某船燃油進主機壓力波動較大問題的分析及解決

2018-07-25 08:57:54陳燕飛

船舶與海洋工程 2018年3期

陳燕飛，陳猛，肖超

（上海江南長興造船有限責任公司，上海 201913）

0 引言

主機是船舶與海洋工程中最重要的設備之一，是保證推進系統正常工作的關鍵。主機的非正常工作（比如燃油進主機壓力波動較大）可能嚴重影響主機燃油噴射系統，產生破壞燃油系統（包括閥件、濾器、測量設備和檢測設備等）的應力，導致燃油進主機壓力低壓報警，嚴重時會導致航行過程中主機降速或停車，威脅船舶的安全航行和營運。

在某船試航期間進行主機負荷試驗時，船東發現其燃油進主機壓力波動太大（主機其他參數正常），由低到高不斷增加主機負荷的過程中發現：在低負荷時燃油進主機壓力波動較小，隨著負荷的不斷增加，壓力波動變大；主機負荷在FULL檔以下時，燃油進主機壓力波動范圍在100kPa以內；在主機負荷到達FULL檔以后，燃油進主機壓力波動范圍已達200kPa以上。在此期間，間斷性出現過幾次燃油進主機壓力低壓報警（報警設置為7s延時）。

1 燃油進主機壓力波動較大問題的分析

通過仔細分析導致燃油進主機壓力波動較大的主要因素，認為可在主機進油總管和回油總管安裝蓄能器[1]。通過比較囊式蓄能器、自制蓄能器、金屬波紋蓄能器和彈簧式蓄能器等備選方案，認為：金屬波紋蓄能器最好，彈簧式蓄能器較好，都能有效穩定燃油進主機的壓力；自制蓄能器和囊式蓄能器可作為備選，但其綜合性能需在實際航行和運營過程中驗證。

1.1 供油單元整體的影響

當該船出現燃油進主機壓力波動較大的情況時，燃油進主機壓力1（位于主機進油總管，主機6#缸之后）與燃油進機壓力2（位于主機進油總管，主機4#缸與5#缸之間）的壓力波動范圍差別較大，燃油進機壓力1相對比較穩定。

主機生產公司認為這可能是因為供油單元流量不足，建議旁通發電機，使供油單元僅供主機使用：將供油單元至發電機的相關管路所有進、出口閥關閉，但主機各檔負荷下壓力波動問題沒有得到明顯改善。

另外，該船的供油單元增壓泵是機械密封螺桿泵（一種容積泵），排出壓力僅取決于外負荷的高低和拖動效率的大小，額定排出壓力與工作部件尺寸、轉速無關，主要取決于泵的密封性能、結構強度和原動機功率。在一般情況下，若外負荷異常增高，為避免排出壓力異常增大，常在螺桿泵的排、吸口間裝設安全旁通閥。該船的供油單元供給泵和增壓泵都帶有安全閥（見圖1）。

圖1 供油單元部分內部原理

圖1中：D為油出口（通向主機）；E為主機回油；O為供油單元的油泄放。該供油單元的基本原理為：增壓泵（1.3和1.4）為機械密封螺桿泵，帶有安全閥；一臺增壓泵工作，另一臺增壓泵備用，安裝有可自動切換工作方式的電機（1.3.1和1.4.1），電機帶有空間加熱器并驅動增壓泵工作；供油單元的供給泵將油輸送至壓力混油柜（4.1），由增壓泵（1.3和1.4）增壓之后通過D輸送給主機，供主機正常工作。通過分析可知：僅供油單元整體的影響，不是導致燃油進主機壓力波動較大的原因。

1.2 燃油供給系統管路原理的影響

按照該船的系統圖檢查整個燃油日用系統管路，發現主機進油管與回油管之間的調壓閥FSV31安裝錯誤（見圖2）。燃油供給系統管路的基本原理為：來自主機、輔機燃油供油單元的油經過FS45和FS46管路，通過快關閥（FSV29）進口X（主機燃油進口），從F（燃油出口），經過FS48、FS64和FS50管路返回到主機、輔機燃油供油單元，主機進油管路FS45、FS46與主機回油管路FS48、FS64之間的管路FS47上有壓力調節閥FSV31。

