基于某轮柴油机异常停车的故障诊断与处理分析

在现代商船中，仍以具有安全可靠性强、起动性能好、经济性好等显著优势的大型长冲程或超长冲程的低速柴油机作为船舶主机的首选形式，如MANB&WMC和SULZERRTA等类型。随着国际、地区各项法规的实施及海上事故案例的深人研究，人们对主机的可靠性、经济型、机动性、生命力和低排放等指标的要求日益提高，而船舶主机经常在各种复杂环境下运行，特别是受到负荷频变、正倒车、燃油多样性等影响，使之极易出现故障造成险情。由于科技的进步与发展，自动控制广泛应用于主机遥控、设备监测报警、温度和压力的自动调整等，自动化程度的大幅提高促使轮机管理重心发生根本性改变，由此对管理人员在理论基础与实践分析方面提出了更高要求。所以，在解决主机故障时，不能仅着眼于主机本身原因，需要结合故障现象统筹分析动力装置状态，精准查找故障堵点，并逐步建立和完善主机故障数据库，以快速查明故障、解决故障，从而保证船舶、人员安全，避免或减少对海洋环境的污染。一、故障现象某轮主机型号为5S60MC-C8，为B&W公司推出的紧凑机型，MC系列柴油机自20世纪80年代投入使用后,以其低油耗、高可靠性、易维修保养和操作的特点获得航运界和造船业界的肯定，而S-MC-C机型与此前的S-MC机型相比,增加了10%的功率输出，减少了约10%的柴油机总长度和10%的重量，广泛应用于2万至20万吨级的船舶上[1]。某轮总吨43005MT，主机功率10000kW，非限制区域使用380cst的HFO。2019年11月21日，驶入北美排放限制区域(SECA）前通过低硫油转换程序由HFO换用MGO;深夜时主机出现急停报警随即又恢复正常;10分钟后一号及二号缸排温低，主机降速。次日凌晨主机异常停车并无法启动;20分钟后更换一号及二号缸喷油器后进行试车，主机仍旧无法启动;两小时后再次试车，偶尔启动成功但一号及二号缸未发火;之后解体高压油泵，更换穿刺阀和吸入阀的内部密封件，并装复高压油泵后，通过燃油系统放气考克处进行排气，随后再次试车，成功启动主机;下午慢车航行至外海漂航，试车时又出现主机无法启动的现象。二、故障诊断与处理1、故障诊断故障诊断是故障处理的前提，在实际的诊断过程中，必须先明确故障的分类和故障的预兆[2],才能针对性的解决问题，降低船舶风险和提高检修效率。通过科学利用监控设备以及管理人员本身丰富的故障诊断知识和实践经验，可对主机运行工况与故障原因进行分析并做出准确判断，结合图1主机操纵系统原理对上述故障现象存在的几种故障原因可能性做以下分析。图1,主机操纵系统原理图(1)安保或遥控系统故障安保系统有独立于气动操纵系统的控制气源(0.7MPa)和供电系统，该气源经减压后由手动二位三通阀(16）控制，其阀后管路上连接有参数值可调的压力开关（17)，经过起稳压作用的储气瓶(125)送至故障/停车电磁阀(127）储气罐。当安保系统给出故障停车的电信号时，电磁阀127有电动作，控制空气驱动泄油阀打开，高压油泵断油而使主机停车。遥控系统对换向、起动、停机等各种逻辑控制命令进行相关的运算和判断后，送出各种信号实现电磁阀的逻辑/时序控制[3]，例如，起动电磁阀(90）将驾控起动信号送至阀(37)，实现主机起动控制;停车电磁阀(84）将驾控停车信号送至阀(38)，实现主机停油控制。此轮使用AUTOCHIEF-IV（简称AC-4）自动遥控系统，可实现主机状态监控、自动降速/停车、参数显示、启停换向等逻辑控制和操作等，具有功能丰富、使用方便、安全性高等特点。根据出现急停瞬时报警随即又恢复正常的现象，反映出安保系统或AC-4故障的可能性，如监测油压、水压、油温、水温、超速、曲轴箱油雾浓度的传感器或AC-4中某一模块/元件受震动、温度等环境影响,出现短时性故障但未触发系统对主机做出延时动作，而又自行恢复功能，此类我们常称之为“误报警”。在案例现象中，主机异常停车和无法启动时并未出现传感器和AC-4系统的异常报警，且在后续测试中可数次启动主机，说明并非因安保和遥控系统信号闭锁导致的故障发生。但在日常管理工作中，我们需熟悉安保系统传感器的安装位置与AC-4系统的自检功能，以便定期进行功能校验。