柴油机排气管发红现象的探讨

文中详细描述了LH轮主机排气管发红故障的处理过程，并对其产生的原因进行了分析、探讨，为轮机人员及机务管理人员处理该类问题提供了有益的解决思路和处理方法。一、引言在日常机务管理中，船舶主柴油机在正常航行时出现排气管发红的现象时有发生，夏季时表现最为明显。此种现象的出现，往往没有较好的处理办法，只能迫使主机降速运行。这使得船舶主机长期偏离最佳工况点，燃烧不断恶化，引起船舶长期减速航行，对船舶的正常营运，企业的经济效益构成极大影响，对船舶轮机长及公司技术保障部门的设备管理工作带来很大压力。为此，通过对一起船舶主机排气管发红故障的探讨，分析导致该故障的可能性原因，找出一般性的规律，从而采取有效消除措施，保障船舶柴油机正常运转。二、LH轮排气管发红及维修过程LH轮是一条多用途沿海万吨级散货船，主机为陕西柴油机厂的8DKM-28型柴油机，配三菱MET30SR型增压器，主机功率2,500kw，额定转速750rpm，日常运行转速630rpm，齿轮箱换向，该轮于2004年出厂投入生产。自上次修船运营一年左右时间后，船上轮机长反映主机排气管有发红现象。此时主机转速为540rpm（因排气管发红不敢再提高主机转速），主机最高排温为375℃，排气总管温度已达650℃（点温计测量）左右，增压器前温度600℃左右，增压器后温度已高温损坏，扫气温度55℃左右，压缩压力较均匀，爆压较以前稍低（在630rpm时正常爆压为12.5MPa左右），各缸供油格数不均匀。轮机长组织人员进行了修理，更换了NO.1.2.3缸高压油泵柱塞套筒，对喷油正时进行了校正，对喷油嘴也进行了更换，但效果不佳。柴油机参数见表1。主管机务员在实船查看后，与轮机长一起，进行了认真分析。认为可能的原因是燃烧不完全，后燃严重引起，也不排除排气不畅，负荷过高导致。为此，提出了从外部负荷、螺旋桨、废气通道、锅炉及柴油机技术参数入手解决此问题的方案：（1）高压油泵柱塞套筒内漏严重者换新。（2）各缸喷油定时重新校对。（3）气阀间隙重新调整。（4）检查废气锅炉排烟通道。（5）再次检查压缩压力。（6）航行途中是否有渔网缠桨现象。（7）各缸喷油器拆检。在锚泊期间，船上人员对以上7项要求进行了落实，更换了NO4，NO6高压油泵柱塞套筒；对各缸喷油定时进行重新校对，其中NO.4，NO.8缸喷油正时偏小5度左右，恢复正常；气阀间隙重新调整正常；废气锅炉排烟通道检查正常，烟门通道无堵塞现象；检查压缩压力无变化；空船调整吃水差，目测螺旋桨无明显缠桨现象；各缸喷油器拆检，普遍雾化不良，换新油头。经此次锚地修理后，主机转速为570rpm，排气管发红现象未见消退，其参数见表2。从几个航次的运行情况看来，主机工况没有根本性好转，负荷大时排气管发红非常明显，没有消退的迹象。根据前述思路决定再对以下几项进行检修：（1）增压器解体保养，经专业人员解体保养认为，该增压器结碳较严重，清洁，更换轴承，测量间隙正常，装复。（2）主机中冷器清洗，由船员清洗完成，目测表面清洁。（3）对有怀疑的几个缸执行吊缸。（在航行空隙，船员已对NO.4，5缸进行吊缸检查，轮机长认为没有问题，已不需再吊缸）（4）请柴油机技术人员上船对主机凸轮轴定时等进行仔细检查，所有数据都在正常范围，没有异常。经此修理后，主机工况有所好转，转速上升，排气管发红现象稍退，主机转速达600rpm，其工况参数见表3。但好景不长，经2个航次的运行后主机工况出现了反复。