某轮主机排气阀烧损事故浅析

一、排气阀损坏的原因1、从排气阀的工作环境来看在排气阀机构中,阀盘与阀座密封后与气缸、活塞头构成燃烧室。排气阀的工作条件是十分恶劣的。(1)阀面与高温燃气相接触,承受着很高的热负荷,如果不采取有效措施,排气阀温度可达650-800℃以上。(2)受到高温燃气的冲刷。排气阀打开瞬间的燃气温度可达900-1000℃,排气气流速度可超过800m/s。(3)气阀承受着很高的机械负荷,很高的气体爆发压力的作用及与阀座撞击时很大的冲击性交变载荷。(4)受到废气的侵蚀等。2、从附加因素来看由于燃油价格不断上涨,航运市场竞争激烈,船东为了降低成本来达到提高竞争能力、获得更多利润的目的,均使用低价、劣质的燃油。这种燃油在柴油机中燃烧时,渣油中所含的排放物(燃料灰份)仅仅有一部分与排出的气体一起离开机器,而剩余部分仍然留在发动机内一些高温(497-797℃)的零件上。例如，排气阀和活塞顶,形成沉积,造成所谓的“高温腐蚀”。到目前为止,还没有经济上合理的工艺过程能从渣油中除去腐蚀元素,连高级合金钢和堆焊排气阀钢也受到燃油的腐蚀。3、常见故障针对上述情况,虽然从设计、结构、材料等诸方面作了综合考虑,对维护管理提出了严格的要求。但是,排气阀仍然会产生下列故障:排气阀的燃损、密封锥面的高温腐蚀、阀面和阀杆磨损、阀面裂纹、阀头或阀杆破损、断裂、气阀的敲击、阀杆上下运动不活络、卡住气阀等。二、实例分析1、情况介绍某轮主机型号为B&W6L90GFCA,功率17400HP。该主机为直流扫气,气阀特点是带阀壳的排气阀,排气阀材料为镍铬钢。各段油温如下:油舱20℃;沉淀油柜60℃;日用油柜70-80℃;高压油泵前110℃。2、事故发生的经过该轮主机No.2缸排气阀烧损已持续二年之久。目前烧损现象越来越频繁,即使经过研磨﹑保养或厂修的备用排气阀,换上使用多套。该轮2001年3月下旬由韩国仁川港启航回国,航行了1天后开始发现主机No.2缸排温升高，一天后该缸排温高于其它各缸排温50℃以上,造成主机排温偏差大,导致发生报警和自动减速状态。3、事故发生时的现象(1）机舱可以清晰地听到漏气声和该缸发出的间断性敲击声(好似气阀烧损的碎片或其它杂物落入气缸的敲击声)。主机降速,减少机器的热负荷或者将该缸暂时停油,敲击声即消失。(2）排温升高,增压器转速上升,扫气压力提高、主机转速下降,功率减少。(3)排气阀相应的气缸盖的位置显得特别干燥,可以说连一点湿油迹也看不见。(4)排气阀阀壳下半部已变为铁锈红色,阀座有变形现象。4、排气阀烧损前后的有关参数见表15、初步判断由现象1和2可初步认定排气阀烧损，再通过现象4和5可以肯定排气阀已经严重烧损且原因与过热有关。由现象1还可以判断出有燃烧敲缸现象，问题可能出在喷油器上,具体原因不明。现象3缸套冷却水,喷油器冷却水温度升高原因不明,但通过现象4和5可知,可能也是受过热影响。究竟是什么原因使得排气阀烧损,燃烧敲缸这两种事故同时发生,而且还伴随着缸套冷却水,喷油器冷却水温度异常升高呢?问题看来十分严重。查阅该阀技术资料记录,该阀在最后一次检修后仅仅使用了803h，且在检修时已按要求发生了这么严重的烧损,必须对原因进行透彻分析,彻底解决问题。6、具体分析下面将对排气阀烧损,燃烧敲缸,缸套冷却水、喷油器冷却水温度异常升高这三个问题从理论与实际两个方面进行分析。