船舶柴油机润滑油受燃油稀释问题的监测实例分析

润滑油受燃油稀释又称润滑系统中混入燃油，是船舶柴油机使用过程中的常见问题，一般是由于燃油系统故障所致。它对柴油机运行具有以下危害：①会使润滑油黏度大为降低，影响摩擦副部位油膜正常建立，导致磨损加剧；②加大曲轴箱油雾蒸汽聚集，产生安全风险。鉴于这些不良后果，润滑油受燃油稀释问题一直是船舶设备状态监测部门重要监测内容之一，一般通过分析润滑油黏度和闪点是否存在明显下降即可对问题给予诊断确认。据初步统计，润滑油受燃油稀释问题大约占油液监测故障隐患25%左右。问题产生基本来源于燃油系统故障，但故障原因和故障机理具有多种情况。为了促进各方人员对这一问题的深入认识，本文拟系统分析润滑系统中混入燃油的途径，并梳理我单位近些年监测发现的故障实例，分析原因，探讨机理，总结经验，以便更好地指导故障隐患排查。一、柴油机润滑系统中混入燃油主要途径柴油机燃油系统主要由输油泵、滤清器、喷油泵、喷油器及附属管路组成。为了全面分析润滑系统中混入燃油途径，应围绕柴油机燃油系统组成逐个寻找燃油系统与润滑系统的可能交汇点。（1）输油泵。输油泵的作用是将油柜中的燃油提高到一定压力，保证连续不断地向喷油泵输送足够的燃油。该泵结构形式以齿轮式或柱塞式为主。其中，齿轮式输油泵驱动轴有自紧油封和卡环，油封故障有可能导致燃油在驱动轴输入端处泄漏。柱塞式输油泵通过泵柱塞下端的传动杆、从动部件滚轮、凸轮和弹簧的相互作用，使柱塞在泵体中产生往复运动，进而实现燃油输送。滚轮和凸轮轴部位采用润滑油润滑。传动杆与泵体之间，以及滚轮座与泵体之间，若间隙过大，燃油有可能流入输油泵的凸轮处，进而混入润滑系统，污染润滑油。[1]（2）滤清器。滤清器用于清除燃油中的机械杂质和水分。该组成部件与滑油系统虽不存在交汇点，但需要注意的是：滤清器故障产生的过滤失效，会导致机械杂质流入喷油泵、喷油器，导致精密偶件过早磨损，进而引发燃油泄漏故障。（3）喷油泵。喷油泵多为柱塞式高压油泵，柱塞高压油泵又分为单体柱塞泵和整体多柱塞泵。单体柱塞泵或整体多柱塞泵单元的基本结构形式为：上部为由柱塞偶件、出油阀偶件等组成的燃油通道部分，下部为由弹簧、从动件、凸轮组成的传动部分，传动部分采用润滑油进行润滑，与润滑系统相通。燃油通道部分故障有可能导致燃油渗漏至传动部分，进而造成燃油混入到润滑系统。常见原因主要有：柱塞偶件磨损过大，高压燃油通过柱塞偶件之间的间隙向凸轮腔部位泄漏；柱塞套密封件老化，导致燃油流入凸轮腔部位。（4）喷油器。喷油器作用是将喷油泵提供的燃油按一定的方向并以良好的雾化质量喷入燃烧室与高压高温空气形成混合气。喷油器本身与润滑系统并不直接相通，但喷油器故障会造成未燃烧燃油通过燃烧室流入曲轴箱，进而混入到润滑油中。故障原因具有多种情况：①喷油器针阀偶件磨损造成配合间隙增大；②喷油器调压弹簧在使用中出现弹力减弱导致喷油压力降低；③积碳过多造成针阀与阀座卡滞。上述情况属于部件使用中正常老化问题，若机器使用时间过长而不及时开展维护保养，最终会出现故障。5）管路。燃油系统各组件通过管路相连。管路及接头(特别是高压油管段)在使用中受管内脉动压力及机械振动影响，会出现疲劳裂纹或接头松动情况，进而引发燃油渗漏。渗漏的燃油有可能流入柴油机其它系统部件，混入到润滑系统中。