續燃用低質重油，油氣混合質量差，燃燒不良，后燃嚴重，燃燒殘渣增多，可能會導致活塞環、噴油器、氣閥、增壓器等部件一系列故障。如DAIHATSU 6DL-20型副機明確要求“負荷低于120 kW使用輕油，高于160 kW換用重油，低于140 kW換輕油”。

現代柴油機提高功率最有效的手段之一是提高增壓比，渦輪增壓器能使柴油機的功率提高60%以上，燃油消耗減少5.5%左右。發電副機與增壓器一般選用最常用工況點如最大功率的70%以上作為匹配設計點。隨著增壓比的提高，增壓器與副機的匹配矛盾更加突出，渦輪增壓器難以滿足副機全工況運行的需要，使副機在部分負荷時工況惡化，燃油加熱、霧化、擴散與空氣混合等物理變化及分子的裂化、低溫氧化等化學變化變差，滯燃期延長，燃油混合氣體來不及完全燃燒。副機低負荷燃用380 cSt低質重油會使上述不利影響加劇。

該船在巴拿馬Cristobal錨地拋錨近60天，No.1副機長時間140 kW低負荷使用380 cSt重油運行，產生積炭，是造成本次活塞卡滯故障的主要原因。

三、管理對策

在目前航運市場低迷、運力相對過剩形勢下，長時間拋錨、漂航、停泊船舶副機低負荷運轉狀況還會在今后較長一段時期內存在。我們應當做到根據不同情況區別對待，采取有效措施和管理對策確保副機安全運轉。副機長時間低負荷運轉，燃燒不充分，經濟性差，積炭嚴重，磨損大。對低負荷運轉副機應考慮采取如下措施：

（1）副機低負荷運行3～4天后，啟動主機滑油泵、舵機油泵、錨機/纜機油泵等提高副機負荷至75%左右運行1～2 h。

（2）縮短副機噴油器解體泵壓周期。

（3）縮短副機缸頭解體、清潔、研磨、換備用周期。

（4）透平渦輪、壓氣端沖洗適當縮短時間。

（5）短期低負荷燃用重油運轉副機，可啟動主機機油泵等以增加其負荷，使負荷達到說明書燃用重油負荷稍多一定負荷（如副機50%額定功率左右）。

（6）短期低負荷運轉副機，如船舶在冬季運轉負荷過小，應按說明書要求換輕油。

（7）選取一臺狀況較差副機用作低負荷運轉副機，避免狀況較好副機造成損壞。

（8）選取一臺接近吊缸周期的副機作低負荷運轉副機，以便到期盡快檢修。

（9）對副機滑油嚴格監控，保持滑油品質，定期進行分油凈化處理。

（10）噴油提前角適當提前1°～2°。

（11）噴油器啟閥壓力適當增大。

下述改進措施由船公司聯系柴油機廠家論證后，在副機長期低負荷運轉時選用：

（1）活塞頭頂部車削，缸套上部安裝活塞清潔環（Piston cleaning ring）或防磨環（Antipolishing ring）。

（2）透平換用小噴孔噴嘴環。

（3）透平渦輪端加裝壓縮空氣管路供副機低負荷運轉使用。

[1]杜榮銘.船舶柴油機[M].大連:大連海事大學出版社,1999.