基于某輪柴油機異常停車的故障診斷與處理分析

在現(xiàn)代商船中，仍以具有安全可靠性強、起動性能好、經(jīng)濟性好等顯著優(yōu)勢的大型長沖程或超長沖程的低速柴油機作為船舶主機的首選形式，如MANB&WMC和SULZERRTA等類型。隨著國際、地區(qū)各項法規(guī)的實施及海上事故案例的深人研究，人們對主機的可靠性、經(jīng)濟型、機動性、生命力和低排放等指標的要求日益提高，而船舶主機經(jīng)常在各種復(fù)雜環(huán)境下運行，特別是受到負荷頻變、正倒車、燃油多樣性等影響，使之極易出現(xiàn)故障造成險情。由于科技的進步與發(fā)展，自動控制廣泛應(yīng)用于主機遙控、設(shè)備監(jiān)測報警、溫度和壓力的自動調(diào)整等，自動化程度的大幅提高促使輪機管理重心發(fā)生根本性改變，由此對管理人員在理論基礎(chǔ)與實踐分析方面提出了更高要求。所以，在解決主機故障時，不能僅著眼于主機本身原因，需要結(jié)合故障現(xiàn)象統(tǒng)籌分析動力裝置狀態(tài)，精準查找故障堵點，并逐步建立和完善主機故障數(shù)據(jù)庫，以快速查明故障、解決故障，從而保證船舶、人員安全，避免或減少對海洋環(huán)境的污染。一、故障現(xiàn)象某輪主機型號為5S60MC-C8，為B&W公司推出的緊湊機型，MC系列柴油機自20世紀80年代投入使用后,以其低油耗、高可靠性、易維修保養(yǎng)和操作的特點獲得航運界和造船業(yè)界的肯定，而S-MC-C機型與此前的S-MC機型相比,增加了10%的功率輸出，減少了約10%的柴油機總長度和10%的重量，廣泛應(yīng)用于2萬至20萬噸級的船舶上[1]。某輪總噸43005MT，主機功率10000kW，非限制區(qū)域使用380cst的HFO。2019年11月21日，駛?cè)氡泵琅欧畔拗茀^(qū)域(SECA）前通過低硫油轉(zhuǎn)換程序由HFO換用MGO;深夜時主機出現(xiàn)急停報警隨即又恢復(fù)正常;10分鐘后一號及二號缸排溫低，主機降速。次日凌晨主機異常停車并無法啟動;20分鐘后更換一號及二號缸噴油器后進行試車，主機仍舊無法啟動;兩小時后再次試車，偶爾啟動成功但一號及二號缸未發(fā)火;之后解體高壓油泵，更換穿刺閥和吸入閥的內(nèi)部密封件，并裝復(fù)高壓油泵后，通過燃油系統(tǒng)放氣考克處進行排氣，隨后再次試車，成功啟動主機;下午慢車航行至外海漂航，試車時又出現(xiàn)主機無法啟動的現(xiàn)象。二、故障診斷與處理1、故障診斷故障診斷是故障處理的前提，在實際的診斷過程中，必須先明確故障的分類和故障的預(yù)兆[2],才能針對性的解決問題，降低船舶風(fēng)險和提高檢修效率。通過科學(xué)利用監(jiān)控設(shè)備以及管理人員本身豐富的故障診斷知識和實踐經(jīng)驗，可對主機運行工況與故障原因進行分析并做出準確判斷，結(jié)合圖1主機操縱系統(tǒng)原理對上述故障現(xiàn)象存在的幾種故障原因可能性做以下分析。圖1,主機操縱系統(tǒng)原理圖(1)安?；蜻b控系統(tǒng)故障安保系統(tǒng)有獨立于氣動操縱系統(tǒng)的控制氣源(0.7MPa)和供電系統(tǒng)，該氣源經(jīng)減壓后由手動二位三通閥(16）控制，其閥后管路上連接有參數(shù)值可調(diào)的壓力開關(guān)（17)，經(jīng)過起穩(wěn)壓作用的儲氣瓶(125)送至故障/停車電磁閥(127）儲氣罐。當安保系統(tǒng)給出故障停車的電信號時，電磁閥127有電動作，控制空氣驅(qū)動泄油閥打開，高壓油泵斷油而使主機停車。遙控系統(tǒng)對換向、起動、停機等各種邏輯控制命令進行相關(guān)的運算和判斷后，送出各種信號實現(xiàn)電磁閥的邏輯/時序控制[3]，例如，起動電磁閥(90）將駕控起動信號送至閥(37)，實現(xiàn)主機起動控制;停車電磁閥(84）將駕控停車信號送至閥(38)，實現(xiàn)主機停油控制。