ME-C 主機缸頭床墊處燃氣泄漏故障分析

張 偉

（太倉海事局，江蘇太倉 215400）

0 引 言

MAN ME 電控型主機關于氣缸內燃氣超壓保護設計與傳統機型有所不同，將安全閥取消，通過對缸頭螺栓的“柔性”設計，當氣缸內氣壓達到某一值時，缸頭螺栓產生彈性變形，缸頭抬起，高壓氣體從缸頭與缸套密封表面溢出而卸壓保護，為防止噴出的燃氣傷人在缸頭與缸套密封面的圓周增加環形擋板保護，通常將這種缸頭抬起現象稱為“抬缸”。本文與大家分享的是主機缸頭床墊處連接多次發生燃氣泄漏的案例，通過故障現象與統計數據綜合分析，說明“抬缸”與“燃氣泄漏”的區別，并提出預防管理建議，旨在提醒管理者避免類似事情的發生。

1 故障描述

J 輪，1 900 TEU 集裝箱船，主機型號MAN ME6S60ME-C8.5 Tier II，額定功率10 857 kW,額定轉速100 rpm，2018 年3 月出廠，中國太倉港至越南胡志明定期班輪。該主機自出廠營運2 000 h 后，先后發生9 次主機缸頭床墊被局部吹蝕而漏氣，其中2 次因沒有及時處理而導致缸頭與缸套表面被吹蝕，故障統計見表1。

表1 J 輪主機缸頭床墊處漏氣情況統計

舉例：2019 年7 月19 日，15：00 離開胡志明碼頭，隨后進入淺水區航行；17：00 發現主機No.4 缸頭床墊在艏部方向漏氣。此時，主機爆壓152 bar，轉速86 rpm，透平轉速11 300 rpm，掃氣壓力0.97 bar，主機負荷72%。由于本機已經多次發生過缸頭床墊處漏氣，輪機長將主機轉速限制為86 rpm，最大負荷限制在72%。在發現No.4 缸頭漏氣后，輪機長將主機轉速降至80 rpm，爆壓130 bar，還是漏氣；降至75 rpm，爆壓115 bar，還是漏氣；降至SOLW，還是漏氣，故障發生時參數見表2。隨后拋錨吊缸頭檢查，發現漏氣處缸頭床已變形拉長，缸頭和缸套有2 cm 寬的黑斑，被吹蝕厚度約0.5 mm，如圖1 所示。靠碼頭后，由專業維修人員用移動式磨床分別將缸頭與缸套表面打磨掉0.5 mm恢復正常，如圖2 所示。

表2 2019 年7 月19 日故障發生時參數

圖1 被燃氣吹蝕的缸套密封面與缸頭床墊

圖2 移動式磨床對缸套表面研磨

2 故障原因分析

本輪主機因連續發生多次缸頭床墊處燃氣泄漏，應綜合分析，首先要判斷是“抬缸”還是“燃氣泄漏”，并將可能原因列出，通過排除法，才能最終確定故障發生的真正原因。

2.1 多起缸頭床墊燃氣泄漏的特點

（1）本輪發生的幾起缸頭床墊處漏氣均發生在離開胡志明碼頭后，在淺水水域加速航行過程中。

（2）除No.1 以外，其余5 只缸均先后不同程度發生過漏氣，其中No.3&No.4 缸的缸頭與缸套表面因吹蝕而研磨。

（3）漏氣的部位均發生在缸頭圓周艏部0 點方向，如圖1 所示。

2.2 故障發生時的主要參數

2019 年7 月19 日故障發生時參數見表1，主機75%時臺架試驗數據見表3。

表3 主機75%時臺架試驗數據

通過數據對比分析，可以得出下列結論，氣缸密封性良好，主機工況處于低轉速、高負荷的狀態，就像船體污底一般，調速控制模式為轉速控制，為了達到預設的轉速，調速單元在加大油門，但是由于船體受到很大的阻力，船速無法快速提升，使得主機工況偏離了設計的推進特性線。但是即使如此，也不能說是造成燃氣泄漏的根本原因，因為這種工況在短時間內主機是可以承受。

2.3 故障原因分析

（1）判斷故障是否屬于“抬缸”

根據設計，當氣缸內的爆壓力達到300 bar 時，才會引起缸頭螺栓彈性變形提升而“抬缸”，且發生抬缸后，缸內高壓燃氣是呈扇形噴出。引起抬缸的原因有：CCU 故障導致燃油不按規律噴射，排氣閥定時故障，引起氣缸內燃油爆燃、或連續兩個沖程以上不排氣才可能出現爆壓超過300 bar 的可能。然而，本主機通過檢查HCU events，檢查COCOS-EDS 中爆壓值曲線，經及缸頭床墊損壞的現象，可以排除“抬缸”的可能。

（2）對燃氣泄漏的分析

既然不是“抬缸”，應重點分析是什么原因使得缸內燃氣突破床墊的防御而泄漏，是床墊本身質量或床墊安裝錯位或床墊上下密封表面有雜質？是缸頭螺栓抗拉強度不足或是安裝不到位？是缸內燃氣壓力偏高（雖然沒有達到抬缸的壓力），但在某段時間內連續“沖擊”床墊“內圓表面”，最終將床墊變形拉長而泄漏？或是缸頭與缸套在特定時刻與船體發生共振？分析如下：

