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关于ME-B主机敲缸事故的分析处理及思考

时间:2018/6/21 9:42:22 点击:

  内容提示:从主机敲缸着手,到发现缸套异常磨损,到发现清洁环更换依据,没有满足于敲缸问题解决,而是一路思考,一个个问号带着知识和责任,对于如何设定汽缸油注油率提出了自己的观点:注油率的设定要考虑摩擦副状况,尤其是接近保养周期后期。...
本文转自机务之家,原作者:机器人kk(昵称),由资深机务李亚林编辑。

作者从主机敲缸着手,到发现缸套异常磨损,到发现清洁环更换依据,没有满足于敲缸问题解决,而是一路思考,一个个问号带着知识和责任,对于如何设定汽缸油注油率提出了自己的观点:注油率的设定要考虑摩擦副状况,尤其是接近保养周期后期。再先进的设备,都离不开人的精心管理。难得的是,作者没有简单加大汽缸油了事,保障安全的同时,不忘控制运营成本,值得轮机人员学习!

本轮主机型号:MAKITA - MITSUI - MAN B&W 6S46MEB 8.3 出厂时间 2015年初,至2017年11月运转时间刚好到12000hrs保养期限,于是靠泊期间首次对NO.2cyl.吊缸检查,同时保养多缸油头。开航不久,在104rpm时发现NO.6 cyl.上部有敲击声,声音不太大,在集控室无法听到,减速后声音消失,90rpm左右可清晰判断敲击声发生在上止点附近(喷油过程中),而且敲击声不连续,时有时无,主机各项参数正常。转速加到80多以上又开始断续敲击,保持90rpm运转。因为即将进入SECA区,次日主机HFO转换DO。换油后NO.1 / 3 / 6cyl.多缸发生敲击,声音特征一样,负荷波动时多缸几乎同时发生也同时停止,似乎有传递性。降速到74rpm(harbor speed)敲击声消失。以上为故障大概情况,其后本轮机舱人员展开了一系列的摸索与排查,过程略有冗杂,看官权当一篇流水账看吧。


因为敲击并不持续且毫无规律可循,不能靠单缸断油来判断机械敲缸或者燃烧敲缸。且本轮配备的主机操作系统为OFF-LINE PMI system,不能在敲击发生的时候捕捉燃烧参数,已有数据显示一切正常:压缩、爆发压力以及排温均在正常范围。因为公司多条姊妹船出现过因排气阀导套积碳卡阻而敲缸,故初步怀疑为同一故障,计划下一港解体清洁两个排气阀。咨询厂家后,认真对照填写厂家发来的关于排气阀的checklist,之后厂家免费供应9套改良短导套并在12月中旬供船。收到新备件当即又解体NO.1 / 6cyl.两个排气阀。为了对比效果,将NO.1换新导套,NO.6 cyl.只解体清洁,重点检查清洁阀杆和导套内侧。在拆装过程中发现导套内壁和阀杆上有积碳并有摩擦痕迹,欣喜地以为找到了问题的根源。可是天不遂人愿,开航后这两缸继续敲击,不久以后NO.2 / 4 / 5cyl.也不同程度的开始敲击!!

2018年1月初计划靠泊检修NO.1cyl(主机运转时间12750hrs),因为码头风浪大被当局制止,保养计划顺延。在港期间检查主机各定时、曲轴转角信号、NO.1cyl上止点位置、链条张紧力以及固定件螺栓预紧力;测量拐当差及导板间隙,各项参数均在正常范围;对敲缸的油头重新解体试验。开航后各缸依旧敲击,开航中途NO.1cyl 排温上升到380℃,降速也未有明显效果。降速准备停航检修时NO.2cyl 突然发生爆燃现象,降速后加车依旧爆燃,油管脉动微弱,怀疑是油头卡死在开启位置,决定NO.1 / 2cyl.油头一起更换。拆下的四个油头未清洁直接上台架试验,喷油压力略低,稍微滴漏,并未发现NO.2cyl的油头卡死。打开扫气总管检查发现这两个缸扫气口附近较其他缸脏,并且扫气口高度对应机架两侧墙壁有特别多黑色油泥。NO.2cyl活塞头部以及缸套下部大量重油聚集,幸亏及时停车否则有扫气箱着火的危险!油头更换完毕继续航行,NO.1cyl排温立即降了二十多度,不过依旧敲击。这一次偶然事件将焦点转移到油头上,是否可能因为油头性能下降导致燃烧敲缸?船上14套备用油头挨个试验也没有拼凑到几个适合备用的,于是又开始了半个月的油头研磨与配对工作。对于Slide type fuel valve 我们能做的工作有限:各个球面接头研磨、nozzle 清通检查喷孔直径、sliding surface 简单的抛光保证能在spindle guide中自由活动等等。即使如此也没有组合出几个好用的油头:要么滴漏,要么弹簧弹力不足需要添加多个垫片。厂家宣称的这种油头寿命在16000hrs以上,为何这么快就失效?


