船用柴油機曲軸箱防爆閥防爆性能研究

中國船級社 張興東

臺州賽特流體控制有限公司 李建基

船用柴油機運行故障或連續高負荷運轉，導致曲軸箱內局部過熱，高溫熱源造成曲軸箱內潤滑油汽化，形成油霧。當曲軸箱內油霧濃度達到爆炸極限且出現點火源時，發生爆炸。爆炸往往導致柴油機、機艙重大損壞，甚至造成人員傷亡，后果十分嚴重。因此，中國船級社《鋼質海船入級規范》規定氣缸直徑大于等于200mm或曲軸箱總容積大于等于0.6m3的柴油機應按照相關規定安裝曲軸箱防爆閥。

由于數值模擬研究具有成本低、效率高的特點，被廣泛應用于防爆閥的阻燃和降壓性能研究。對于曲軸箱防爆閥的實驗研究還較少，因此本次通過滿足IACS UR M66《曲軸箱防爆閥的型式實驗程序》的實驗系統，對曲軸箱防爆閥的阻燃和降壓性能進行實驗分析。

防爆閥結構組成及工作原理

曲軸箱防爆閥主要由閥瓣、錐形彈簧、內阻燃片、外阻燃片、閥座和閥蓋組成，內、外阻燃片均設計為多凸臺迷宮式結構（如圖1）。當船用柴油機曲軸箱內發生爆炸時，曲軸箱內氣體壓力大于防爆閥的開啟額定壓力，閥瓣被頂開。火焰迅速進入阻燃片迷宮式通道中，被分割為多股細小火焰，增大了火焰與阻燃片的接觸面積，進而加強了傳熱效果，使火焰溫度迅速下降到淬熄溫度以下。同時，多股高壓氣流在阻燃片中傳播，氣流之間、氣流與阻燃片之間相互碰撞，使得壓力迅速下降。當曲軸箱內壓力低于曲軸箱防爆閥的額定壓力，在錐形彈簧作用下，閥瓣迅速關閉，有效避免空氣二次進入曲軸箱，引發二次爆炸。

圖1 曲軸箱防爆閥、內阻燃片、外阻燃片結構與實物對比圖

實驗裝置及工況

1、實驗裝置

為了探究曲軸箱防爆閥阻燃和降壓性能，搭建了曲軸箱防爆閥實驗裝置，該實驗裝置滿足IACS UR M66《曲軸箱防爆閥的型式實驗程序》要求。實驗裝置包括：實驗容器、配氣系統、高能點火器、數據采集系統、控制柜和操縱臺六部分（如圖2）。

圖2 實驗系統圖

實驗容器容積為1.42m3，尺寸為φ1000×2000mm。配氣系統主要由實驗用校準氣體、甲烷、壓縮空氣、甲烷濃度分析電磁閥、甲烷混合器、控制和操縱部分等組成。甲烷混合器用來將容器中的甲烷和空氣充分混合。高能點火器點火能量為20J。數據采集系統包括壓力傳感器、位于操縱臺的數據收集卡、錄像機和熱敏相機。壓力傳感器采用AX14-DS200型號傳感器，監測壓力為-1×105-9×105kPa。操縱臺通過控制柜操控實驗裝置的配氣、點火、數據采集等功能。

2、 實驗工況

為了探究曲軸箱防爆閥阻燃和降壓性能，制定兩種實驗工況。工況1：采用厚度為0.05mm的聚乙烯薄膜，封住容器法蘭端口，進行空爆實驗；工況2：將曲軸箱防爆閥安裝在容器法蘭端，曲軸箱防爆閥采用FBD135A型防爆閥，閥瓣開啟壓力18±10%kPa，流通面積143cm3。工況1和工況2，均在實驗容器中配備體積分數為9.5%的甲烷和空氣混合氣體。每種實驗工況進行3次實驗，爆炸壓力取3次實驗平均值。

實驗中，工況2第一次實驗，應用厚度為0.05mm的聚乙烯薄膜，薄膜直徑應為實驗容器法蘭端，環形平板直徑的3倍且容積不小于實驗容器30%的塑料袋包裹住防爆閥及平板。開始實驗前，應排出塑料袋中空氣，該要求可清晰觀察到是否有火焰竄出防爆閥。

實驗結果分析

工況1與工況2的實驗壓力隨時間變化（見圖3）。工況1爆炸壓力隨時間變化呈現先增大后減小的趨勢，最大爆炸壓力167.81kPa。時間4s后，爆炸壓力逐漸為0，這是由于爆炸時，容器法蘭端口聚乙烯薄膜破碎，容器內與大氣相通，爆炸完后空氣二次進入容器中導致。工況2爆炸壓力隨時間變化，同樣呈現先增大后減小的趨勢，最大爆炸壓力為432.66kPa。工況2的爆炸壓力是工況1的2.58倍，這是因為曲軸箱防爆閥起到一定的節流作用造成。時間5.8s后，爆炸壓力逐漸降為負壓。這是由于當容器內壓力低于曲軸箱防爆閥的額定壓力，在錐形彈簧作用下，閥瓣迅速關閉，容器內成為封閉空間，容器內持續呈現負壓，有效避免空氣二次進入容器，引發二次爆炸。

圖3 工況1、工況2爆炸壓力隨時間的變化關系

工況1和工況2的火焰對比圖（如圖4）。工況1，點火器動作后，高溫火焰從實驗容器法蘭端口處噴射而出。工況2，無火焰從防爆閥竄出，這是因為火焰經過阻燃片后，經過與阻燃片傳熱作用，火焰溫度迅速降到淬熄溫度以下。

圖4 工況1、工況2爆炸火焰隨時間的變化關系

實驗結果表明：實驗用防爆閥具有較好的阻燃和降壓性能。當實驗容器內壓力低于曲軸箱的額定壓力時，防爆閥的閥瓣能迅速關閉，并保持良好的氣密性，曲軸箱內保持負壓，有效避免空氣二次進入容器引發二次爆炸。安裝曲軸箱防爆閥后，因為防爆閥的節流作用，會造成曲軸箱內爆炸壓力較未安裝防爆閥時增大，為了保障柴油機的零部件不被損壞，壓力的增大程度應被關注。本文對曲軸箱防爆閥的設計、維護保養具有指導作用。