（1）排气阀烧损从理论上讲,排气阀烧损的主要原因是排气阀密封不严造成高温燃气漏泄,使该处严重过热,进而造成排气阀的烧损。具体原因可分为化学原因和物理原因两部分。化学原因:目前在航运市场上普遍使用的劣质燃油中含有大量钒、钠和硫等元素。在燃烧过程中,硫、钒和钠等元素形成氧化硫(SO₂、SO₃)、五氧化二钒(V₂O₅)和氧化钠(Na₂O)等(这些氧化物的化学成份取决于过量氧气和燃烧温度)。氧化物之间要发生反应,而且还要与滑油中的钙反应,形成低熔点的盐类,有硫酸钠,硫酸钙和不同成份的钒酸钠等。这些盐类混合物熔点一般为535℃左右,同时具有较强的腐蚀性。当零件温度在550℃以上时,足以使钒、钠化合物处于熔化状态,附着于零件表面。当排气阀在工作中时,由于排气原因(气阀温度可达650-800℃以上),使它以液态形成沉积在阀盘及阀座以及阀杆与阀面的过渡表面上。这时即使是非常耐腐蚀的硬质合金钢也会受到腐蚀,腐蚀结果在密封锥面上形成麻点、凹坑,凹坑相连就可能造成漏气。由于上述腐蚀是高温条件下产生的,所以称之为“高温腐蚀”。物理原因:1）阀盘与阀座局部受热不均匀,使阀盘翘曲、阀座变形,导致密封不严,造成高温燃气漏泄,形成烧损。2）使用劣质燃油,燃烧不当,使得在排气阀阀盘及阀座密封锥面沉积一层混有炭粒的玻璃状物质。这些玻璃状物质性脆,当沉积厚度较大时,在闭阀时的撞击下该沉积物会产生裂纹,反复撞击后进而发展到剥落，从而形成高温产物颗粒在闭阀的撞击下,可能使密封面出现凹坑,也可能造成漏气,使气阀烧损。3）安装不良,如阀壳上得过紧,单边上紧和对中不良等,引起阀盘与阀座的变形,使高温燃气有机可乘,导致气阀的烧损。4）燃烧不当,主要是爆压过高,使阀盘与阀座弹性变形,导致气阀烧损。5）气阀间隙过大,气阀落座速度过大等使气阀与阀座撞击严重,造成阀盘与阀座弹性变形,导致气阀烧损。实际情况:1）拆卸排气阀组件,发现阀盘表面有大量燃烧残碳附着，且已出现沟槽,证明物理原因存在。即劣质燃油、燃烧不当。2）清洁阀盘及阀座积碳,发现阀盘及阀座表面有凹坑。证明有化学原因或物理原因2）两者之一,或同时存在,即高温腐蚀和劣质燃油、燃烧不当。3）测取示功图发现爆压过高,燃烧不当，证明物理原因4）存在,即燃烧不当。4）测取气阀间隙正常，且气阀机构无异常振动故气阀不会出现落座速度过大的现象,物理原因5）不存在。5）因为上次安装阀壳是由有多年工作经验的老师傅分多次对称上紧,故物理原因3）不存在。6）阀盘翘曲,阀座变形,被烧蚀处呈卵石结构,证明物理原因1）存在,即气阀局部过热。7）阀杆上下运动不活络,阀杆与导管间隙内润滑油结焦。因导管与阀杆间隙合适,故证明只能是物理原因1）存在。即气阀局部过热。综合理论分析与实际情况,不难看出,此次排气阀烧损的原因有:(a)局部过热(b)高温腐蚀(c)燃烧不当(d)使用劣质燃油。因使用劣质燃油已成事实,故下面将不再作分析。而局部过热极有可能是使用盘与阀座温度过高,导致高温腐蚀发生的直接原因,故到此即气阀局部过热与燃烧不当。究竟是什么原因使得气阀局部过热和燃烧不当呢?根据经验分析可能是气阀冷却系统故障和喷油器故障。（2）燃烧敲缸理论上分析,导致燃烧敲缸的原因有:1）燃油喷射时间过早,使平均压力增长率和最高爆发压力Pmax增高。2）喷油器的喷嘴针阀在开启位置卡住发生漏油。3）喷油器弹簧断裂而漏油。4）喷油器弹簧松动,启阀压力下降,喷油提前。5）该缸超负荷运转,喷油量过大。