MAN 主機渦輪增壓器排氣葉片損傷故障原因分析

趙金亮 謝小波

摘要：MAN 16V32/40型雙燃料柴油機運行中，一臺主機增壓器出現了劇烈震動，在主機報警關停后，現場人員對主機增壓器做了一系列的檢查，確認故障原因。通過對主機滑油壓力、溫度等參數的分析，并拆檢增壓器，發現故障原因主要為排氣端葉片損傷，而增壓器噴嘴環的堅硬積碳是廢氣端葉片損壞的主要因素，同時葉片長時間運行后，其強度性能下降，有疲勞損傷的可能性。通過故障現象分析，提出了改進措施，控制住造成主機葉片損傷的關鍵因素，保證設備穩定和人員安全。

關鍵詞：渦輪增壓器;高轉速;高震動;葉片損傷;措施

中圖分類號：TK44文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0278-04

Analysis of Damaged Turbine Wheel Blade with Turbochager

Zhao Jinliang1，Xie Xiaobo2

（1. CFD Operating Company， CNOOC China Ltd.， Tianjin 300452， China;

2. CNOOC Energy Technology&Services-Oil Production Services Co.， Tianjin 300452， China）

Abstract： During the operation of MAN 16V32/40 dual fuel diesel engine， one main engine supercharger vibrated violently. After the main engine was shut down by alarm， the on-site personnel conducted a series of inspections on the main engine supercharger to confirm the cause of the fault. Through the analysis of the lubricating oil pressure， temperature and other parameters of the main engine and the disassembly and inspection of the supercharger， it was found that the main cause of the fault was the damage of the blade at the exhaust end， and the hard carbon deposition of the nozzle ring of the supercharger was the main factor of the damage of the blade at the exhaust end. At the same time， the strength performance of the blade decreased after long-term operation， and there was the possibility of fatigue damage. Through the analysis of fault phenomena， improvement measures were put forward to control the key factors causing the damage of main engine blades and ensure the stability of equipment and personnel safety.

Key words： turbochager; high speed; high vibration; blade damage; measure

0 引言

某油田的動力系統是由5臺MAN 16V32/40型發動機和1臺 Solar titan130型透平組成的，MAN 16V32/40發動機是原油/柴油雙燃料主機，主機轉速750 r/min ，柴油機額定功率是7540 kW 。 MAN16V32/40型主機有2臺軸流式渦輪增壓器，型號為 NR34/S ，增壓器最大轉速26500 r/min ，用于柴油機給 A/B側進氣增壓。在主機帶載6 MW左右時，增壓器轉速在21000 r/min左右。在近幾年的運行中，該型號增壓器轉子反復出現轉子進氣端、廢氣端葉片及轉子軸承損壞情況，不僅對現場操作人員造成很大的操作風險，同時也造成巨大的財產損失。在問題原因查找中，也未找到增壓器損壞相同故障現象的案例參考借鑒。由于這幾次增壓器轉子損壞前設備運轉正常，突然的設備故障危害更大，而增壓器損壞

一般有外部和內部原因兩種，本文從這兩個方面入手，希望找到故障根源。在國內柴油機增壓器運用比較廣泛，這些故障的查明和解決，不僅能處理棘手的問題，同時也能為現在使用的柴油機公司和企業提供借鑒，通過一些措施和方法，避免設備資產損失及人員傷害。

1 主機增壓器工作原理、故障現象及檢查

動力值班人員在日常的主機房巡檢時，發現2號主機 B 側增壓器突然發生進氣氣流不穩定，氣流出現流向逆反并從進氣濾棉側反流出來;增壓器振動和噪聲瞬間增大。隨后2號主機在幾秒內自動緊急關停。

1.1MAN NR34/S主機渦輪增壓器的工作原理

柴油機增壓器運行中，利用發動機排出的廢氣來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸上的葉輪轉動，葉輪的轉動時會吸入空氣并壓縮，壓縮后的空氣壓力增大，通過空氣冷卻器冷卻后進入氣缸，空氣壓力和密度增大可以增加柴油主機的輸出功率。NR34/S增壓器包含一個一級徑流式廢氣葉輪和一個一級徑流式壓氣葉輪[1]，整個轉子通過2個滑動軸承支撐。廢氣葉輪與轉子軸是整合一體的，近氣壓縮葉輪通過外部鎖緊螺母裝配到轉子軸上。

NR34/S型增壓器整體結構如圖1所示，在柴油機的運行中，柴油機燃燒后的廢氣進入排煙總管后，從①位置進入增壓器廢氣渦輪入口，經過廢氣渦輪入口的噴嘴環②葉片導向，推動廢氣渦輪③轉動，之后廢氣進入尾端的排煙管⑤排到大氣中。在廢氣渦輪轉動同時，新鮮空氣通過進氣濾器（6.1）、消音器（6.2）進入進氣渦輪⑧，通過進氣渦輪的轉動壓縮空氣，壓縮后的空氣通過擴壓器⑨和壓氣機外殼⑩進入進氣管內。增壓器轉子軸承箱里有兩個軸承支撐整個轉子，一個滑動軸承，一個推力軸承，推力軸承靠近壓氣機葉輪側，起到定位及支撐作用。兩個軸承通過公用管線提供潤滑油。