主机各缸排温达到400℃左右，排气总管温度接近650℃，排气管烧的通红（此时船上已无心系统检测各参数，岸基要求回港修理）。在回宁波港途中主机工况急剧下降，主机大冒黑烟、排气管通红。主机只能维持在低转速运行，最终出现主机无法合排工作，船舶停航修理。与此同时岸基技术部门通过各种渠道对8DKM28柴油机的故障进行咨询，厂家认为系柴油机负荷过重引起，万吨级船舶配2,500kw柴油机似有小马拉大车之感，应使柴油机各参数调整至最佳状态，确保轴系齿轮箱螺旋桨运转良好；厂家反映目前新出厂的8DKM28柴油机配VTR304-P11型增压器较多。岸基技术部门通过各种渠道对使用8DK28柴油机的一些船东了解情况，他们都认为该柴油机配MET30SR型增压器排气管确有发红现象，工况不断恶化，当改为VTR304-P11型增压器后排气管发红现象消失。经现场了解及对有关参数的分析，参考各方经验，认为此次停航修理工作还是按照前述原则，但由航修人员进行专业维修，内容如下：（1）派潜水员下海检查螺旋桨情况（正常）。（2）齿轮箱上三位四通操纵阀拆出清洗，控制空气和油压系统检查。（正常）（3）齿轮箱由专业人员检查试验正常。（4）主机曲拐箱内部检查正常。（5）调速器拆下由专业厂检修校验。（正常）（6）高压油泵检查，NO5缸柱塞套筒换新。（7）燃油系统检查，喷油定时多次校验，NO4缸滞后8°；NO1，2，3，5，6缸滞后3-4°，所有缸恢复至13~14°（8）喷油器检查，NO4缸油头换新。经以上航修后，从主机试航的情况看来主机工况较停航修理前好转，其反应如下：（1）主机空载转速400rpm时工况尚可，有些黑烟。（2）主机空载加速至480rpm时黑烟加重，排气管烧红，可见没有彻底解决问题，其参数见表4。从主机试航体现的参数看来，主机已能合排，多数缸压缩压力有所下降，曲拐箱透气正常，排温偏高，排气管有烧红现象，目前未达到正常运行工况，通过多方分析，岸基认为排气管烧红可能与增压器有关，但主机合排困难主要是主机本身的问题，岸基决定先解决主机的自身问题再实施增压器改造，决定对主机的NO.2，4，5，7，8缸进行缸头检查，空冷器吊厂清洗。从缸头检查结果看来各气阀及阀座麻点很多，但无烧蚀现象，气阀重新研磨组装，盘车检查缸套表面正常、无拉痕；中冷器吊出，观察表面清洁，吊厂清洗，内部有煤灰等脏物，彻底清洗妥，主机装妥试车，其概况如下：主机使用轻油，船舶在空载的情况下，主机转速为580rpm，排气总管发红现象消失，主机仍冒中低度黑烟，燃烧不很完善，参数见表5。根据主机的运行工况，岸基查阅了该轮主机的历史运行参数，认为主机目前的工况与以前运行工况相近，主机基本满足运行要求，鉴于该台主机的现状，参考相关船舶增压器改造效果，决定更换增压器，以VTR304-P型增压器替代MET30SR型增压器。随后该轮实施了增压器改造，从改造结果反映该轮主机扫气压力升高明显，排温下降，排气管发红现象消除，经多个航次运行检测，主机工况良好，至此该轮排气管发红故障消除。主机630rpm，船舶重载时测得工况参数见表6。三、故障分析探讨这次事故是从排气管发红开始，在较短的时间内主机工况急剧恶化，以致不能合排工作，给机务管理人员对故障判断带来困难，如：（1）主机排气管发红，但各缸排温不高，查各缸排温表正常，翻阅历史记录，正常排温一般320℃左右，据船员反应该主机各缸排温超360℃，排气管必发红，此种现象可能一直存在，由于排气管绝热包扎较好，无法发发现。这种现象的出现，作为机务管理人员不会贸然肯定是增压器的问题，一直遵循常规的分析方法处理问题。