圖2 燃油日用系統

在發現壓力調節閥FSV31裝反之后，及時轉為柴油模式，使應急柴油泵給發電機供油，停主機，重新正確安裝壓力調節閥FSV31。在重新安裝完畢之后，調整該壓力調節閥及燃油供給系統管路上的其他壓力調節閥，完畢之后在柴油模式下增加主機負荷，查看燃油進主機壓力，但壓力波動沒有改變。同時，將壓力調節閥 FSV31關至最小，發現在負荷較低時燃油進主機壓力波動范圍有所收窄，但當主機負荷增加至FULL檔以后燃油進主機壓力波動變大。這說明管路上的壓力調節閥FSV31不能有效緩解燃油進主機壓力波動問題。

1.3 主機的影響

主機生產公司認為可能是主機某缸吸入閥的問題，建議單缸熄火查看燃油進主機壓力波動的情況。于是，對該船的主機由1缸至6缸逐個熄火，燃油進主機壓力波動情況基本一致，在沒有發現某缸熄火時，燃油進主機壓力波動明顯減小。在單缸熄火，供油單元僅供主機使用時，將供油單元至發電機的管路的所有進、出口閥關閉，但各檔負荷下壓力波動的情況也未得到明顯改善。

進一步排查主機相關管路：將主機各缸吸入閥、主機機帶燃油調壓閥拆除檢查，僅發現主機機帶燃油調壓閥內部2個密封圈斷了，其他無異常；將供油單元出口至主機回油管出口所有彎管拆除，查看彎管內部及直管內是否有雜物等，也未發現異常。在所有部件復位之后，在主機各檔負荷下，燃油進主機壓力波動情況仍未得到改善。

該船的主機為MAN B&W 6S60ME-C8.2-TⅡ，屬于二沖程大型電噴柴油機，這種電噴柴油機可電子控制燃油噴射和廢氣排放[2]，其燃油泵由液壓柱塞通過增壓達到所要求的燃油噴射壓力（見圖 3），液壓壓力由電控比例閥控制。主機燃油噴射系統的基本原理為：在伺服油被薄膜蓄壓器加壓到一定壓力時，經過控制閥之后，驅動液壓柱塞和燃油柱塞（包含在圖4中的燃油升壓器內）；燃油被吸油閥吸入并經過燃油柱塞增壓之后進入高壓燃油管，最后進入燃油噴射閥（滑閥噴油器），供主機各氣缸的發火和燃燒使用。

圖3 主機燃油噴射系統

圖4 液壓缸單元

但是，在該船主機的燃油噴射系統中（如圖 3所示），燃油的噴射過程本身可能導致燃油進主機壓力波動：由于該船采用MAN B&W 6S60ME-C8.2-TⅡ主機，該型主機的燃油噴射系統并未采用W?rtsil?主機的“共軌”技術[3]，每個缸都有獨立的噴射泵（圖4中的燃油升壓器[4]），當燃油在供給管路中被駁運時，燃油的壓縮、噴射以及釋放到回油管路而未被使用等諸多因素的存在，就很可能導致周期壓力波動的發生；進、出主機的燃油管路壓力相對于主機噴射壓力而言比較低，在這種雙重壓力管路中，壓力波動就可能引發一些更嚴重的問題：出現疊加的更大的壓力波動，波動的壓力和由此產生的超出要求的峰值壓力不僅可產生管路的額外應力，而且會使相關附件（閥件、濾器等）、設備（測量、檢測等）被嚴重破壞或不可修復（比如黏度計等）。

1.4 其他情況

與該船極為相似的某船，其主機、輔機燃油供油單元出口處設置有一臺壓力阻尼器（見圖5中的B020），其基本原理為：燃油通過供油單元的供給泵、增壓泵，經過壓力阻尼器（B020）的“穩壓”作用之后，通過供油單元出口B輸送給主機，多余的燃油通過安全閥V074進入供油單元的除氣容器中，V052為透氣閥，V053為泄放閥。

