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關于ME-B主機敲缸事故的分析處理及思考

時間:2018/6/21 9:42:22 點擊:

  內容提示:從主機敲缸著手,到發現缸套異常磨損,到發現清潔環更換依據,沒有滿足于敲缸問題解決,而是一路思考,一個個問號帶著知識和責任,對于如何設定汽缸油注油率提出了自己的觀點:注油率的設定要考慮摩擦副狀況,尤其是接近保養周期后期。...
本文轉自機務之家,原作者:機器人kk(昵稱),由資深機務李亞林編輯。

作者從主機敲缸著手,到發現缸套異常磨損,到發現清潔環更換依據,沒有滿足于敲缸問題解決,而是一路思考,一個個問號帶著知識和責任,對于如何設定汽缸油注油率提出了自己的觀點:注油率的設定要考慮摩擦副狀況,尤其是接近保養周期后期。再先進的設備,都離不開人的精心管理。難得的是,作者沒有簡單加大汽缸油了事,保障安全的同時,不忘控制運營成本,值得輪機人員學習!

本輪主機型號:MAKITA - MITSUI - MAN B&W 6S46MEB 8.3 出廠時間 2015年初,至2017年11月運轉時間剛好到12000hrs保養期限,于是靠泊期間首次對NO.2cyl.吊缸檢查,同時保養多缸油頭。開航不久,在104rpm時發現NO.6 cyl.上部有敲擊聲,聲音不太大,在集控室無法聽到,減速后聲音消失,90rpm左右可清晰判斷敲擊聲發生在上止點附近(噴油過程中),而且敲擊聲不連續,時有時無,主機各項參數正常。轉速加到80多以上又開始斷續敲擊,保持90rpm運轉。因為即將進入SECA區,次日主機HFO轉換DO。換油后NO.1 / 3 / 6cyl.多缸發生敲擊,聲音特征一樣,負荷波動時多缸幾乎同時發生也同時停止,似乎有傳遞性。降速到74rpm(harbor speed)敲擊聲消失。以上為故障大概情況,其后本輪機艙人員展開了一系列的摸索與排查,過程略有冗雜,看官權當一篇流水賬看吧。


因為敲擊并不持續且毫無規律可循,不能靠單缸斷油來判斷機械敲缸或者燃燒敲缸。且本輪配備的主機操作系統為OFF-LINE PMI system,不能在敲擊發生的時候捕捉燃燒參數,已有數據顯示一切正常:壓縮、爆發壓力以及排溫均在正常范圍。因為公司多條姊妹船出現過因排氣閥導套積碳卡阻而敲缸,故初步懷疑為同一故障,計劃下一港解體清潔兩個排氣閥。咨詢廠家后,認真對照填寫廠家發來的關于排氣閥的checklist,之后廠家免費供應9套改良短導套并在12月中旬供船。收到新備件當即又解體NO.1 / 6cyl.兩個排氣閥。為了對比效果,將NO.1換新導套,NO.6 cyl.只解體清潔,重點檢查清潔閥桿和導套內側。在拆裝過程中發現導套內壁和閥桿上有積碳并有摩擦痕跡,欣喜地以為找到了問題的根源。可是天不遂人愿,開航后這兩缸繼續敲擊,不久以后NO.2 / 4 / 5cyl.也不同程度的開始敲擊!!

