LNG -柴油雙燃料柴油機故障排查

隨著新型LNG-柴油雙燃料柴油機在港作拖船上的應(yīng)用，為保障新型設(shè)備可靠運行，輪機員在日常運行管理上較常規(guī)柴油機更加重視，嚴(yán)格按照設(shè)備操作手冊要求做好設(shè)備維護保養(yǎng)工作。盡管如此，雙燃料柴油機在運行中仍頻發(fā)高壓共軌泵吸口油壓低壓報警故障，且存在滑油消耗量明顯高于常規(guī)柴油機的問題，輪機員通過一系列排查，最終找到問題癥結(jié)，并采取有效措施予以解決。一、LNG-柴油雙燃料柴油機介紹日本新潟LNG-柴油雙燃料柴油機8L28AHX-DF是在常規(guī)柴油機8L28HX的基礎(chǔ)上研發(fā)的。在柴油模式時，柴油機燃燒和控制與傳統(tǒng)柴油機相同。在燃?xì)饽Ｊ綍r，雙燃料柴油機燃燒控制實際為電噴機。主機控制系統(tǒng)(ElectronicControlUnit，ECU)根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，通過調(diào)節(jié)燃?xì)忾y組單元內(nèi)燃?xì)獗壤{(diào)壓閥開度控制主機燃?xì)夤怆p層總管內(nèi)燃?xì)鈮毫?。而燃?xì)馊紵?，噴射電控裝置根據(jù)燃燒分析解析儀對各缸燃燒監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合處理，開啟燃?xì)饪偣苌细鞲坠怆姶砰y，將燃?xì)夂蛼邭饪諝鈴倪M氣通道噴入氣缸內(nèi)，同時控制各缸高壓共軌引燃噴油器電磁閥動作，將120MPa高壓共軌引燃油噴入氣缸內(nèi)引燃混合好的可燃?xì)?。盡管氣缸燃燒室密性良好，但達不到100%氣密，為防止可燃?xì)怏w下竄到曲柄箱內(nèi)形成聚集，雙燃料主機曲柄箱透氣方式由常規(guī)主機的自然透氣改為油霧扇抽吸，只要柴油機運轉(zhuǎn)(不論柴油模式還是燃?xì)饽Ｊ?，油霧扇都會自動運轉(zhuǎn)，保證柴油機曲柄箱內(nèi)形成－180Pa的負(fù)壓，確保運行安全?；诟邏汗曹壉锰峁?20MPa高壓共軌引燃油和電磁閥控制引燃噴油器的2點原因，雙燃料柴油機對高壓共軌引燃油質(zhì)量要求非常高，在高壓共軌油泵前設(shè)有預(yù)濾器和精濾器這2道過濾精度為5μm的濾器，見圖1。圖1LNG-柴油雙燃料柴油機共軌柴油工作原理二、雙燃料柴油機運行存在的問題在本船實際運行當(dāng)中，輪機部門特別注重日常的管理工作，嚴(yán)格遵照設(shè)備操作手冊要求，做好各設(shè)備系統(tǒng)的日常維護保養(yǎng)，努力保障設(shè)備系統(tǒng)的可靠運行。盡管如此，在雙燃料柴油機運行中，高壓共軌泵吸口油壓頻發(fā)低壓報警故障，同時雙燃料柴油機存在滑油消耗量明顯高于常規(guī)柴油機問題。1、高壓共軌泵吸口油壓頻發(fā)低壓報警故障本船特別注重柴油系統(tǒng)的日常管理:要求每月至少2次對主機機帶柴油輸送泵前細(xì)濾器進行檢查清洗保養(yǎng);同時每天對柴油日用油柜進行放殘檢查和補充，盡量保持油柜高位減少自由液面，避免油柜下部沉淀的雜質(zhì)被攪起。