二、典型故障实例分析虽然润滑系统中混入燃油具有多种途径，但梳理我单位近些年案例，可发现问题基本集中在喷油器和喷油泵2大部位，而故障现象和原因呈现多种情况。1、喷油器故障实例1）实例1：某交通船主机喷油器故障。该船主机为2台16缸高速柴油机。在日常保养中，船员感觉2号主机润滑油相比以往变稀，遂将润滑油样品送检。经监测分析，2号主机润滑油水分质量分数正常，但100℃运动黏度仅为7.7mm/s²，黏度变化率远超出20％控制范围（该润滑油新油100℃运动黏度范围为12.5～14.5mm/s²）。判断该机润滑油可能受到燃油稀释，建议进行检查。拆检发现2号主机的16个喷油器中有9个存在油头滴油现象，且在调试台上检查喷油雾化情况时均有明显的雾化不良问题。本案例属于典型的喷油器使用老化故障，其原因基本为针阀体的密封锥面出现磨损或斑点，导致锥面密封不严。锥面出现磨损或斑点一般为多种因素作用结果：针阀锥面频繁受阀体强烈冲击影响；高压燃油空泡穴蚀作用；燃油中微小颗粒或积碳引发的磨粒磨损。2）实例2：某船发电柴油机冒灰白烟故障。某船船员发现该船2号发电柴油机使用中冒灰白烟。在发现这一不良现象后，船员立即停机检查，并取润滑油送检。监测发现该副机润滑油100℃运动黏度仅为6.3mm/s²，闭口闪点仅有126.1℃，黏度和闪点均低于柴油机换油指标要求。根据船员所述情况及监测结果，判断该柴油机极有可能存在个别缸不发火，导致大量燃油混入到润滑系统中。后来船员反馈该柴油机有1缸喷油器因针阀卡滞故障无法正常喷射雾化燃油。柴油机排气中出现灰白色，意味着有燃油蒸气存在，据此可确认柴油机存在个别缸不能正常发火燃烧情况。喷油器针阀卡滞多为针阀变形、腐蚀或进入异物，冷却不足所致。它会造成喷油器不能正常喷射雾化燃油，燃油无法燃烧，部分燃油通过气缸流入曲轴箱与润滑油相混合，部分燃油通过排气管道和烟囱排出。3）实例3：某船柴油主机冒黑烟故障。某船完成厂修后不久，船员在海上航渡过程中发现1号主机排烟严重偏黑，主机润滑油压力低于之前正常值。检查主机排温、淡水温度、润滑油温度均处于正常数值范围，未发现超负荷现象。该船靠码头后，怠速工作状态下主机出现润滑油压力低报警。停车检查，发现曲轴箱润滑油液位增高，润滑油存在黏度变低现象。为了明确问题，船员送润滑油样品监测，结果发现润滑油100℃运动黏度仅为7.6mm/s²。鉴于黏度下降严重，且润滑油使用时间仅为30h，并结合船员反映现场使用情况，可判断润滑系统中混入了大量燃油，怀疑该机存在严重喷油雾化不良问题，建议立即检查。船员反馈：拆卸12个喷油器进行喷油雾化检查，结果发现A排第3缸、B排第2缸和第5缸喷油器存在明显雾化问题，且具有明显滴油现象。该案例情况与案例1类似，但也存在差异：①船员在使用中已注意到排气冒黑烟问题，这是柴油机燃烧不充分基本标志（未能燃烧的碳元素形成了游离碳悬浮在燃气中，形成肉眼所见黑烟）；②在完成厂修和更换滑油不久，润滑油黏度下降极为明显，表明燃油泄漏速率较大，喷油器雾化不良问题远比案例1严重；③故障中还存在润滑油压力低的问题，说明润滑系统存在故障问题，但该问题是否为独立故障或与燃油系统关联，船员并未反映有关信息。4）实例4：某船主机喷油器非正常漏燃油。