（2）柴油机燃烧恶化的势头迅猛，主机排气管发红现象同主机不能合排故障交织在一起，使得故障处理复杂化。当时船舶工况已严重恶化，慢车抵港抛锚待靠，在第二天起锚靠泊时发现主机不能合排，由拖轮助泊靠妥，岸基人员上船了解情况，轮机长解释说明由于排气管发红现象的存在，船舶轮机人员一直在寻找原因，并对气缸密封性，中冷器的清洁，气阀间隙，喷油正时等各项进行检查并认为正常，当时曾把主机进气道门打开，增压器解体检查涡轮叶片正常，喷咀环正常，锅炉废气旁通，主机空车正常，一合排主机就达不到最低稳定转，并大量地冒黑烟，安全阀起跳，油门格数在调速器作用下拉到最大位置，在排除了螺旋桨和齿轮箱的故障后，唯一可怀疑的应是柴油机本身，并认为主机不能合排是主机本身的问题，排气管发红应与增压器有关，决定对气缸密封性，中冷器的清洁，气阀间隙，喷油正时等各项由专业技术人员重新检查，从以上的检查中可发现各参数有较大出入，柴油机各参数恢复后，主机工况回复，随后进行了增压器改造。LH轮排气管发红维修，涉及面广，时间跨度大。相关管理部门投入了大量的人力物力，相关管理人员压力巨大，从发现到处理结束历时约二个月。此次设备修理事故的处理，轮机人员及机务管理人员能得到很多经验教训，值得相关人员深入思考和借鉴。在正常的情况下，排气管中的废气能量由二部分组成，即废气的动能与势能，废气在各缸排气口排出时速度很快，动能很高而势能相对较低。而在排气总管中，废气的流动速度已大大降低，其部份能量已转变为废气的势能，这就解释了各缸的排气温度没有增压器前温度高的一般原因，虽然柴油机的排气总管温度略高于各缸排气温度，但排气管发红现象是不应出现的。在特殊情况下，排气管出现发红现象，原因可归类为以下方面：首先，废气锅炉与增压器的废气通道有脏堵现象，废气流动困难，大部份能量转变为废气的势能，相对来说排气总管的温度会升高，排气总管温度升高的同时排气背压也升高，即各缸排气背压升高排气不畅甚至废气倒灌，必有各缸排气温度升高，定期清洗增压器及疏通锅炉的废气端往往能有效地降低排气温度，此次事故检修过程中排除了这方面的原因；其次，受螺旋桨、轴系及齿轮箱等外部因素的影响，使得主机排气管发红，此次事故检修过程中也排除了这方面的因素；再次，可燃气体在燃烧室里没有得到充分燃烧就排放到排气总管中，势必会引起燃气在排气总管中燃烧，直接导致排气总管温度急剧上升。这种情况也可分为三个方面来考虑，一者由于燃油系统出现故障，如喷油器雾化不良，高压油泵泄漏严重喷油滞后等等；二者是由于新鲜空气供应不足引起，如增压器效率差，中冷器脏堵，气阀正时变化，扫气背压高，气阀间隙过大等等到原因引起，三者是气缸密封性不良导致的燃烧恶化，也会导致排气管温度升高。从这三点入手基本上可解决排气管发红故障。在此次事故的处理中，基本上也是遵循以上的分析，并进行实施，最后认为是增压器的进气量不足引起。一个比较合理的解释是：该轮主机在选配时存在负荷偏重现象，导致主机降速航行，使得该轮主机一直处于部分负荷下工作，在该运行区间，MET-30SR型增压器供气量稍显不足，燃油燃烧不完全，一部分燃油的燃烧并非直接作功，而是在排气管中继续燃烧，引起排气管发红，排温较高；而VTR-304P11型增压器本身也是8DKM-28柴油机选配型号，其在部分工况下更能显示出良好的供气性能，从更换后的主机性能反映，充分地印证了这一解释，效果相当明显，随着增压器扫气压力的提高，主机进气量明显增多，从而减少了燃烧不完全现象，后燃得到控制，主机排气管发红现象消失，排温降低，在后续的观察中也发