此輪使用AUTOCHIEF-IV（簡稱AC-4）自動遙控系統(tǒng)，可實現(xiàn)主機狀態(tài)監(jiān)控、自動降速/停車、參數(shù)顯示、啟停換向等邏輯控制和操作等，具有功能豐富、使用方便、安全性高等特點。根據(jù)出現(xiàn)急停瞬時報警隨即又恢復(fù)正常的現(xiàn)象，反映出安保系統(tǒng)或AC-4故障的可能性，如監(jiān)測油壓、水壓、油溫、水溫、超速、曲軸箱油霧濃度的傳感器或AC-4中某一模塊/元件受震動、溫度等環(huán)境影響,出現(xiàn)短時性故障但未觸發(fā)系統(tǒng)對主機做出延時動作，而又自行恢復(fù)功能，此類我們常稱之為“誤報警”。在案例現(xiàn)象中，主機異常停車和無法啟動時并未出現(xiàn)傳感器和AC-4系統(tǒng)的異常報警，且在后續(xù)測試中可數(shù)次啟動主機，說明并非因安保和遙控系統(tǒng)信號閉鎖導(dǎo)致的故障發(fā)生。但在日常管理工作中，我們需熟悉安保系統(tǒng)傳感器的安裝位置與AC-4系統(tǒng)的自檢功能，以便定期進行功能校驗。(2)啟動系統(tǒng)故障啟動系統(tǒng)包括機械和遙控系統(tǒng)兩部分。當主機異常停車后，不應(yīng)盲目再次啟動，應(yīng)先根據(jù)報警信號做出判斷，盤車檢查主機的曲軸箱及氣缸部件有無損壞、卡阻。如無問題，即可嘗試機旁啟動測試，此時，轉(zhuǎn)換閥（100)工作于上位，遙控系統(tǒng)控制空氣經(jīng)過閥100全部泄放，“遙控”失效。控制空氣通到應(yīng)急起動二位三通閥(101）和應(yīng)急停車二位三通閥(102）輸入口處，機旁應(yīng)急操縱功能生效，遙控系統(tǒng)受限被屏蔽，在操縱過程中使用的閥件較少、便于查找，可反復(fù)進行正倒車、換向測試。若為遙控系統(tǒng)故障，首先檢查氣控部分，包括:控制空氣系統(tǒng)的壓力,有無報警顯示;主啟動閥執(zhí)行動作情況及其鎖緊板的工作位置,啟動狀態(tài)時方塊轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動位置;空氣分配器換向動作情況，確認換向氣缸是否到位;高壓油泵換向動作情況,確認每缸換向氣缸是否到位”。其次檢查電氣部分，許多電子元件長期工作在高溫、振動的環(huán)境中，損壞概率高，如電磁閥動作延遲或卡死、磨損加劇，此外，過電流會造成電磁閥的燒毀。啟動電磁閥、正倒車電磁閥等相關(guān)電氣元件能夠?qū)е碌闹鳈C起動、換向信號受阻，若電磁閥通、斷電情況正常,表明電氣部分正常，反之則為電磁閥閥芯滑動故障或電磁閥電路問題。若為機械系統(tǒng)故障,應(yīng)檢查主啟動閥、正車和倒車換向閥、空氣分配器導(dǎo)閥和控制閥等重要閥件動作的靈活性，按具體范圍進行拆檢。所以，對于主機無法啟動的問題受多方面影響，在管理中要加強對主機啟動系統(tǒng)的檢查和啟動閥件的定期保養(yǎng)，對氣路的檢查尤其重要[5]。若主機油路沒問題，僅氣缸啟動閥及控制閥件有問題時，應(yīng)按照以上步驟迅速檢查啟動系統(tǒng)各部件狀態(tài)。若主機油路有問題，則在啟動時可以達到啟動轉(zhuǎn)速，而后不能正常運轉(zhuǎn)。案例中主機故障雖表現(xiàn)為啟動失敗和啟動困難，需以是否達到啟動轉(zhuǎn)速作為判斷，且在多次啟動成功后發(fā)生生異常停車現(xiàn)象，所以啟動系統(tǒng)不是此故障的根源問題。(3)燃油系統(tǒng)故障主機的燃油系統(tǒng)涉及包括分油機、循環(huán)泵、濾器、加熱器、高壓油泵、噴油器等眾多的機械設(shè)備部件，它們均可間接或直接導(dǎo)致主機無法啟動、降速運行、轉(zhuǎn)速無法升高、異常停車等故障的發(fā)生。鑒于燃油系統(tǒng)的重要性，布置的傳感器和報警點較多，在判斷其是否出現(xiàn)故障時，根據(jù)報警信息進行判斷、查找是最便捷的方法。