盡管如此，本船自2019年12月28日投產(chǎn)，右主機高壓共軌泵還是頻發(fā)吸口油壓低報警，而左主機卻相對正常。雖然右主機高壓共軌泵每次發(fā)生吸口油壓低報警，更換共軌精濾器后就恢復(fù)正常，但維持運行約2個月再次發(fā)生報警，即使在2020年7月份同時對共軌預(yù)濾器和精濾器進行更換，情況也未發(fā)生改善，還是維持運行不到2個月再次發(fā)生故障。右主機共軌精濾器更換情況記錄見表1。2、雙燃料柴油機滑油消耗明顯高于常規(guī)柴油機本船自2019年12月26日由鎮(zhèn)江船廠開回公司交船，出廠時主機滑油循環(huán)艙油位為左艙95cm、右艙101cm。截至2020年9月15日，主機滑油循環(huán)艙油位逐步降低至左艙65cm、右艙73cm。檢查本船機艙各艙室液位，確定不存在滑油外漏情況。翻閱輪機日志滑油循環(huán)艙油位測量記錄數(shù)據(jù)(見表2)，油位下降趨勢基本相同。根據(jù)滑油艙艙容(滑油密度900kg/m3)計算，左右主機滑油消耗量情況如下:左主機滑油消耗量為1.25×900=1125kg，右主機滑油消耗量為1.14×900=1026kg，左主機運轉(zhuǎn)1892h，右主機運轉(zhuǎn)1888h，左主機滑油消耗率0.249g/(kW·h)，右主機滑油消耗率0.227g/(kW·h)。盡管左右主機滑油消耗率未超過主機說明書上載明的滑油消耗率0.8g/(kW·h)，但與常規(guī)柴油機滑油消耗率(每24h消耗滑油量5～10L)相比，相差很大。三、故障排查過程雙燃料柴油機高壓共軌泵吸口油壓頻發(fā)低壓報警故障和雙燃料柴油機滑油消耗量明顯高于常規(guī)柴油機問題，兩者看似不存在相互聯(lián)系，但實際上是滑油內(nèi)泄導(dǎo)致共軌精濾器臟堵。1、高壓共軌泵吸口油壓頻發(fā)低壓報警故障排查左右主機使用同樣的燃油，但本船左右主機的柴油采用分開獨立使用模式有關(guān)，左右柴油機的供油和回油分別接至相對應(yīng)的左右柴油日用油柜。仔細(xì)回想日常對日用油柜放殘檢查，左右日用油柜放出的柴油都是比較清亮且無水分和雜質(zhì)。在5月份右主機第2次出現(xiàn)類似故障，打開右主機柴油日用油柜檢查，油柜內(nèi)干凈并無臟污。面對這一實際情況，排查思路又陷入僵局。針對左右主機出現(xiàn)的不同情況，要求各班人員對左右日用油柜持續(xù)放油取樣觀察，終于發(fā)現(xiàn)在某個時段右柴油日用油柜取出的油樣顏色比較黑，但左柴油日用油柜油樣顏色正常。仔細(xì)查看輪機日志近幾日的操作記錄，發(fā)現(xiàn)本船柴油溢流艙內(nèi)的柴油有駁至右柴油日用油柜操作，基本鎖定溢流艙內(nèi)的柴油存在問題。打開溢流艙道門取樣檢查，發(fā)現(xiàn)溢流艙內(nèi)柴油顏色較黑(類似黑色墨水)，無肉眼明顯能觀察到的顆粒物質(zhì)。查看輪機日志記錄，本船所有柴油溢流艙駁油操作記錄見表3。對照共軌精濾器更換記錄，不難發(fā)現(xiàn)每當(dāng)有溢流艙油駁至右柴油日用油柜操作，不久后就會引起右主機高壓共軌泵吸口油壓低報警，輪機人員進行右主機共軌精濾器更換，更換情況見表1?；菊J(rèn)定因溢流艙柴油的再利用導(dǎo)致主機共軌精濾器臟堵，進而引發(fā)高壓共軌泵進口油壓低報警。