6）所用燃油的燃烧性能差,发火滞后。实际情况：拆下喷油器发现,油头处已结焦积炭严重，针阀在开启位置卡死。这就不难解释为何会发生燃烧敲缸和燃烧不当的现象了。喷油器为何发生如此异常的故障呢?结合现象3）可知,是喷油器冷却水温度过高导致喷油器针阀过热，引起油孔的结焦积炭和针阀卡死。但该船主机喷油器冷却水未设热交换器,冷却水系统非常简单,喷油器冷却水直接由冷却水泵从冷却水柜抽出,打进各喷油器冷却后回水柜,按此设计,喷油器冷却水温度是不可能有过大偏差的。但喷油器冷却水温度却出现了异常升高原因何在?下面将进行分析。（3）缸套水温度异常升高首先来自水方面的原因有:1）环境温度较高,如在夏季和热带海域，海水温度较高,而船舶机舱通风设备不好,使得冷却水温度升高。2）缸套水冷却器热交换效果差。3）缸套冷却水系统中水量不足。实际情况:1）环境温度无太大变化,故原因1）不成立。2)打开缸套冷却器两端锌块盖,清洁检查成立。3)每班机工均密切注意缸套水情,及时向膨胀水柜补水,检查相应管路也未发现漏泄现象,故原因3)不成立。综上所述,导致缸套冷却水温度异常升高的原因与冷却水无关,只能归咎于缸套的局部过热。（4）喷油器冷却水温度异常升高喷油器冷却水方面的原因:1)喷油器冷却水柜蒸气加热阀开度过大或锅炉汽压过大。2)喷油器冷却柜水量过少。实际情况：锅炉汽压无太大变化,蒸汽加热阀也未开大,喷油器冷却水柜水量未出现过少现象,故原因1)、原因2)均不成立。综上所述,情况只有一种:喷油器周围环境温度过高使得喷油器冷却水温度异常升高,即缸套上存在局部过热。综合排气阀烧损、燃烧敲缸及缸套冷却水，喷油器冷却水温度异常升高的原因,我们可以看出,这起事故的最终原因焦点集中在缸盖上存在着局部过热现象。问题出在了冷却方面，而且是缸盖上的冷却腔存在问题。为了彻底查明问题,我们取消了通常用压缩空气检查确认排气阀阀壳进出口冷却腔是否畅通的简易方法,而采用专用工具拉出气阀导管进行检查。结果发现,进出口冷却腔隔板与导管接合处有不同程度的腐蚀,已造成了冷却水旁通,另通往阀座的冷却水孔也都被水垢和沉淀物堵塞了。造成排气阀烧损的原因是冷却水中断。冷却水中断势必提高排气阀与阀座温度,导致气阀与阀座因温度过高发生钒、钠生成物的高温腐蚀,致使阀和阀座面上产生麻点,密封性变坏,引起漏气。当漏气严重时,火焰将从此处穿过,引起局部过热,使阀座变形、阀头翘曲和烧损。其二,直接对阀杆与导管间隙内的润滑油影响。冷却水中断后,散热不良,使气阀沉积,阀杆上下运动不活络、卡住气阀等。其三,排气阀总成的温度过高后,将导致缸盖部分冷却和温度分布不均匀,对喷油器的冷却水温度影响极大,喷油器的冷却水温度因排气阀总成温度增加而提高,导致喷油嘴针阀过热,引起油孔的结焦和积碳,甚至发生针阀卡死,致使燃烧敲缸等发生。至此,导致这起事故的原因已基本清楚,冷却水中断为最直接原因,使用劣质燃油为事实原因。三、结论(1)理论与实践证明,其气阀头部从燃气所吸收热量中有75%左右是经过阀座传导出去的,其余25%左右则主要是经气阀导管处散热出去的,因此,提高气阀工作能力必须降低气阀的热负荷,要加强阀座周围处冷却水的冷却效能,并使之尽量均匀。(2)排气阀阀壳因进出口冷却水腔旁通,冷却水孔堵塞,导致排气阀阀座过热,缸套冷却水温度过高,喷油器冷却水温度过高,是致使唢油器情况不正常,造成燃烧敲缸,排气阀烧损的原因之一。(3)对使用劣质油的大型低速柴油机船