在对某船3号主机监测中发现存在黏度和闪点明显偏低问题（100℃运动黏度为8.7mm/s²，闭口闪点为138.1℃），怀疑润滑系统混入燃油，建议排查燃油系统故障。该主机为V型16缸高速柴油机，拆检发现B排8缸喷油器存在非正常漏燃油情况。漏油点位于喷油嘴靠近压紧螺母附近，喷油器泵水试验现场如图1所示。该问题属于非典型喷油器故障。据初步分析，问题出现可能与喷油嘴制造缺陷有关，缺陷部位在冲击振动和热应力长期作用下出现疲劳裂纹，导致高压燃油从裂纹处漏出，进而通过气缸混入润滑系统中。2、喷油泵故障实例1）实例5：套筒与泵体间密封件失效。在对某拖船定期监测中发现3号柴油机存在明显润滑系统中混入燃油问题（100℃运动黏度为7.6mm/s²，闭口闪点为148.1℃），建议排查燃油系统故障。船方对结果存在疑问，更换润滑油后再次监测，发现该机仍然存在问题。后拆检发现高压油泵中有1个单元柱塞套筒密封件严重失效，导致燃油从套筒与泵体间隙流入凸轮腔中。该问题属于高压油泵常见老化故障。2）实例6：输油泵机械密封弹簧失效。输油泵又称供给泵或手摇泵，该部位密封失效也会引发润滑系统中混入燃油的问题。在对某勤务船定期监测中发现1号发电柴油机存在润滑油系统混入燃油问题（100℃运动黏度为7.6mm/s²，闭口闪点为148.1℃），建议排查燃油系统故障。后拆检发现高压油泵输油泵部位机械密封弹簧断裂，导致密封失效，促使燃油从密封失效部位混入凸轮腔中。本例虽与实例5一样同为密封失效，但发生故障的部位较为少见，属非典型问题。3）实例7：产品质量问题引发喷油泵故障。在实际监测中，除密封失效问题外，我们还发现因喷油泵产品质量问题引发的燃油泄漏至润滑系统中的案例。某船主机喷油泵为单体式柱塞泵，在定期监测中发现100℃运动黏度为9.7mm/s²，闭口闪点为154.1℃，黏度和闪点均明显低于同型其它3台主机，且黏度已达到换油指标要求。建议排查问题原因，并更换润滑油。修理人员拆检发现有1缸柱塞泵存在异常：柱塞泵有一工艺孔未按要求进行封堵，在对该泵进行泵水检查时有水柱从工艺孔中流出，喷油泵泵水试验现场如图2所示。该故障明显属于产品质量问题，自柴油机交付使用以来该问题就一直存在。由于润滑油循环油舱容量较大（大约10t），加上保修期过后更换过润滑油，在使用2年后才逐步发现这一问题。4）实例8：系统设计不当引发使用问题。某船2台发电柴油机为6缸直列式柴油机，所用高压油泵为整体多柱塞油泵。在定期监测中发现2台柴油机润滑油均存在黏度和闪点偏低问题（100℃运动黏度均为9.9mm/s²，闭口闪点分别为166.0℃、164.1℃）。在排查燃油系统中发现，2台柴油机高压油泵润滑油回油管路中均有燃油流出，认为高压泵存在故障，2台柴油机均更换了新高压油泵和润滑油。然而，修后2次监测再次发现这2台柴油机润滑油黏度持续偏低，并逐步达到换油标准，且在2台柴油机高压油泵润滑油回油管路中依旧发现有燃油流出。同样的问题在同型另一艘船也曾出现过。起初怀疑是高压油泵批次性产品质量问题，遂将近期润滑油监测中发现的润滑系统中混入燃油问题进行梳理，结果又发现某船3台同型号发电柴油机也存在相同问题。该型柴油机高压油泵为进口的国外著名品牌高压油泵，较少出现产品质量问题，柴油机厂家对此故障高度重视，派技术人员赴设备现场勘验，并将问题高压油泵送回厂分析。经分析，初步认为日用燃油柜安装过高是导致问题产生的基本原因。