2018年1月初計劃靠泊檢修NO.1cyl(主機運轉時間12750hrs),因為碼頭風浪大被當局制止,保養計劃順延。在港期間檢查主機各定時、曲軸轉角信號、NO.1cyl上止點位置、鏈條張緊力以及固定件螺栓預緊力;測量拐當差及導板間隙,各項參數均在正常范圍;對敲缸的油頭重新解體試驗。開航后各缸依舊敲擊,開航中途NO.1cyl 排溫上升到380℃,降速也未有明顯效果。降速準備停航檢修時NO.2cyl 突然發生爆燃現象,降速后加車依舊爆燃,油管脈動微弱,懷疑是油頭卡死在開啟位置,決定NO.1 / 2cyl.油頭一起更換。拆下的四個油頭未清潔直接上臺架試驗,噴油壓力略低,稍微滴漏,并未發現NO.2cyl的油頭卡死。打開掃氣總管檢查發現這兩個缸掃氣口附近較其他缸臟,并且掃氣口高度對應機架兩側墻壁有特別多黑色油泥。NO.2cyl活塞頭部以及缸套下部大量重油聚集,幸虧及時停車否則有掃氣箱著火的危險!油頭更換完畢繼續航行,NO.1cyl排溫立即降了二十多度,不過依舊敲擊。這一次偶然事件將焦點轉移到油頭上,是否可能因為油頭性能下降導致燃燒敲缸?船上14套備用油頭挨個試驗也沒有拼湊到幾個適合備用的,于是又開始了半個月的油頭研磨與配對工作。對于Slide type fuel valve 我們能做的工作有限:各個球面接頭研磨、nozzle 清通檢查噴孔直徑、sliding surface 簡單的拋光保證能在spindle guide中自由活動等等。即使如此也沒有組合出幾個好用的油頭:要么滴漏,要么彈簧彈力不足需要添加多個墊片。廠家宣稱的這種油頭壽命在16000hrs以上,為何這么快就失效?


在此起彼伏的敲缸聲中抵達北美,靠泊后馬上安排吊出NO.1cyl.活塞,缸內情況比想象中的要嚴重:第一道環卡死,搭口掛住氣口斷掉一截,第一道環(CPR CL top ring)的CL(control leakage)槽全部磨平了;下面的三道環卡死;活塞頂部存油,整個活塞側壁全是重油;缸套下部氣口附近和上部注油嘴附近有大量圓周分布黑色漆膜,缸套整體發黃偏干,上部大量縱向拉痕以及多處表面干燥光亮;缸套和活塞環的測量結果可想而知,缸套最大內徑增量3.0mm以上,第一道環上止點對應位置缸套出現1mm多的凸臺(wear ridge),活塞環也磨損超標。鑒于最近的油頭表現,初步結論是燃燒惡化導致急劇磨損,正好運轉時間已經達到13330hrs,超過廠家推薦的保養周期(10000-12000hrs)按照磨損理論,此時機器已經進入急劇磨損期。因為測量結果異常,才想起來對比兩個多月以前的NO.2cyl數據,其缸套最大內徑增量0.7mm,能看到微小凸臺,有可能量缸表校正失誤,實際值也許更大。現在來不及追溯NO.2cyl參數準確性了,畢竟運轉時間相差1000多小時,沒太多參考意義,對于上述情況我們更愿意相信是偶然性。當務之急是在最短的時間內檢修其他幾缸,所以沒有處理NO.1cyl的wear ridge。
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惴惴不安的開始了新的航程,NO.1cyl突然安靜了很多,大多數的時候需要聽診棒才能聽到里面的聲音,很明顯保養時動過的部分和敲擊有關:首先排除了凸臺撞擊的可能性(凸臺仍在,新環高度、徑向厚度均變大,更容易撞擊到才對);可能是舊環在上部發生“collapse(壓入)現象”(環背壓力建立太慢,燃燒時高壓氣體將環壓入環槽,低壓時又彈出而發出的響聲),發生collapse原因一般是:環槽積碳;天地間隙太小;環卡死;環氣密性下降),拆解NO.1cyl的情況完全符合這些條件。