(2)启动系统故障启动系统包括机械和遥控系统两部分。当主机异常停车后，不应盲目再次启动，应先根据报警信号做出判断，盘车检查主机的曲轴箱及气缸部件有无损坏、卡阻。如无问题，即可尝试机旁启动测试，此时，转换阀（100)工作于上位，遥控系统控制空气经过阀100全部泄放，“遥控”失效。控制空气通到应急起动二位三通阀(101）和应急停车二位三通阀(102）输入口处，机旁应急操纵功能生效，遥控系统受限被屏蔽，在操纵过程中使用的阀件较少、便于查找，可反复进行正倒车、换向测试。若为遥控系统故障，首先检查气控部分，包括:控制空气系统的压力,有无报警显示;主启动阀执行动作情况及其锁紧板的工作位置,启动状态时方块转轴的转动位置;空气分配器换向动作情况，确认换向气缸是否到位;高压油泵换向动作情况,确认每缸换向气缸是否到位”。其次检查电气部分，许多电子元件长期工作在高温、振动的环境中，损坏概率高，如电磁阀动作延迟或卡死、磨损加剧，此外，过电流会造成电磁阀的烧毁。启动电磁阀、正倒车电磁阀等相关电气元件能够导致的主机起动、换向信号受阻，若电磁阀通、断电情况正常,表明电气部分正常，反之则为电磁阀阀芯滑动故障或电磁阀电路问题。若为机械系统故障,应检查主启动阀、正车和倒车换向阀、空气分配器导阀和控制阀等重要阀件动作的灵活性，按具体范围进行拆检。所以，对于主机无法启动的问题受多方面影响，在管理中要加强对主机启动系统的检查和启动阀件的定期保养，对气路的检查尤其重要[5]。若主机油路没问题，仅气缸启动阀及控制阀件有问题时，应按照以上步骤迅速检查启动系统各部件状态。若主机油路有问题，则在启动时可以达到启动转速，而后不能正常运转。案例中主机故障虽表现为启动失败和启动困难，需以是否达到启动转速作为判断，且在多次启动成功后发生生异常停车现象，所以启动系统不是此故障的根源问题。(3)燃油系统故障主机的燃油系统涉及包括分油机、循环泵、滤器、加热器、高压油泵、喷油器等众多的机械设备部件，它们均可间接或直接导致主机无法启动、降速运行、转速无法升高、异常停车等故障的发生。鉴于燃油系统的重要性，布置的传感器和报警点较多，在判断其是否出现故障时，根据报警信息进行判断、查找是最便捷的方法。案例中，一号及二号缸排温低导致主机降速运行，此时可通过检查这两缸的高压油管脉动情况将故障点进行区域划分，如脉动正常则说明喷油器状态不佳;如无脉动则可判断为高压油泵或供油系统存在问题，不正确的换油操作可造成高压油泵偶件的咬死、过量磨损和供油系统堵塞等，使用专用工具能够检查高压油泵的泄油阀芯活动情况，或松开高压油泵的漏泄管路查看泄漏油量，而燃油供给系统中出现部件内、外泄漏的现象较多，通过布置在系统中的传感器及仪表判断其状态是否正常。此故障为某轮偶然发生且仅在换用MGO后出现，指示出故障与燃油的性质有重要关系，即船用轻油与重油间的物理特性差别影响主机正常运转，包括含硫量、十六烷值、粘度、密度等。在燃油系统参数正常且没有外部警报的情况下，燃油中混有空气将是导致故障发生的关键和潜在因素，含有空气的燃油顺次从一号到六号缸朝上进入高压油泵，由于油、气比重差异大，积聚在油管顶部的空气会首先进入一号和二号缸高压油泵导致其发火失败进而造成主机停车。为进一步准确验证，此轮通过燃油系统滤器处持续放气操作，结果，主机多次正倒车启动正常，未再出现异常停车现象。2、故障处理考虑到MGO发热值、比重低、启动性能差等影响，此轮进入SECA前已将主机启动油门从60%调整至68%。起初的瞬时急停报警并未造成主机停车，轮机人员疏于管理没有及时进行原因分析和相关干预,当主机降速故障后陆续对喷油器更换、启动系统检查、一号及二号高压油泵解体,在检修高压油泵时发现其中一个泄油阀芯偏磨和阀面泄漏痕迹、弹簧偏软，使得供油油量减少，影响气缸排温，但高压油泵并非故障产生的根源问题，原因分析方向的误判极易造成船舶处于险境之中。燃油系统进气的唯一途径为自动反冲洗滤器，此处使用HFO时燃油压力为0.43MPa，使用MGO时则为0.4MPa，虽均在正常参数范围内，但控制空气压力为0.42MPa，较MGO压力大0.2MPa，执行机构的内部密封不良，导致控制空气进入燃油系统。