据厂家介绍，该型高压油泵有一使用要求，即日用燃油柜安装高度不超过油泵位置1.5m，而这些船日用燃油柜均远超过这一限值，部分船燃油柜最高使用液面超过油泵位置5m。从理论上讲，日用燃油柜相对高压油泵高度直接决定了高压油泵燃油腔相对凸轮腔静态压力差，过大的压力差可能造成燃油突破密封限制渗漏至凸轮腔，进而混入到润滑系统中。为了验证这一问题，厂家以问题高压油泵为对象开展模拟试验，将试验油柜升高至船舶现场高度，检查发现润滑油回油管路中确实有燃油漏出，而在规定高度内却不会有这一现象。柴油机厂家已将问题和试验情况向该品牌喷油泵制造商反馈，寻求技术支持，然而截至发稿之日，尚未得到明确答复。三、经验与体会1、多故障特征融合是实现故障定位分析主要途径相比柴油机磨损状态分析而言，通过监测润滑油的黏度和闪点变化来分析是否存在润滑系统中混入燃油问题，分析过程直观明确，结果可信度较高。然而，发现问题仅是故障排查起点，能否快速排查到故障点则是提高装备修理效益的关键。在以上实例分析中，排烟异常是喷油器故障常见特征，这也进一步证明：燃油系统故障会产生多种物理特征，可考虑融合其它物理特征实现故障定位分析。实质上，除排烟外，燃油系统故障会影响各缸排温和爆压，还会导致柴油机瞬时转速产生非正常波动，甚至柴油机各缸燃烧室附近的振动响应也可能会出现异常。因此，可结合热工参数监测或振动监测分析燃油系统故障。例如，在油液监测时发现润滑系统中混入燃油问题后，若发现柴油机排烟颜色异常，可基本确认喷油器存在故障，进一步分析各缸排温之间是否存在明显差异，排温偏低的气缸极有可能是喷油器出现故障。需要说明的是，目前仅大型船舶柴油主机配有各缸排温在线测量系统，多数发电柴油机及小型船舶主机基本上没有这一系统，此时可通过测量各缸爆压差异来确认问题气缸。此外，还可考虑通过瞬时转速测量技术，对比分析各缸燃烧膨胀冲程阶段转速波动情况，进而达到相同目的。2、全面掌握机器使用信息对故障分析尤为重要为了对故障问题做出科学准确判断，监测人员在发现润滑油黏度和闪点异常后，应第一时间与装备管理人员取得联系，了解装备使用情况，同时调阅历史监测资料，必要时赴现场勘察和测量，尽可能全面掌握机器有用信息。①要获取柴油机润滑油使用信息。综合润滑油使用时间长短和润滑油黏度和闪点数据，可估计燃油渗漏至润滑系统中的速率，进而确认故障严重程度和分析可能故障部位。②向船员询问机器使用中是否存在其它故障征兆，如排烟颜色、各缸排温、燃油系统压力、滑油压力等。正如前文所述，根据这些热工参数故障特征往往就能明确故障部位。③调阅历史监测报告和典型案例，了解以往监测情况和常见故障原因。通过前后数据比对，可掌握故障发展趋势，进而合理判断故障性质。根据具有相同故障特征同型柴油机典型案例，可明确故障问题分析导向。④必要时考虑赴现场开展其它技术手段测量。特别是对于发电柴油机，热工参数在线监测项目较少，可考虑采用瞬时转速测量辅助燃油系统故障分析。3、故障隐患持续跟踪监测不可或缺润滑系统混入燃油问题具有多种故障可能性，工作中有可能会遇到多种可能同时存在情况，这往往需要通过多次监测才能有效排除所有故障。例如，某船主机燃油系统存在喷油器雾化不良并伴有高压油泵燃油回油总管堵塞的故障现象，先是发现喷油器故障，而后经多次跟踪监测，才发现油泵