四天以后抵達中美洲,繼續檢查下一個敲擊刺頭NO.3cyl。一邊為長航次設備安全擔憂,一邊為即將揭開故障神秘面紗而興奮,稍稍地減輕了北緯11°的酷熱。NO.3cyl.的情況也不容樂觀:最大內徑增量3.0mm以上,凸臺,top ring CL槽磨掉兩個,下面有一道環卡死。因為時間問題,依舊沒有對凸臺作出處理。在運轉一段時間以后的檢查中,發現第一道環的上半部分Alu-coat 成塊狀脫落。為了防止磨臺繼續擴大,只能返工,將NO.1 / 2 / 3cyl三個缸的凸臺用砂輪磨平(研磨方式可以參考說明書)。在后來的短航次中磨去凸臺的缸還是敲擊,可見不是活塞環撞擊凸臺發出響聲。不過是否因為環的collapse,有待進一步證實。 
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該機型配有Piston cleaning ring清潔活塞的Top land。在缸套內徑測量的第五點標有“PC”標記,以這一點的磨損量作為更換PC環的依據,說明書尤其提到當發現活塞頭部和PC環有金屬接觸時,請檢查活塞裙磨損情況,其他并未做太多解釋。當初看到這個規定時很疑惑:上面摩擦和下面有什么關系?為什么根據第五點磨損量來選擇PC環尺寸?后來對照各測量點位置發現,第五點位置就是活塞在上止點時裙部承磨環對應的位置。在第三次吊缸的時候特別注意活塞跨過上止點換向的運動軌跡,發現活塞總會貼著缸壁一側上來,到上止點以后偏向另外一側下行。我們的PC環最大徑向厚度35.75mm,幾乎和新環一樣,然而缸套上部和活塞環厚度磨去了幾個毫米,對比說明書的PC-ring replacement criteria,PC環內徑已然相對偏小,現在應該用更大內徑的PC環才行。PC環的功能就是清潔,為何要用大號的,小內徑不是清潔作用更好么?當時便有以下推論:活塞頭在上止點的支撐定位本來由活塞環決定,現在由于活塞環磨損變成裙部接觸,當裙部繼續磨損,活塞頭在上止點就會偏移,偏移到一定程度,就會碰到PC-ring,發生敲擊,所以廠家會根據第五點磨損量來決定PC環內徑,并提出PC環與活塞頭部有接觸現象的時候,需要檢查裙部磨損量。同時,敲擊的發生與否和當時的燃燒狀態以及船體搖晃有很大的關系,所以造成了聲音時大時小,時有時無的現象,而當時NO.1cyl檢修后敲擊聲明顯變小,則可能因為活塞頭部積碳清潔了,PC環和頭部間隙變大了,撞擊力變小。很多人認為活塞頭部支撐定位是依靠十字頭,這是一個錯覺:十字頭能承擔活塞組的下端定位,數噸重的活塞自下往上只有底部四個螺栓和填料函定位不現實,尤其是在上止點,支撐位置太低,重心太高,活塞頭不可能僅僅依靠下部定位直上直下。
敲擊原理圖↓↓↓,湊合看吧。
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Liner wear 指缸套第五個測量點磨損量。
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 有了理論的支持,在剩下的三個缸檢修時將PC環徑向厚度變小(剩下三個缸內情況和NO.3cyl.大致相同,不過沒有環卡死)。按照現在第五點磨損量,都要使用Dummy ring(是個什么尺寸還不知道,肯定比oversize還大,具體由制造商根據第五點磨損量計算然后定制)。為了保險起見,統一將PC環徑向厚度磨到35.2mm,這個時候PC環內徑459.6mm,還保留了一點清潔作用。這里有人會問撞擊了這么久,如果是PC環撞擊的,為什么沒有發現痕跡?每次檢查活塞top land并未發現異常,就連PC環刮灰后留下的豎向痕跡都很小。至于PC環,硬度非常高,這點碰撞更不會留下傷痕。按照上述的分析,活塞在上止點速度為0,到達上止點以后從一側偏向另一側行程是毫米級的,發生碰撞,然后下行,由于第五點以下磨損量急劇減少,活塞很快正位,所以碰撞應該是點接觸,不會留下類似于刮灰的明顯的豎向條紋,等到機動動車,痕跡很快被灰塵顆粒掩蓋了。而實際現場檢查顯示,只有最后的NO.6cyl才發現輕微痕跡,硬碳層之下的金屬完好。只能怪我們運氣不好,最開始不檢查NO.6cyl..….
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開航后一切正常,敲擊問題初步得以解決。可新的疑問來了,為什么新機器在如此短的時間內缸套幾乎報廢?從去年出現問題開始,maker除了神助攻地供應9套導套以外,并沒給出太多建設性意見。上月看到機務之家一篇關于汽缸油定時錯誤導致異常磨損的案例,也曾咨詢過廠家是否存在這種可能,不過廠家很快給出否定性結論:異常磨損是汽缸油不足和使用的燃油有問題。主機使用的燃油與發電機、鍋爐是一樣,化驗結果一直達標,同一時期的發電機磨損量是正常的,燃油問題基本可以排除。至于汽缸油量,3000多小時后就設定這樣了,為什么到12000小時才體現出來問題,這個簡單的結論讓人懷疑。