图2自动反冲洗滤器动作机构通过拆检自动反冲洗滤器动作机构，更换图2所示的老化密封圈，并将其控制空气压力调整至0.35MPa才彻底解决了主机异常停车和启动困难的故障。三、管控措施优化根据故障现象精确查找和分析其产生原因对于船舶设备管理人员至关重要，不要被表面现象所迷惑。由于上述船舶轮机人员在管理中的判断方向错误，导致耗费大量时间和精力，并对船舶和人员安全产生一定威胁。根据以上柴油机故障现象及相关处理过程，提出几点优化管控措施。1、燃油转换操作改进船舶在进入SECA前会换用合规的船用轻油，但换油过程中操作不当就容易引发设备故障，酿成险情事故。通常在恶劣海况、狭窄水域、航道和进出港等情况下不宜进行燃油转换操作，以免换油过程中出现主机降速、停车、全船失电等意外情况，降低船舶的机动性能和避碰能力，影响船舶的航行安全。稳妥起见，船舶应避开复杂航段，在进入SECA前、通航环境较好的宽阔水域完成轻油平稳转换，将主机负荷降至25~40%额定功率，待燃油转换结束，主机负荷可缓慢增加至正常负荷。在转换过程中应做好燃油温度、柴油机负荷、转换时间等参数监测，温度变化梯度控制在2℃/min，减少温度对柴油机性能的影响[5]。轻油的流通对管路有冲洗作用，还应在换油前清洗滤器确保其良好状态，换油后通过油温、油压等参数确认供油单元状况，并提前对主机进行正倒车启动试验。船舶因换轻油操作导致的设备故障频发，多由于未严格按照换油程序操作或未做好船用轻油管控措施而引起的。只要船上严格按规范流程换油，提前做好设备的应对措施，由此引发的故障率必将大幅下降。2、性能指标优化调整IMO2020限硫令实施以后,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，燃油特性参数发生较大变化，对所使用设备也会产生众多影响，并不限于柴油机、辅锅炉等燃烧设备，其附属设备设施同样随燃油参数的改变产生差异影响。例如，低硫油粘温指数变化较大，粘度受温度影响变化趋势增加，在超过燃油某个阶段的温度上限后，可能造成燃油在管路内部气化或形成空泡，加速设备、阀件的内部密封老化和损坏。所以，根据燃油参数及其粘温曲线，需要适时对柴油机和燃油系统的性能指标进行优化调整:(1)对于柴油机,适当增加启动油门和限制油门的刻度，适当降低燃油进机温度,以维持柴油机喷射所需粘度，如有必要可通过VIT或高压油泵调整喷油定时;(2）对于净化设备，尤其在使用MGO期间，应小流量运行，必要时可串联运行，减少泵扰动对低硫油粘度造成的影响;(3)同样，燃油硫含量的降低，燃烧后形成的SOx随之减少，柴油机低温腐蚀情况明显缓解，将缸套水温度控制在正常值之内的同时还可调低水温，一般低速机缸套冷却水的出口温度可控制在60~70℃，其中进出口温差不大于12℃，可减少滑油油膜的蒸发、缸套磨损和密封圈老化现象。[6](4）就目前多数远洋船舶所使用的低硫油而言，包括轻质馏分油、重质馏分油和“调和油”，密度都会有所降低，受加热设备、环境温度影响，油压在供油单元处较之前减小，这就需要根据所使用的燃油参数,通过燃油增压泵旁通阀调整燃油系统压力处在正常范围之内,保证柴油机供油、喷射等所需压力正常，一般来说压力范围在0.4~0.45MPa。3、建立故障数据库柴油机管理人员应熟练应用油液成分及状态分析、异常噪音及振动分析和温度与压力状态分析[7]等多种故障诊断方法，根据柴油机反馈的现象为依据，切忌盲目检修，造成大量无效工作。一般柴油机手册给出了各部件的维保时间和常见故障原因分析及解决方法，对于控制系统硬件故障、辅助设备故障、次要部件故障并未做具体阐述，而柴油机是一个涉及多个领域科学知识的复杂系统，一个故障状态有可能是由多种故障原因同时引起的。在发生此前未经历过的异常状况时，船员往往无从下手，则可能根据不准确的片面信息将故障分析引向歧途。日常工作中建立健全以故障状态为基础的故障数据库，将会极大的提高故障诊断和解决速度，降低柴油机维保成本和停航时间。首先，建立单系统故障数据库，诸如燃油系统、滑油系统、冷却水系统、进排气系统、启动和控制