1.2 MAN主機增壓器故障檢查

MAN 主機停機后，首先檢查了主機的現場控制盤故障記錄，如圖2所示，從主機的運行記錄中查看，在主機 A/B側排煙溫度高關停前并無其他不正常的報警，因此初步判斷為主機增壓器故障，并且在主機關停前8 s，增壓器轉速助推氣打開，說明因為某種原因，增壓器當時出現了轉速降低的現象。隨后對主機增壓器 B 進行了拆卸檢查，同時內窺檢查了主機缸頭氣門。氣門及缸頭并未發現異常。在主機增壓器拆解中[2]，增壓器壓氣機葉片與導流罩之間有摩擦痕跡，葉片邊緣磨損嚴重，葉片整體無缺損，如圖3所示。檢查增壓器的軸向竄量及徑向跳動，數值超過正常值數倍。拆除增壓器轉子后，對轉子總成進行解體檢查發現：廢氣端轉子葉片邊緣都有磨損痕跡，其中一片的轉子葉片出現了4 cm×6 cm左右的缺損，缺損的葉片未在后邊的排煙管中找到，如圖4所示。

檢查增壓器主軸及軸瓦，主軸的表面有磨損痕跡，浮動軸承的外表面有磨損，推力軸承的壓氣機側的推力面磨損嚴重，另一側輕微磨損，如圖5所示。

2 主機增壓器故障原因分析及改進措施

2.1 主機 EDS曲線分析

增壓器的進排氣葉輪及軸承都出現了磨損，為了排查葉輪和軸承損壞的先后順序，對主機的 EDS運行曲線進行分析，找出問題的根源[3-4]。

主機轉速/油門刻度/功率曲線如圖6所示，在主機增壓器出現問題前，主機的各項參數無異常（圖中數據標注從上到下，參數依次為主機轉速/油門刻度/主機功率/增壓器轉速）。在6點19分33秒，主機增壓器轉速（A/B 兩側）突然下降，轉速從21000 r/min 左右下降至16000 r/min左右（A 側轉速比 B 側高400 r/min左右），并持續下降。同時主機的功率從5800 kW下降至4100 kW，并在6點19分41秒主機功率突降為0，即主機關停;而主機轉速在最初只是有一點輕微下降，在主機關斷后平緩下降為0;主機的油門為了保持轉速不變，出現了小幅拉升，控制系統為保持增壓器轉速，開啟了增壓器增速裝置保持轉速，但效果不明顯。在6點19分41秒主機關停，說明增壓器最早出現問題，而主機的控制系統做了一系列的穩速措施，所以其他的參數數據會延遲幾秒。

主機增壓器前/后排煙溫度曲線如圖7所示（圖中從上到下，參數標注依次為增壓器前排煙問題/增壓器后排煙問題），紅色為 A 側，藍色為 B 側，在曲線的前段時間內增壓器的整個排煙溫度參數都是比較平穩的。在6點19分33秒，增壓器 A/B側的前/后排煙溫度都出現快速上升趨勢，而增壓器前的排煙溫度上升更快;在6點33分41秒，主機增壓器前排煙溫度高報警，并關停主機。從數據中判斷，排煙溫度的增高是因為轉速下降，導致排煙集聚進而高溫關停。

TE2580增壓器軸承回油溫度曲線如圖8所示，圖中的 TE2580指示為增壓器軸承回油溫度，用于檢測增壓器軸承的狀態。從圖中可以看出，在6點19分38秒增壓器的藍色曲線（ B 側）出現上升趨勢，紅色曲線相對比較穩定，藍色曲線上升到最高點后又逐步下降;因此從時間上可以大致判斷出，在6點19分33秒時，增壓器的葉片首先出現問題，造成增壓器轉子動平衡破壞，動平衡失效后造成轉子運轉不平穩[5]，壓氣機葉片和廢氣端葉片與外側的導流罩發生了接觸摩擦，造成增壓器轉子轉速的快速下降，同時轉子的不平衡進而影響軸承的穩定，軸承的推力軸承和浮動軸承出現了損毀，造成滑油的溫度升高。

