某工程船柴油機“伸腿”事故發生的原因探討

藍廣林,譚東麗,張志清（欽州學院,廣西　欽州　535000）

某工程船柴油機“伸腿”事故發生的原因探討

藍廣林,譚東麗,張志清
（欽州學院,廣西欽州535000）

摘要：本文主要以某工程船的空氣壓縮機原動機為例，詳細介紹了該原動機“伸腿”事故，并對產生事故的原因進行了深入的分析,找出事故的根本原因，并提出預防發生類似事故發生的相應措施，可供同行參考。

關鍵詞：柴油機；伸腿；氣缸套；熱疲勞

四沖程柴油機在運轉過程中,某個缸或某幾個缸的連桿大端因失去束縛而造成的機損事故稱之為“伸腿”。[1]事故發生的時候會導致柴油機連桿擊穿機體；連桿、曲軸斷裂；燃燒室組成部件損毀等機損事件，嚴重的話甚至會引起爆炸和火災,對船舶的人命和財產安全構成嚴重的威脅。引起柴油機“伸腿”事故的原因是錯綜復雜的，但是不管是因何種原因引起的“伸腿”，都有一個共同的特征，就是連桿螺栓斷裂。為了找到事故的根源，往往需要設備管理人員采用逆向推理的方法，透過事故的現象，由表及內，去偽存真，撥開各種假象的迷霧，才能找到導致事故的根源，并為預防類似事故的發生而采取有效的措施。下面就以某工程船的空壓機原動機“伸腿”事故為例，剖析發生該事故的根本原因。

1　事故發生的過程

本文以欽州港作業的某水下炸礁船為例。此次發生事故的柴油機是空壓機的原動機部分，生產廠家為美國卡特皮勒公司，型號為：CATC9ATCC、序列號：CLJ09491。自2006年3月投入使用至今已使用8年9個月、累計運行11005小時。該機于2012年8月累計運行至8327小時后在阿特拉斯公司維修廠大修。大修至事故發生時使用2678小時。

2014年12月31日，15：30正在在欽州港作業的水下炸礁船正在進行鉆礁作業，事發時一號空壓機正在使用，二號空壓機停用，三號空壓機正在做保養。值班人員突然聽到“嘭”的一聲從一號空壓機傳來，便跑過去查看，發現機油漏出，機組已自動停機，發動機右側機體穿透性破損，第四缸連桿、活塞、缸套破碎掉出，電腦板破裂變形，機油和冷卻水全部流出油底殼，拆下來的軸瓦和連桿如圖1所示。

2　事故原因分析

事故發生后船公司迅速組織調查小組上船進行事故調查。并在柴油機的拆檢過程中拍攝出具有重要參考價值的一組照片。拍攝的照片如下所示：

對拍攝的照片結合以往的工作經驗和相關的理論知識進行分析主要可以得以下幾點：

（1）如圖2、3所示發現第四缸的曲柄銷表面光潔,無明顯劃痕,無發藍發黑現象。通過這些現象表明柴油機的潤滑油及潤滑系統工作正常，“伸腿”不是因為連桿大端軸承潤滑不良，散熱不良而過熱導致的曲柄銷被抱死而引起的。

（2）如圖4、圖5所示發現第四缸的兩根連桿螺栓的螺帽沒有松脫,但其中的一根連桿螺栓的頭部斷裂。這說明“伸腿”不是連桿螺栓的螺帽松脫引起的，而是由于連桿螺栓的頭部斷裂引起的。

（3）從圖5的斷口形貌特征來看,斷口的形貌并無疲勞斷裂的特征（即“貝殼”狀或“海灘”狀條紋的特征）。

（4）從圖6可以看到，缸套的右側有三條明顯的不規則裂紋,且呈龜裂裂紋狀。

為了進一步得到柴油機“伸腿”，對連桿螺栓斷裂進行分析。連桿螺栓的斷裂可分為疲勞斷裂和脆性斷裂兩種。疲勞斷裂的宏觀特征是：疲勞斷口保留了整個斷裂過程的所有痕跡，根據斷裂的信息記錄。具有明顯區別于其他任何性質斷裂的斷口形貌特征。一個典型的疲勞斷口往往由疲勞裂紋源區、疲勞裂紋擴展區和瞬時斷裂區三個部分組成，具有典型的“貝殼”狀或“海灘”狀條紋的特征，這種特征給疲勞失效的鑒別工作帶來了極大的幫助。而脆性斷裂的宏觀特征是:新鮮的斷口都是晶粒狀的，有許多強烈反光的小平面。[2]經了解該柴油機大修時，所有的連桿螺栓已全部換新，至事發前才運行2678小時,遠沒有達到說明書所要求的20000小時連桿螺栓換新的使用極限，從行業經驗來看，疲勞斷裂的可能性并不大。并從圖2-5的斷口形貌特征來看,跟脆性斷裂的宏觀特征相吻合。而且從圖2-6可以看到，缸套的右側有三條明顯的不規則裂紋,呈龜裂裂紋狀。缸套的裂紋位置正好處于活塞在上死點的右側，這個位置附近溫度最高，缸套的內外壁面溫差最大，受活塞撞擊的力度最大，所以這個位置最容易產生熱疲勞裂紋，并由表面向縱深發展，直至穿透。[3]熱疲勞的產生和發展過程可以用下圖2-7來說明。

