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船舶柴油機超速案例分析


導讀

在正常運轉的情況下,柴油機突然失去控制,轉速升高,以至于超過額定轉速而不停止,發出巨大的轟鳴聲。

增壓器發出刺耳的尖叫聲,增壓壓力急速升高,排煙管冒出大量濃煙,超速不僅會造成柴油機嚴重機損事故,還有可能危及人身安全。 

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對柴油機的調速特性失控,主要是由以下兩個原因造成的:

一是供油系統故障造成對柴油機供油失去控制,致使柴油機因超量供油發生超速現象;

二是氣缸燃燒室因為其他原因造成額外的柴油或機油進入,引發超速現象。


案例介紹及原因分析

1.案例介紹

在本案例中,超速時,缸頭進排氣閥桿的上下動作與活塞的往復運動頻率已不協調,當閥桿向下運動時,活塞卻向上運動,由于超速時間較長,不協調的運動將主機第二、第三缸的進、排氣閥桿連續撞擊至折斷,斷掉的閥頭在氣缸燃燒室劇烈撞擊,最后被吹入排煙總管進入增壓器,造成了左主機No.2、No.3缸的缸頭、缸套、活塞和部分缸頭附件以及增壓器轉子的嚴重破壞性損壞。

2.管理問題

測試超速保護裝置的性能具有一定的冒險性和難度,會給操作人員造成心理上的恐懼,導致輪機管理人員在日常的工作中很少做此類試驗。

本案例故障正是由于保護動作執行不到位導致的,因此要求輪機管理人員在工作中要重點加強柴油機超速保護裝置的管理,尤其要注意:

 (1)做好調速器的日常維護,要定期進行臺架試驗并作必要的修理和調整;

 (2) 調速器和油門總桿的連接螺栓由于震動會導致松動并脫落,因此要定期檢査并收緊; 

(3) 對超速保護裝置的報警值、動作值定期檢查并調整,對裝置的效能應定期進行試驗,以上工作最好在每航次前完成,確保航行安全。

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柴油機超速的直接原因

本船左主機超速的直接誘因是調速器的動力輸出軸和柴油機的油門總桿連接處銷軸的定位螺絲脫落而致。

調速器和油門總桿脫開后,由于該機型的設計(見圖1 )原因,油門總桿處于自由狀態。 

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圖1 調速器與油門總桿連接圖

本船主機所采用的燃油高壓油泵是始點調節式(如圖2-1所示),

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圖2-1  高壓油泵

主機的高壓油泵在工作時,油泵柱塞在套筒內上下滑動,當柱塞下行打開進油口,具有較高壓力的燃油從進油口進入柱塞上端的工作腔室,并形成具有較高壓力的擾動油流。

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圖2-2  高壓油泵柱塞受力分析

在擾動中,會有一股油流沿柱塞直槽向下運動,向下的擾動油流會對柱塞體上的直槽面和工作斜面分別產生力F1和力F2(如圖2-2所示),F2會分解產生向上垂直力F2-1和水平力F2-2,力F2-2與力F1方向相反,且F1>F2-2,兩者之差會對柱塞產生一個向加油方向轉動的力矩,并拉動齒條加大供油,由于各缸油門齒條和油門總桿相連,且此時油門總桿與調速器連接斷開后處于自由狀態,使得整個油門總桿向加油方向運動,并導致主機各缸高壓油泵供油量加大,直至超速現象岀現。

在本船主機修理中,筆者曾親自進行過試驗,得出相同的結論:

在主機運行時,人為將主機的某一缸高壓油泵齒條和油門總桿斷開,使其處于自由狀態,會發現齒條會自動向加油方向運動,且速度越來越快,直至最大為止,用手把持 齒條,會明顯感覺到有一定的反拉力。

在超速保護作用正常情況下,主機的測速裝置將測得的轉速電信號輸送到PLC 控制箱的調速器控制單元,觸發保護繼電器動作,使應急停車電磁閥21得電動作→二位三通閥17動作→高壓油泵停油氣缸進入高壓空氣→高壓油泵停油→主機停車(如圖3所示)。

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圖3  超速保護動作停車原理圖

維修時,筆者親自進行超速保護動作效能測試。

發現21、17動作都正常,但主機的高壓油泵停油氣缸得到的壓縮空氣壓力過低,不能推動高壓油泵停油,致使保護失敗。 

進一步試驗檢查發現,導致執行氣源壓力過低的原因是增壓器By—pass閥泄漏壓縮空氣。

By一pass閥是增壓器的一個保護裝置,其執行機構是一個電磁閥控制的二位三通氣動閥,當主機的掃氣壓力上升到0.13 MPa或者主機轉速升高達到670rpm時,電磁閥得電,執行機構二位三通閥動作→By—pass閥動作→增壓器過高的掃氣進入廢氣道→保護增壓器內部元件,如圖4和圖5所示。

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圖4  增壓器保護系統原理圖

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圖5 增壓器及保護裝置

本船左機超速時,執行機構二位三通閥得電動作,但由于其閥芯卡死在中間位置(事后解體該閥發現:

閥芯銹蝕嚴重卡阻,腔室內存有部分海水析岀物質NaCL等鹽分),使得執行氣源由該閥的泄放口泄放, 造成氣源壓力降低,又由于該執行氣源和高壓油泵停油氣缸執行氣源同路,因而導致保護失敗。

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深層次原因剖析

眾所周知,機艙是船舶的“心臟”機艙內設備眾多,管系錯綜復雜,各系統之間既相互獨立,又相互聯系,這就要求輪機管理人員對各設備的性能、控制方式、所附帶的管系布置以及相互間的關聯性熟練掌握。