2020年11月16日特意將溢流艙柴油同時駁至左右柴油日用油柜，觀察左主機情況，2020年11月21日左主機也出現(xiàn)共軌精濾器臟堵，引發(fā)左主機高壓共軌泵進口油壓低報警。此后，溢油艙駁油操作均駁至左右日用油柜，發(fā)現(xiàn)左主機共軌精濾器更換次數(shù)增加、右主機共軌精濾器更換次數(shù)減少，進一步佐證認(rèn)定的故障因素。2、雙燃料柴油機滑油消耗明顯高于常規(guī)柴油機問題排查發(fā)現(xiàn)雙燃料柴油機滑油消耗明顯高于常規(guī)柴油機，并及時將相關(guān)問題報告公司和主機廠家，起初反饋的意見是可能因曲柄箱透氣方式改為油霧扇抽吸，導(dǎo)致主機滑油消耗過多。經(jīng)過分析，油霧扇抽吸可能會導(dǎo)致滑油消耗有一定增加，但不應(yīng)該是主要原因。依據(jù)和理由為:油霧扇出口管路很長，油氣在上升過程中總會有一部分凝結(jié)成油滴，然后順著透氣管流下來，最后從透氣管放殘管進入污油艙，導(dǎo)致污油艙油位明顯上升;事實上，污油艙的油位變化并未明顯變化，直至2021年5月本船污油艙油位也只有25cm，艙內(nèi)污油容量約0.89m3(包括日常回收各種濾器清洗的殘油)。本船主機柴油泄漏包括高壓共軌引燃油泄漏和常規(guī)柴油高壓油泵、高壓油管、噴油器泄漏這2個部分。查看主機說明書圖紙，主機說明書在LNG-柴油雙燃料柴油機共軌柴油工作原理(見圖1)和LNG-柴油雙燃料柴油機常規(guī)柴油工作原理(見圖2)的注意事項第4項，都標(biāo)明泄漏油量為0.5～1.5g/(kW·h)。圖2LNG-柴油雙燃料柴油機常規(guī)柴油工作原理圖本船在建造時設(shè)計獨立的溢流艙，主要依據(jù)該處泄漏量確定艙容，以收集該處泄漏油以便于再利用。那溢流艙柴油發(fā)黑到底是哪個泄漏管油引起的?在主機運轉(zhuǎn)時，對照主機原理找到泄漏油管實物位置，抽查高壓共軌引燃油泄漏油管空心螺栓接頭，發(fā)現(xiàn)該處確實存在約3s一滴的泄漏量，但泄漏油干凈、顏色透明，基本排除高壓共軌引燃油泄漏。接著檢查主機常規(guī)柴油泄漏情況，發(fā)現(xiàn)高壓油管及噴油器的泄漏油管流出的泄漏油為顏色透亮的干凈柴油(見圖3)，但高壓油泵泄漏油管存在一定量的泄漏且油顏色發(fā)黑，拆下泄漏油管觀察流油情況(見圖4)。圖3高壓油管及噴油器泄漏油圖4高壓油泵泄漏油隨后對右主機單缸高壓油泵泄漏油進行收集，經(jīng)過10h收集情況，測算泄漏量約250mL/h，顏色發(fā)黑且無透光度，確定是因高壓油泵泄漏油導(dǎo)致溢流艙柴油發(fā)黑。從高壓油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)計來看，高壓油泵下部的柱塞偶件、旋轉(zhuǎn)套筒、彈簧、滾筒等部件采用滑油潤滑，泄漏油發(fā)黑唯一可能是因為滑油泄漏。觀察公司同品牌柴油機其他型號高壓油泵泄漏孔的泄漏情況，發(fā)現(xiàn)都基本無泄漏油，即使船齡超過15年以上的高壓油泵也只有很輕微的柴油泄漏(約每分鐘2滴)，柴油干凈且顏色透亮。