------------華麗的分隔線------------
下面圍繞汽缸油來分析:
氣缸注油器是Alpha ACC注油器,運轉中提前設定的注油率(g/KWh)不變,根據負荷來改變注油頻率從而達到節油的目的。注油率(basic feed rate)的選擇是基于含硫量設定的(sulphur content depending feed rate:basic feed rate=fuel sulphur X feed rate ACC factor),實際注油率和設定值會略有出入,因為系統對功率的估算(load%=speed % X fuel index %)不一定精確。現在大多數船舶都是經濟轉速以維持最低運輸成本,關于本輪出現的問題,很多聲音表示低轉速就需要加大注油率,究竟有沒有道理,下面按照低轉速燃燒情況和汽缸油功能來剖析他們是否有絕對關聯。
汽缸油的三大主要功能:1,在摩擦副之間形成油膜 2,清潔活塞環,活塞頭,缸壁 3,中和氣缸內酸性物質,防止酸腐蝕。Maker早在2009年就自信的宣布0.6g/kwh的注油率對小缸徑低速機能保證油膜的形成和達到應有的清潔目的,當然這是針對于完成500小時磨合的機器。對于汽缸注油率的選擇他們更傾向于控制酸腐蝕,這也是為什么對于ACC注油器要求最小注油率為0.6g/kwh且使用sulphur content depending feed rate的原因。
先談一談什么時候需要調節feed rate ACC factor?說明書一直在強調根據掃氣口和活塞環的檢查結果決定Feed rate factor,說的更直白點就是根據摩擦副的表面狀態來決定的。摩擦副充分潤滑所需要的最小油量和表面粗糙度直接相關,表面粗糙度達不到設計要求的時候,為了確保充分潤滑就需要加大注油量來保證摩擦副的金屬隔離,那么此時feed rate ACC factor 就需要加大。而缸內運轉的負荷高低主要體現的是爆壓的不同,爆壓越大在上止點時會產生更大的油膜壓力,而對油膜的厚度需求依然是能夠隔離金屬即可滿足充分潤滑。如此分析,MCR運轉時對油膜要求更為苛刻。所以對于同一臺主機,就油膜的維持而言,高負荷時的注油率一定能滿足低負荷時運轉。Alpha 注油器在機動運轉或者負荷突變時自動加大25%注油率(LCD功能)是為了防止轉速與負荷突變引起油膜破壞。機械注油器在機動用車時人為調大注油量也是同樣的目的,兩者并不是為了所謂的低負荷加大注油,而是為應付轉速與負荷突變。就汽缸油的油膜形成這一功能來說,低負荷的運轉并不需要增大注油率。
對于汽缸油第二個清潔沖刷的作用,很多人認為在低負荷的時候因為積碳形成過多而清潔不足,所以對比于MCR時需要增大注油率。這其實是由傳統的認知以及慣性思維帶來的錯誤想法。關于Low steaming:機器在部分負荷下工作掃氣壓力降低,爆發壓力降低,缸壁尤其是下部溫度低。不過因為是電噴主機以及slide type injection valve,燃油噴射效果并不會隨轉速低惡化。尤其是從電噴主機的SFOC曲線圖來看,50%的低負荷時燃燒情況依然很好。所謂低負荷的積碳過多主要是因為掃氣壓力低,廢氣壓力低,換氣時顆粒物不能完全被吹走而附著在排氣系統,并非因為負荷低燃燒不完全造成過多顆粒物。這一點從排煙、機器低負荷燃油效率都能看出,同時部分負荷依然保持高效率也是電噴主機優勢之一。近年來關于low steaming運轉的關注重點也只是放在排氣閥、透平以及廢氣鍋爐上,廠家更多的建議是圍繞排氣系統提出的。活塞頭部以下的過多積碳主要還是油頭及活塞環功能下降造成的,并不能完全歸咎于低負荷燃燒,因此讓汽缸油來為他們埋單也是不合理的。如此看來,低負荷加大注油來增加沖刷力度是否合理還有待商榷。