案例中，一號及二號缸排溫低導(dǎo)致主機降速運行，此時可通過檢查這兩缸的高壓油管脈動情況將故障點進行區(qū)域劃分，如脈動正常則說明噴油器狀態(tài)不佳;如無脈動則可判斷為高壓油泵或供油系統(tǒng)存在問題，不正確的換油操作可造成高壓油泵偶件的咬死、過量磨損和供油系統(tǒng)堵塞等，使用專用工具能夠檢查高壓油泵的泄油閥芯活動情況，或松開高壓油泵的漏泄管路查看泄漏油量，而燃油供給系統(tǒng)中出現(xiàn)部件內(nèi)、外泄漏的現(xiàn)象較多，通過布置在系統(tǒng)中的傳感器及儀表判斷其狀態(tài)是否正常。此故障為某輪偶然發(fā)生且僅在換用MGO后出現(xiàn)，指示出故障與燃油的性質(zhì)有重要關(guān)系，即船用輕油與重油間的物理特性差別影響主機正常運轉(zhuǎn)，包括含硫量、十六烷值、粘度、密度等。在燃油系統(tǒng)參數(shù)正常且沒有外部警報的情況下，燃油中混有空氣將是導(dǎo)致故障發(fā)生的關(guān)鍵和潛在因素，含有空氣的燃油順次從一號到六號缸朝上進入高壓油泵，由于油、氣比重差異大，積聚在油管頂部的空氣會首先進入一號和二號缸高壓油泵導(dǎo)致其發(fā)火失敗進而造成主機停車。為進一步準確驗證，此輪通過燃油系統(tǒng)濾器處持續(xù)放氣操作，結(jié)果，主機多次正倒車啟動正常，未再出現(xiàn)異常停車現(xiàn)象。2、故障處理考慮到MGO發(fā)熱值、比重低、啟動性能差等影響，此輪進入SECA前已將主機啟動油門從60%調(diào)整至68%。起初的瞬時急停報警并未造成主機停車，輪機人員疏于管理沒有及時進行原因分析和相關(guān)干預(yù),當主機降速故障后陸續(xù)對噴油器更換、啟動系統(tǒng)檢查、一號及二號高壓油泵解體,在檢修高壓油泵時發(fā)現(xiàn)其中一個泄油閥芯偏磨和閥面泄漏痕跡、彈簧偏軟，使得供油油量減少，影響氣缸排溫，但高壓油泵并非故障產(chǎn)生的根源問題，原因分析方向的誤判極易造成船舶處于險境之中。燃油系統(tǒng)進氣的唯一途徑為自動反沖洗濾器，此處使用HFO時燃油壓力為0.43MPa，使用MGO時則為0.4MPa，雖均在正常參數(shù)范圍內(nèi)，但控制空氣壓力為0.42MPa，較MGO壓力大0.2MPa，執(zhí)行機構(gòu)的內(nèi)部密封不良，導(dǎo)致控制空氣進入燃油系統(tǒng)。圖2自動反沖洗濾器動作機構(gòu)通過拆檢自動反沖洗濾器動作機構(gòu)，更換圖2所示的老化密封圈，并將其控制空氣壓力調(diào)整至0.35MPa才徹底解決了主機異常停車和啟動困難的故障。三、管控措施優(yōu)化根據(jù)故障現(xiàn)象精確查找和分析其產(chǎn)生原因?qū)τ诖霸O(shè)備管理人員至關(guān)重要，不要被表面現(xiàn)象所迷惑。由于上述船舶輪機人員在管理中的判斷方向錯誤，導(dǎo)致耗費大量時間和精力，并對船舶和人員安全產(chǎn)生一定威脅。根據(jù)以上柴油機故障現(xiàn)象及相關(guān)處理過程，提出幾點優(yōu)化管控措施。1、燃油轉(zhuǎn)換操作改進船舶在進入SECA前會換用合規(guī)的船用輕油，但換油過程中操作不當就容易引發(fā)設(shè)備故障，釀成險情事故。通常在惡劣海況、狹窄水域、航道和進出港等情況下不宜進行燃油轉(zhuǎn)換操作，以免換油過程中出現(xiàn)主機降速、停車、全船失電等意外情況，降低船舶的機動性能和避碰能力，影響船舶的航行安全。穩(wěn)妥起見，船舶應(yīng)避開復(fù)雜航段，在進入SECA前、通航環(huán)境較好的寬闊水域完成輕油平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，將主機負荷降至25~40%額定功率，待燃油轉(zhuǎn)換結(jié)束，主機負荷可緩慢增加至正常負荷。