上述兩船在燃油供給系統方面的區別僅在于主機進油管與回油管之間是否設置有壓力閥FSV31（如圖2所示），實際情況是沒有設置壓力調節閥（FSV31）、設置有壓力阻尼器的某船在實際航行、營運過程中沒有出現燃油進主機壓力波動較大的情況。由此可說明：某船的壓力阻尼器起到了減小壓力波動的作用，可能削弱了主機自身原因導致的燃油壓力波動，可基本消除進主機的燃油壓力波動；該船的壓力調節閥FSV31（如圖2所示）不能有效減小燃油壓力波動，但可能會在某種程度上削弱主機自身原因導致的燃油壓力波動。

圖5 壓力阻尼器

該船采用自制蓄能器（見圖6），當蓄能器在供油單元（僅供主機使用）出口時，增壓泵出口壓力波動消除，但燃油進主機壓力波動依然較大。由此可說明：僅針對供油單元而采用自制蓄能器的措施不能有效解決進主機燃油壓力波動的問題。

2 燃油進主機壓力波動較大問題的解決

該船的燃油進主機壓力波動太大的問題出現之后，通過實際檢驗，在燃油系統的適當位置處設置蓄能器是解決方案，可在主機進油總管和回油總管安裝蓄能器，備選方案包括：自制蓄能器shock absorber（見圖6）、囊式蓄能器（見圖7）、金屬波紋蓄能器（見圖8）和彈簧式蓄能器（見圖9）。自制蓄能器主體結構為DN200的普通中空鋼管，附件為法蘭、閥門及短管，中空鋼管無須額外充入空氣。

圖6 自制蓄能器shock absorb

圖7 囊式蓄能器

圖8 金屬波紋蓄能器

圖9 彈簧式蓄能器

首先使用自制蓄能器shock absorber，將自制蓄能器安裝在主機燃油進口管段#6氣缸機帶背壓閥進口處及主機燃油回油管路出口F處（見圖10，其中F和X分別為主機燃油出口、進口），燃油壓力波動較大的問題得以解決，壓力波動穩定在100kPa以內，試航期間效果良好，能穩定燃油進主機壓力。但是，主機生產公司擔心可能會有少量空氣進入燃油系統，影響燃油系統的正常運行，建議使用彈簧式蓄能器，這種蓄能器通常應用于MAN B&W MC/MC-C類型的主機中，通過該船的試用（見圖11）和交付之后的正常使用，證明該方案是可行的。

圖10 自制蓄能器的應用

可采用充有氮氣的囊式蓄能器，但可能出現的問題是：彈性體不能很好地適應燃油、高溫等條件，若不能及時補充通過彈性體的氣體，氣體會逐漸損失，這就可能導致蓄能器隔膜開裂，蓄能器功能變差。要解決該問題，往往需在檢測、維護方面投入較高的費用，同時間隔性地更換彈性體等。

可采用活塞式蓄能器，但可能存在容量較小、缸體加工與活塞密封要求較高、反應不靈敏和氣體容易泄漏到油里等問題。可采用彈簧式蓄能器，但可能存在容量較小、產生的壓力取決于彈簧的剛度和壓縮量及有噪聲等問題。活塞式蓄能器和彈簧式蓄能器都存在摩擦、磨損的問題。

可采用金屬波紋蓄能器（見圖12），其基本原理為：對于重型柴油機，可分別在進油管路、回油管路上安裝金屬波紋蓄能器，其波紋是液體與氣體之間的柔性分離部件，被焊接在其他部件上，可起到氣密的作用且可上下自由運動；經過金屬波紋蓄能器“穩壓”的燃油，在主機各氣缸高壓噴射泵的作用下進入各氣缸，供氣缸內正常的發火和燃燒使用。金屬波紋蓄能器適用溫度范圍較廣的燃油（有的甚至可適應160℃的燃油），其波紋沒有摩擦、磨損，使用壽命非常長，這使整個金屬波紋蓄能器的監測和維護費用得以降低。