對于汽缸油第三個平衡酸堿的功能,因為本身注油率的調節就將含硫量納入考慮,在MCR時足夠平衡燃油燃燒帶來的酸性產物。而部分負荷時,Alpha ACC注油特性依然是 Load dependent regulation。此時Qpart=QmcrX LOAD%(Qpart:部分負荷汽缸油消耗量,Qmcr:MCR汽缸油消耗量)。而機器計算負荷百分比又是根據燃油消耗量(油門刻度百分比)來計算的,所以說在部分負荷的時候汽缸油消耗量和燃油燃燒后酸性物質產量依然是正比關系,足夠平衡。但是考慮到部分負荷缸套溫度較低,促進了酸性產物的形成,此時低負荷相比于MCR來講,低溫腐蝕的風險的確會加大。不過硫酸的形成增多還有一個重要因素是缸內水分的含量增多,所以在高溫高濕地區低負荷運轉需要格外關注。
終上所述,低負荷運轉并不一定需要加大ACC注油率,更不會造成如此嚴重拉缸事故。查閱大量廠家技術資料,也并未正式提出過Part Load 時需要加大ACC注油率。
那么在回到本輪的拉缸問題上。最近查找了7000hrs以后近5000小時的汽缸油消耗記錄。負荷主要保持在50%-80%之間,汽缸注油率約為0.74g/kwh,feed rate factor設定0.24g/kwhS%,汽缸油BN值100,而在SECA區期間注油率為0.6g/kwh,BN=40。雖說實際注油率還要看實際運轉情況,不過要對缸內情況準確評估并非易事。對于習慣了機械注油器的人來說,對于缸內情況的評估容易忽視,因為機械注油器的注油率大很多。而現在大多數新機器都是電子注油器,有了類似于下表的調節指導,剩下的要做的就是在MOP上完成設定。當然對于順利完成磨合期的新設備來說一點問題都沒有,前面也提到了,表面狀態達到設計要求,0.6g/kwh 足夠形成油膜。下表在十年前已經提出,肯定經受住了市場的考驗。對于Alpha 注油器機動運轉時自動加大注油率,剛停車檢查油量總是顯得充足。至于磨損狀況判斷,個人認為頻繁檢查和多次照片對比才能看出端倪,僅憑單次檢查很難判斷缸內潤滑情況,傳統說法“首環半干半濕,下部濕潤,缸內濕潤”更適合放在教材里面做考題,與實際有脫節。
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根據以前的保養照片比對可以看到自8000hrs以后缸內wave cut machining mark從氣口附近開始慢慢消失,而且可以清晰看到各道環之間慢慢出現積碳,積碳先聚集在首環以下,逐漸往下面的環間發展。雖說缸套上部看不到,但是從下部依然可以推測臨近保養期的缸內正在發生異常變化。所以對于廠家給予的10000~12000的保養間隔一定要重視,這個間隔是基于實際使用情況而決定的,12000并不是固定期限!對于燃燒室和氣缸來講,超期運轉首先帶來的就是缸內氣密性下降。保養中發現CPR-CL環的control leakage groove磨損超標,某些缸已經消失,而在不久前檢查的時候CL槽還在,只是不知道厚度如何。CL槽的設計就是為了減小環內外壓差,降低磨損。一旦CL槽深度低于使用極限值,活塞環和缸套磨損也會大大加劇。磨損后燃燒室的高溫氣體下串除了破壞潤滑油膜,還將漏入環間的燃油燒結成碳,環槽的碳被運動的活塞環擠壓磨碎就形成了我們看到的顆粒,產生大量縱向拉痕,積碳嚴重就卡死活塞環了。而各環之間的積碳高度超過磨損的活塞環后會像海綿一樣吸收缸壁的油膜,不僅破壞了油膜的覆蓋,上下運動的時候摩擦拋光缸套,形成亮斑塊。