在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)做好燃油溫度、柴油機負荷、轉(zhuǎn)換時間等參數(shù)監(jiān)測，溫度變化梯度控制在2℃/min，減少溫度對柴油機性能的影響[5]。輕油的流通對管路有沖洗作用，還應(yīng)在換油前清洗濾器確保其良好狀態(tài)，換油后通過油溫、油壓等參數(shù)確認供油單元狀況，并提前對主機進行正倒車啟動試驗。船舶因換輕油操作導(dǎo)致的設(shè)備故障頻發(fā)，多由于未嚴格按照換油程序操作或未做好船用輕油管控措施而引起的。只要船上嚴格按規(guī)范流程換油，提前做好設(shè)備的應(yīng)對措施，由此引發(fā)的故障率必將大幅下降。2、性能指標優(yōu)化調(diào)整IMO2020限硫令實施以后,船舶在全球海域使用不高于0.5%/m的低硫油，相比于高硫油，燃油特性參數(shù)發(fā)生較大變化，對所使用設(shè)備也會產(chǎn)生眾多影響，并不限于柴油機、輔鍋爐等燃燒設(shè)備，其附屬設(shè)備設(shè)施同樣隨燃油參數(shù)的改變產(chǎn)生差異影響。例如，低硫油粘溫指數(shù)變化較大，粘度受溫度影響變化趨勢增加，在超過燃油某個階段的溫度上限后，可能造成燃油在管路內(nèi)部氣化或形成空泡，加速設(shè)備、閥件的內(nèi)部密封老化和損壞。所以，根據(jù)燃油參數(shù)及其粘溫曲線，需要適時對柴油機和燃油系統(tǒng)的性能指標進行優(yōu)化調(diào)整:(1)對于柴油機,適當增加啟動油門和限制油門的刻度，適當降低燃油進機溫度,以維持柴油機噴射所需粘度，如有必要可通過VIT或高壓油泵調(diào)整噴油定時;(2）對于凈化設(shè)備，尤其在使用MGO期間，應(yīng)小流量運行，必要時可串聯(lián)運行，減少泵擾動對低硫油粘度造成的影響;(3)同樣，燃油硫含量的降低，燃燒后形成的SOx隨之減少，柴油機低溫腐蝕情況明顯緩解，將缸套水溫度控制在正常值之內(nèi)的同時還可調(diào)低水溫，一般低速機缸套冷卻水的出口溫度可控制在60~70℃，其中進出口溫差不大于12℃，可減少滑油油膜的蒸發(fā)、缸套磨損和密封圈老化現(xiàn)象。[6](4）就目前多數(shù)遠洋船舶所使用的低硫油而言，包括輕質(zhì)餾分油、重質(zhì)餾分油和“調(diào)和油”，密度都會有所降低，受加熱設(shè)備、環(huán)境溫度影響，油壓在供油單元處較之前減小，這就需要根據(jù)所使用的燃油參數(shù),通過燃油增壓泵旁通閥調(diào)整燃油系統(tǒng)壓力處在正常范圍之內(nèi),保證柴油機供油、噴射等所需壓力正常，一般來說壓力范圍在0.4~0.45MPa。3、建立故障數(shù)據(jù)庫柴油機管理人員應(yīng)熟練應(yīng)用油液成分及狀態(tài)分析、異常噪音及振動分析和溫度與壓力狀態(tài)分析[7]等多種故障診斷方法，根據(jù)柴油機反饋的現(xiàn)象為依據(jù)，切忌盲目檢修，造成大量無效工作。一般柴油機手冊給出了各部件的維保時間和常見故障原因分析及解決方法，對于控制系統(tǒng)硬件故障、輔助設(shè)備故障、次要部件故障并未做具體闡述，而柴油機是一個涉及多個領(lǐng)域科學(xué)知識的復(fù)雜系統(tǒng)，一個故障狀態(tài)有可能是由多種故障原因同時引起的。在發(fā)生此前未經(jīng)歷過的異常狀況時，船員往往無從下手，則可能根據(jù)不準確的片面信息將故障分析引向歧途。日常工作中建立健全以故障狀態(tài)為基礎(chǔ)的故障數(shù)據(jù)庫，將會極大的提高故障診斷和解決速度，降低柴油機維保成本和停航時間。首先，建立單系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)庫，諸如燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、啟動和控制