①根據舊床墊的壓痕，該床墊在安裝時偏移了密封面（床墊向前移動約5 mm），舊床墊損壞處的厚度變薄被拉伸長約10 mm，如圖3 所示。檢查對比前面8 次換下的床墊，均有不同程度的偏移密封面（均向前移動），發生這種現象的原因，與安裝時船舶艏艉吃水差和缸頭結構有關，缸頭密封面左右兩側90°圓周角均有凸臺，阻礙了床墊向左右方向偏移。輪機員表示自發生故障后，他們每次安裝床墊前均會小心清潔，密封面存在雜質的可能性排除。與床墊供應商溝通，該批次床墊用于其他主機沒有問題。關于床墊結論是，床墊移位，是造成漏氣部位均在圓周方向艏部位置的準備條件，但不是造成燃氣泄漏的根本原因。

圖3 損壞的缸頭床墊與新床墊對比

②缸頭螺栓抗拉強度不達標，是造成缸頭漏氣的充分條件。從理論上說，螺栓的抗拉強度值就類似安全閥的開啟值。螺栓使用的材料、熱處理工藝、尺寸、螺紋精度等因素直接影響到該缸頭與缸套是否能牢固接觸并能一起承受燃氣的沖擊、振動而“不離不棄”。事實上，本輪主機在經歷9 次燃氣泄漏后，將所有缸頭螺栓全面更換，并徹底清潔螺絲孔重新安裝后，到目前為止，再沒發生過燃氣泄漏的情況。缸頭螺栓螺母沒有均勻上緊到規定力矩，也有可能造成缸頭床墊處漏氣。冷車安裝后，應在運行100 h 后再復核螺母上緊情況。

③缸頭與缸套在特定時刻與船體是否發生共振，這個問題通過與其姐妹船對比，可以排除。

④缸壓爆壓影響。

通過數據分析比較，發生漏氣時，主機處于“低轉速高負荷”的工況，查閱COCOS-EDS 歷史記錄，結合表2 數據分析，在發生漏氣時，主機轉速86 rpm，負荷72%，在COCOS-EDS 的load diagram 圖中，可確定當時主機的工況點處于扭矩速度限制線與Heavy running 線之間區域，如船舶污底工況，主機正處于低轉速、高負荷的狀況，如圖4 所示。關于load diagram 中各線段的含義如圖5 所示，并說明如下：

圖4 2019 年7 月19 日 1700 左右COCOS-EDS 負荷工況點

圖5 load diagram for propulsion alone

Line 1:Propeller curve through point A -layout curve for engine

Line 2:Propeller curve -heavy running,recommended limitfor fouled hull at calm weather conditions

Line 3:Speed limit

Line 4:Torque/speed limit

Line 5:Mean effective pressure limit

Line 6:Propeller curve -light running (range:3.0-7.0%)for clean hull and calm weather conditions -for propeller layout

Line 7:Power limit for continuous running

Line 8:Overload limit

Line 9:Reference-speed

雖然本輪主機在更換了所有缸頭螺栓與螺母后，后期再沒有發生過漏氣現象。但是要說明的是：

（1）本輪航線的特點，每航次均會經過一段距離較長的淺水區域，此時輪機長應與駕駛臺協商控制好主機加速過程，如駕駛臺直接將車鐘推到需要的轉速，按遙控系統設定的加速速率運行，此時主機工況將會進入“heavy running”狀況，久而久之，燃燒不良，長時間的偶發性爆燃（爆壓升高）在其他不良因素如床墊移位、缸頭螺栓松動、螺栓抗拉強度有缺陷的綜合作用下，也會引起燃氣泄漏。

（2）燃油質量不佳，燃燒性能差，也會造成氣缸內偶發性爆燃（爆壓升高）。

（3）輪機長最大負荷與最大轉速限制不要隨意設定，不匹配的限制，會影響到主機在特定環境加速受阻。

3 管理建議

（1）使用正規廠商生產的缸頭螺栓與螺母。所有缸頭螺栓，在上緊前應確保機架本體的螺絲孔內清潔，螺栓已全部旋入，并按規定力矩上緊；定期檢查缸頭螺栓上緊情況。

（2）缸頭床墊安裝時，采取相應措施，防止床墊偏移密封表面。

（3）加強低硫燃油管理，根據燃油比重及時調整比重環，使用合規過濾精度的濾器。

（4）淺水區航行時，密切關注COCOS-EDS 中LOAD diagram 圖主機工況點是否處于正常區域。

（5）一旦發現床墊處漏氣，應盡可能降速航行，降低該缸爆壓，并盡早吊出缸頭檢查、更換床墊。防止將缸頭與缸套表面吹蝕，擴大維修工程。

（6）充分利用PMI&COCOS-EDS 工具分析主機工況數據，并在規定的時間內對關鍵性設備進行維護保養。

4 結 語

這起主機連續多次缸頭床墊燃氣泄漏的故障，經過了多次反復吊缸檢查、更換備件才得以解決。在故障發生的初期，管理者就把目光鎖在缸頭螺栓上，并且對其中一只缸全部更換過缸頭螺栓，然后面還是發生了類似問題。直到第9次故障再發生后，大家又把焦點鎖定在缸頭螺栓質量上，才發現前面所有的缸頭螺栓均來源于同一廠家。直到更換了進口件，才算徹底解決了問題。但是，經了解，同樣的缸頭螺栓在其他公司的同船型的姐妹船并沒有發生類似的問題，這也值得我們深思。