圖7中圖(a)表示熱量從壁的觸火面A面向水冷面B面。圖（b）表示溫度分布，溫度沿壁面近似直線變化。圖（c）表示應力的變化。A面產生壓應力，B面產生拉應力。當壁面的溫度足夠高、應力足夠大時，就會在運行期間產生較大的蠕變，如圖(b)所示。特別是在觸火面溫度高應力大時，在金屬晶粒之間發生擠壓，產生較大的塑性變形，并使該區域應力下降。當停車冷卻后，由于非塑性變形的冷卻面要復原，而塑性變形的觸火面不能復原，導致壁面產生殘余應力。這種殘余應力的分布情況如圖（e）所示。它使觸火面一側受到拉伸。由于啟動、停車的多次重復，上述現象就多次出現，使壁面受到低頻率的脈動應力作用。由于在高溫下的材料強度降低，而低頻應力在柴油機啟動—全負荷運轉—停車過程中數值變化很大，這樣就使一些燃燒室部件在短期內出現裂紋。柴油在運轉中如果有負荷的變化，也會使燃燒室受熱部位受到低頻應力的作用，只是此時的應力幅值比較小些。

由此，我們可以推斷：柴油機在運行過程中，由于熱疲勞的原因，缸套產生裂紋，缸套上部的裂紋穿透，冷卻水噴進燃燒室，對做往復運動的活塞頭產生強大的液擊作用，強大的沖擊力通過連桿傳遞給大端軸承，將連桿大端螺栓拉斷，下瓦座松脫，連桿大端失去束縛，在離心力的作用下向右運動，連桿中部磕到缸套下部邊緣，缸套右下部被連桿打碎，連桿也被打斷，被打斷的連桿飛出，擊穿機體，以上這些運動幾乎在瞬間同時發生。

3　故障簡析

熱疲勞與柴油機的累計轉數無多大關系，主要取決于柴油機的啟動—運行—停車的循環次數，故亦稱低頻應力。熱疲勞產生的裂紋多數在觸火面上形成和發展，以致造成損壞，因為這個部位受到較大的殘余拉應力和較大的熱應力與機械應力（筒形活塞式柴油機的汽缸套受到活塞側推力的作用，當活塞側推力方向改變時，活塞對汽缸套產生撞擊，引起缸套的橫向振蕩）合成的壓應力的交變作用。[4]另外，在觸火面上還作用著高頻熱應力，雖然高頻熱應力緊涉及很薄的一層，但它會使觸火面加速損壞。由于該空壓機的主要作用是使用壓縮空氣吹出水下礁石鉆孔中的碎石，其工作時間及負荷變化與鉆機的工作時間密切相關。也就是說該空壓機啟停和負荷的變化都是比較頻繁的。該空壓機從2006年投入使用至今已有8年時間，但總運行時間僅為13500多小時，從該船的工作人員了解到，為了降低運營成本，船上的設備基本都是出于間隙啟停狀態，也就是說該柴油機的啟停是相當頻繁的，所以該機熱疲勞故障的幾率也會大大上升。

4　結論

為了減少熱疲勞的產生，提高燃燒室部件的可靠性，延長柴油機的使用壽命，結合該船的柴油機工作特點,我們建議在柴油機的日常管理中應當注意：

（1）加強對冷卻水的管理，選用清潔、硬度低的淡水，及時補充冷卻水處理劑，防止冷卻水腔，結垢，堵塞；定期清洗冷卻水腔,保證燃燒室部件良好的傳熱效果。

（2）柴油機起動時要保證5-10分鐘的熱機時間，冬天工況下還應適當加長,減少熱應力的產生。

（3）不超負荷運行，并保證冷卻水溫度在說明書的允許范圍內。

（4）盡量減少啟停柴油機的次數，減少低頻應力的產生。

參考文獻：

[1]劉永長.內燃機原理[M].武漢：華中科技大學出版社,2012.

[2]鄭連興等.船舶柴油機連桿“伸腿”事故原因探索[J].中國水運(下半月),2008(09).

[3]張志清，譚東麗.壓縮比對中速柴油機燃燒性能的影響[J].艦船科學技術,2014(08):75-79.

[4]孫力平等.農用單缸柴油機氣缸蓋的結構分析與優化[J].農機化研究,2014(03):234-238.

基金項目：欽州學院校級科研課題（2014XJKY-11B）

作者簡介：藍廣林（1976—），男，廣西人，甲類一等輪機長，高校教師，在讀碩士，主要研究現代輪機管理。