所以,在檢查活塞環狀況時,除了觀察所謂的環干濕狀態,更要關注環的活動情況和環間是否積碳:環間開始積碳預示著不僅噴油不正常,活塞環也封不住了,再不吊缸下一步就是環卡死。而上述的油頭問題,只是為后期的惡化火上澆油。這是造成活塞環卡死,刮斷的主要原因。不過根據最近幾個月實際表現,油頭的確存在問題,在首次保養NO.2cyl的時候換了六個運轉時間超過8000小時的油頭,那說明剩下的油頭運轉時間并不長,為什么在后來14個備用油頭中難以找到幾個適用的?是這一批次材料不行還是其他原因就不得而知了。
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摩擦副形成油膜的必要條件之一就是彼此貼合,適合的形貌。為什么廠家多次強調:發現異常磨損的時候需要加大注油率重新磨合?因為異常磨損的時候摩擦面形貌改變了,表面粗糙度變大,金屬表面的微凸體開始接觸,所以油膜破壞了。這個時候適當加大注油率既可以繼續維持油膜形成又能沖走磨粒。running in又叫breaking in,先把不適合的磨掉,再形成一個彼此貼合的工作面就是重新磨合,形貌改變后不加大供油只能不停的磨掉材料,留下的磨粒又造成下部二次傷害,逐漸發展成拉缸狀態。
那么本輪拉缸到底是磨損和燃燒的異常破壞了油膜,還是因為油膜破壞導致了劇烈磨損?從現象發展的時間來看,這不是一個先有雞還是先有蛋的問題!只有潤滑的失效才會導致活塞環的加速磨損!從氣口檢查的照片看出8000小時以前缸內是正常的,所以對于本輪的情況,0.74g/kwh注油率,至少對于8000hrs以前的氣缸狀態是足夠用的。而長久積蓄的磨損在8000hrs以后開始體現出來,表面粗糙度慢慢達到了0.74g/kwh注油量能維持油膜的極限值。時而穿插SECA區的航次,注油率進一步下降到0.6g/kwh(S含量極低,此時按照Min. feed rate 注油),充分潤滑變成貧油潤滑,繼續發展,金屬表面微凸體開始接觸、黏著,活塞環的串氣與油膜的破壞惡性循環著,繼而發生拉缸事故。
所以,在臨近保養周期的時候,環和缸套的形貌經過長期運轉已經逐步惡化,此前較低水平的注油率在這種情況下難以繼續維持油膜。尤其對于長期運營在SECA區域的船舶,使用低硫油增加了拉缸的風險。一旦油膜破壞又不增加注油量重新磨合,上面提到的情況就接踵而至。主機在長期運轉以后需加大電子注油器注油率,這個“長期”是多長,要根據實際運轉情況確定,也許是在8000hrs 也許是10000hrs。“實際運轉情況”重點關注掃氣口和注油口以上的wave cut machining mark(減磨紋),總會在第一時間出現征兆。
Alpha注油器的節油效果顯而易見,可是精打細算很久省下來的汽缸油價值還不及一個缸套的運輸費用。在享用先進科技設備的同時絕不能弱化管理者的作用,人員的更替以及工作時間的不可預見,很難去追究到底是哪個時期的責任。對于相對主觀的推理,也沒有明確證據去佐證,更多的是憑借管理者從業的經驗,只能說我們獲取經驗的代價十分昂貴。
為了高效又安全的節油,對于配備電子注油器的主機,應該考慮定期做汽缸油的Drain oil analysis和Sweep Test來驗證汽缸油是否合適,從而提高船舶安全系數,否則,發生異常磨損之后用過量的加大汽缸油來應對,又回到了機械注油器時代。

作者:機器人KK 來源:機務之家

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