本船利用壓力供水方式供應生活日用淡水和衛生水,從能源節約方面考慮,現在絕大部分海船上衛生用水都使用海水。

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圖6  壓力式供水系統

本輪所用衛生水系統如圖6所示,衛生水泵1自海底門抽取海水并注入海水壓力柜2,隨著水面升高,壓力柜內上部的空氣逐漸被壓縮而產生壓力;

當水充到規定液面時,水泵1即停止供水,壓力柜2內的水依靠柜內上部空間被壓縮了的空氣的壓力,經管路、閥件輸送至各用水出為保證正常工作,壓力水柜頂部設有壓力表9和安全閥8,還設有壓力開關7以便自動控制水泵1的工作;

當柜內壓力低于規定的最低工作壓力時,則有壓力開關7自動起動水泵1;

當柜內壓力達到規定的最高工作壓力時,亦通過壓力開關7停止水泵1供水。

為減少壓力水柜充氣容積和補充柜內空氣 的消耗,經常通過壓縮空氣充入閥6向柜內沖入壓縮空氣。 

對衛生水系統的管理要求是:

壓力水柜要及時補氣,使其水位和壓力維持在正常范圍內。

若水位過高或過低以及壓力過高導致的水位過低等,水泵1會起動頻繁;

若壓力過低則壓力水柜中的水到不了高層甲板正常情況下,充氣閥6是截止止回閥,壓力柜2內部的海水不能進入閥6后端的壓縮空氣管路,但是當出現下列問題時,海水會倒灌入壓縮空氣管路:

(1)截止閥6垂直放置,使6失去止回的作用;(2) 截止閥6的閥頭脫落、閥頭和閥座的密封面銹蝕不密封等使閥6失去止回作用。 

在本案例中,By—pass閥的執行機構(二位三通閥) 的閥芯卡死的最直接的原因恰恰就是壓縮空氣管路內進入海水,閥芯被海水銹蝕而卡死,現場實地調查后發現,主要原因是海水壓力柜的壓縮空氣充氣閥位置設計的不合理,如圖6所示,閥6布置在壓力柜體的中下部,使得閥6及其管路一直低于海水液面,當閥6由于開、關頻繁而出現閥頭及閥座密封面磨損,將會使閥6失去止回作用。

在不需要對壓力柜進行充氣的時間段內,充氣管路內沒有壓縮空氣,壓力柜內的高壓海水將會穿過閥6進入壓縮空氣管路,由于機艙內的壓縮空氣管路網是相互聯通的,浸入的海水會順著管路網進入到各要害部件并導致腐蝕破壞。

(按照正常操作要求,空氣分配器經常檢査放殘。) 

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預防措施

(1)對壓力柜充氣閥的不合理位置進行改正,將其移到圖6的6a處;

(2)輪機管理人員要經常檢查壓力水柜的水位,及時充氣,保持水位在正常范圍內;

(3) 充氣的截止止回閥質量要可靠,應選擇耐用的不銹鋼錐形閥或針形閥;

(4) 如條件允許,將充氣閥前的一段管路改為可拆卸式軟管連接,不充氣作業時保持軟管常斷開(在后來工作的船上盡量改了);

(5)對機艙壓縮空氣管路網的各閥站分配器的放殘閥,輪機管理人員要定期操作放掉系統內的殘水。

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超速后柴油機修理注意事項

柴油機超速后,各運動部件之間原來匹配的相互運動頻率被打破,會使運動件出現撞擊、扭曲和斷裂等顯性損害以及內部裂紋等其他隱性損害。

事故后的修復工作是一項細致而又復雜的任務。

修理人員需要注意以下幾個方面:

 (1) 要對柴油機的各缸進行吊缸,徹底檢查連桿、曲軸、連桿螺栓、活塞銷軸、凸輪軸、各傳動齒輪、高壓油泵、缸頭附件等部件是否有明顯損傷,如有必要,應對以上部件進行磁粉、X-線或超聲波等探傷檢查,以確保各部件沒有任何損傷; 

(2) 解體增壓器,檢査、測量各運動件,有條件應將轉子送專業廠做動平衡試驗,發現問題及時修理; 

(3) 調速器送專業廠家解體檢修,做臺架試驗,保證調速器的良好功能;

(4) 減速齒輪箱解體檢査各齒輪的齒面、齒隙和各軸承及推力軸承的間隙; 

(5) 主機底座、齒輪箱底座、中間軸承底座的各個地腳螺栓要檢查并收緊;

(6) 進、排氣總管、分管要詳細檢查,確信無金屬殘物存在; 

(7) 潤滑油系統徹底清潔,加新滑油并進行串油,以確保系統內無任何雜質;

(8)對主機的超速保護停車、主機滑油失壓、滑油高溫、淡水失壓、淡水高溫、主軸承高溫、汽缸套溫度高溫、齒輪箱滑油低壓和高溫、中間及尾軸承高溫等各種報警和保護停車的效能進行試驗,以確保以上各功能正常; 

(9) 要制定詳細嚴格的試車大綱,逐項逐步進行,在各關鍵部位安排專人值守,發現異常立即采取措施;

(10) 在試車過程中,要多次停車檢査個運動部件的溫度和表面情況,根據檢查的情況,逐步加大試車負荷,但負荷的增加應緩慢,系泊試車時以不超過主機負荷50%為 限; 

(11)試車成功投入營運后,要限制主機負荷過高使用,每間隔一段時間,要對主機的各運動部件做詳細檢查,根據檢查情況可酌情提升主機的負荷,直至完全正常運行。 

本文原創作者系:

交通運輸部煙臺打撈局   王柏友

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來源:網絡

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