2.2 增壓器葉片斷裂問題分析

增壓器正常維保時間為12000 h ，上次維保后運轉了約9000 h ，維保時也對增壓器葉片進行了探傷，未發現異常缺陷。增壓器轉子運轉時間為72000 h左右，檢查增壓器轉子尺寸參數[2]，都在數據要求范圍內;核對上次增壓器轉子安裝時的控制參數，其安裝間隙及尺寸在數據要求范圍。于是對增壓器損壞的斷裂面進行了金相顯微鏡檢查，檢查是否有疲勞原因造成葉片脫落，從未動平衡損壞造成增壓器軸承和進氣葉輪的損壞。金相檢查顯示：增壓器葉片斷裂位置較平整，未見疲勞擴展延伸裂紋，出現葉片斷裂較大可能為來自機體內異物撞擊轉子葉片造成的。隨后對主機缸頭氣門及排煙管進行了內窺檢查，檢查是否有設備部件損壞后通過排煙管進入增壓器轉子處，也未發現部件損壞痕跡。同時對排煙管進行了拆卸清潔檢查，未發現物體撞擊痕跡，也未發現積碳掉落痕跡，同時積碳清理時，發現集聚在排煙管內壁的積碳厚度4 mm 左右，但比較松軟，即便出現積碳掉落也不會對增壓器葉片造成損傷。

對其他主機增壓器進行狀態檢查[6-7]，在檢查增壓器廢氣端的噴嘴環時，發現個別主機增壓器的噴嘴環根部有堅硬的積碳，這些積碳與排煙管內的積碳完全不一樣，這些積碳堅硬，形狀不規則，附著在噴嘴環縫隙處，粘合力比較強，而這么堅硬的積碳如果出現掉落，在增壓器高速運轉時是足以對葉片產生損傷的。隨后對積碳進行了化驗分析，同時對主機的燃油進行化驗分析。查找積碳在這個位置集聚的原因。如圖9～11所示，積碳的物質分析為鈣和硫，分別占比為41.31%、12.8%，燃油化驗成分碳含量為0.261，硫含量超標，為4.31 mgKOH/G。

2.3 葉片故障后的改進措施

增壓器噴嘴環的堅硬積碳是廢氣端葉片損壞的主要因素，同時葉片的長時間運行后，葉片的強度性能下降，有疲勞損傷的可能性。為保證增壓器的安全運轉，采取以下措施。

（1） 首先原油作為燃料油，需要篩選燃油，運用技術手段或者改變流程工藝等辦法降低酸值降低燃油雜質及硫類物質含量，提升燃油品質，降低積碳的產生。

（2） 在操作方面，減少低載荷下主機運轉時間[8]，提升主機功率，降低積碳產生和集聚。利用主機增壓器原有的管線，將增壓器廢氣端轉子水洗納入日常維護中，定期對增壓器廢氣端進行水洗，確保動力渦輪的清潔，在積碳積聚前能清理掉，防止大塊積碳脫落損傷葉片。

（3） 在增壓器維保時，增加增壓器動平衡檢測工藝，消除增壓器轉子長時間運轉后的葉片不平衡問題。將原有增壓器的12000 h維保中間，增加一次6000 h增壓器清潔，主要觀察增壓器噴嘴環處的積碳狀態，在出現積碳后及時清理。

（4） 對比2號主機 A/B側增壓器運轉曲線，B 側增壓器轉速低于 A 側400 r/min左右，分析為噴嘴環出現積碳后，通過增壓器轉子的氣量受到減少，影響到轉子的轉速。在以后主機運行時，觀察同樣工況下，各主機增壓器參數對比，如果出現了400 r/min左右的轉速差異，盡量停機檢查，評估增壓器的狀態，避免增壓器的損壞。

3結束語

通過以上措施的實施，提高了主機增壓器運行的穩定性，避免增壓器問題的出現。這些措施，也可以借鑒推廣，對其他發動機增壓器設備的運行維保起到提示作用。

主機增壓器是發動機設備的重要部件，其穩定及性能將極大地影響發動機設備的穩定性和性能。同時增壓器在高速運轉時，如果出現動平衡失效，極可能對設備乃至現場操作人員造成傷害。關注設備運行中的參數變化，分析設備問題后的影響因素，做好應對措施，就能減少設備故障，避免人身傷害。

參考文獻：

[1] MAN B&W.Technical DocumentationExhaust Gas Turbocharg- er NR34/SOperating Manual[Z].2003.

[2] MAN B&W.Technical DocumentationExhaust Gas Turbocharg- er NR34/S Work Cards[Z].2003.2007

[3]陳大榮.船舶柴油機設計[M].北京：國防工業出版社， 1980.

[4]劉良睿.船用柴油機常見故障分析與排除[J].船舶物資與市場， 2019（10）：69-70.

[5]許結龍.NR 增壓器故障處理及維修技術[J].上海鐵道科技， 1999（4）：32-34.

[6]馬玉成，林永全，孫虎，等.某大型二沖程柴油機增壓器喘振故障淺析[J].中國設備工程，2020（10）：48-50.

[7]洪哲，王建.某船柴油主機增壓器喘振故障分析及排除[J].柴油機，2012（4）：57-59.

[8]張忠良.某船增壓器故障及改進實例[J].航海技術，2019（6）：38-40.

第一作者簡介：趙金亮（1982-），男，河北石家莊人，大學本科，工程師，研究領域為海上油田設備維保及管理。

（編輯：王智圣）