至此，證實由于高壓油泵下部結(jié)構(gòu)的潤滑油從泄漏孔流進柴油溢流艙，導(dǎo)致本船雙燃料柴油機滑油消耗明顯高于常規(guī)柴油機;正是因滑油泄漏到柴油溢流艙，在溢流艙內(nèi)柴油再利用過程中導(dǎo)致主機共軌精濾器的臟堵，進而引起高壓共軌泵進口油壓低報警。四、故障分析及處理1、高壓油泵泄漏油孔泄漏柴油來源分析高壓油泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5。圖5高壓油泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為減少高壓油泵柱塞偶件之間的摩擦損害，套筒(導(dǎo)套)內(nèi)側(cè)設(shè)計3道環(huán)形油槽:上面2道環(huán)形油槽對應(yīng)柴油腔，主要通過柴油對柱塞上部及中部圓柱面起冷卻和潤滑作用，其中第2道(中間)環(huán)形油槽與泄漏油孔相通;第3道環(huán)形油槽對應(yīng)滑油通道，將高油油泵下部部件(如彈簧、齒環(huán)及柱塞導(dǎo)筒)的潤滑油引入環(huán)槽內(nèi)，對柱塞下部圓柱面起潤滑和冷卻作用。另外，柱塞(活塞)上部圓柱面一般也設(shè)有幾道環(huán)槽。在柱塞(活塞)上止點和下止點位置時，柱塞環(huán)槽分別與套筒內(nèi)側(cè)第1道和第2道環(huán)形油槽位置一致。環(huán)槽用于將柴油引入柱塞環(huán)槽和將柱塞環(huán)槽的柴油排出，這就導(dǎo)致高壓油泵泄油孔存在一定量的泄漏柴油，屬于正常。日常管理時應(yīng)關(guān)注高壓油泵泄漏油情況，發(fā)現(xiàn)沒有泄漏油，應(yīng)考慮柱塞環(huán)槽臟污或泄漏油通道堵塞，即柱塞中部圓柱面沒有冷卻和潤滑，柱塞偶件相對運動容易發(fā)熱和干磨，應(yīng)及時檢修處理。2、高壓油泵泄漏油孔泄漏滑油來源分析早期同廠家高壓油泵泄漏油孔只有柴油，沒有滑油，這主要是由于早期船舶使用的含硫柴油未受限制或限制要求不高，柴油中的抗磨潤滑成分滿足要求。但是隨著低硫柴油的應(yīng)用，低硫柴油在煉制脫硫過程中將抗磨功能元素和物質(zhì)也一并脫除。在推廣應(yīng)用低硫柴油初期，柴油機高壓油泵出現(xiàn)很多磨損失效的事故。很多高壓油泵廠家為其產(chǎn)品適應(yīng)低硫柴油使用要求，在后期的高壓油泵設(shè)計中加大了柴油泄漏量，同時又將速率為每分鐘10滴左右的滑油引入泄漏油環(huán)槽，改善低硫柴油高壓油泵柱塞的潤滑條件。這就是本船高壓油泵泄漏油孔泄漏油存在滑油和滑油消耗高于早期常規(guī)拖船柴油機的原因。3、處理措施及效果由于高壓油泵泄漏油孔泄漏油存在滑油和滑油消耗高于常規(guī)拖船柴油機是設(shè)計需要，無法避免，但從船舶運行管理需求出發(fā)，還是要盡量避免在后期柴油溢油艙內(nèi)的柴油再利用，防止共軌精濾器臟堵引起高壓共軌泵進口油壓低報警。對原有柴油系統(tǒng)仔細(xì)分析，對柴油駁運泵前日用濾器組內(nèi)濾網(wǎng)進行改造:定做2只過濾精度為5μm的濾網(wǎng)，在需要駁送溢流艙前換用該濾網(wǎng)(先進行一次過濾)，減輕共軌精濾器臟污;同時適當(dāng)關(guān)小