在此起彼伏的敲缸声中抵达北美,靠泊后马上安排吊出NO.1cyl.活塞,缸内情况比想象中的要严重:第一道环卡死,搭口挂住气口断掉一截,第一道环(CPR CL top ring)的CL(control leakage)槽全部磨平了;下面的三道环卡死;活塞顶部存油,整个活塞侧壁全是重油;缸套下部气口附近和上部注油嘴附近有大量圆周分布黑色漆膜,缸套整体发黄偏干,上部大量纵向拉痕以及多处表面干燥光亮;缸套和活塞环的测量结果可想而知,缸套最大内径增量3.0mm以上,第一道环上止点对应位置缸套出现1mm多的凸台(wear ridge),活塞环也磨损超标。鉴于最近的油头表现,初步结论是燃烧恶化导致急剧磨损,正好运转时间已经达到13330hrs,超过厂家推荐的保养周期(10000-12000hrs)按照磨损理论,此时机器已经进入急剧磨损期。因为测量结果异常,才想起来对比两个多月以前的NO.2cyl数据,其缸套最大内径增量0.7mm,能看到微小凸台,有可能量缸表校正失误,实际值也许更大。现在来不及追溯NO.2cyl参数准确性了,毕竟运转时间相差1000多小时,没太多参考意义,对于上述情况我们更愿意相信是偶然性。当务之急是在最短的时间内检修其他几缸,所以没有处理NO.1cyl的wear ridge。
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惴惴不安的开始了新的航程,NO.1cyl突然安静了很多,大多数的时候需要听诊棒才能听到里面的声音,很明显保养时动过的部分和敲击有关:首先排除了凸台撞击的可能性(凸台仍在,新环高度、径向厚度均变大,更容易撞击到才对);可能是旧环在上部发生“collapse(压入)现象”(环背压力建立太慢,燃烧时高压气体将环压入环槽,低压时又弹出而发出的响声),发生collapse原因一般是:环槽积碳;天地间隙太小;环卡死;环气密性下降),拆解NO.1cyl的情况完全符合这些条件。


四天以后抵达中美洲,继续检查下一个敲击刺头NO.3cyl。一边为长航次设备安全担忧,一边为即将揭开故障神秘面纱而兴奋,稍稍地减轻了北纬11°的酷热。NO.3cyl.的情况也不容乐观:最大内径增量3.0mm以上,凸台,top ring CL槽磨掉两个,下面有一道环卡死。因为时间问题,依旧没有对凸台作出处理。在运转一段时间以后的检查中,发现第一道环的上半部分Alu-coat 成块状脱落。为了防止磨台继续扩大,只能返工,将NO.1 / 2 / 3cyl三个缸的凸台用砂轮磨平(研磨方式可以参考说明书)。在后来的短航次中磨去凸台的缸还是敲击,可见不是活塞环撞击凸台发出响声。不过是否因为环的collapse,有待进一步证实。 
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该机型配有Piston cleaning ring清洁活塞的Top land。在缸套内径测量的第五点标有“PC”标记,以这一点的磨损量作为更换PC环的依据,说明书尤其提到当发现活塞头部和PC环有金属接触时,请检查活塞裙磨损情况,其他并未做太多解释。当初看到这个规定时很疑惑:上面摩擦和下面有什么关系?为什么根据第五点磨损量来选择PC环尺寸?后来对照各测量点位置发现,第五点位置就是活塞在上止点时裙部承磨环对应的位置。在第三次吊缸的时候特别注意活塞跨过上止点换向的运动轨迹,发现活塞总会贴着缸壁一侧上来,到上止点以后偏向另外一侧下行。我们的PC环最大径向厚度35.75mm,几乎和新环一样,然而缸套上部和活塞环厚度磨去了几个毫米,对比说明书的PC-ring replacement criteria,PC环内径已然相对偏小,现在应该用更大内径的PC环才行。PC环的功能就是清洁,为何要用大号的,小内径不是清洁作用更好么?当时便有以下推论:活塞头在上止点的支撑定位本来由活塞环决定,现在由于活塞环磨损变成裙部接触,当裙部继续磨损,活塞头在上止点就会偏移,偏移到一定程度,就会碰到PC-ring,发生敲击,所以厂家会根据第五点磨损量来决定PC环内径,并提出PC环与活塞头部有接触现象的时候,需要检查裙部磨损量。同时,敲击的发生与否和当时的燃烧状态以及船体摇晃有很大的关系,所以造成了声音时大时小,时有时无的现象,而当时NO.1cyl检修后敲击声明显变小,则可能因为活塞头部积碳清洁了,PC环和头部间隙变大了,撞击力变小。很多人认为活塞头部支撑定位是依靠十字头,这是一个错觉:十字头能承担活塞组的下端定位,数吨重的活塞自下往上只有底部四个螺栓和填料函定位不现实,尤其是在上止点,支撑位置太低,重心太高,活塞头不可能仅仅依靠下部定位直上直下。
敲击原理图↓↓↓,凑合看吧。
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Liner wear 指缸套第五个测量点磨损量。
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 有了理论的支持,在剩下的三个缸检修时将PC环径向厚度变小(剩下三个缸内情况和NO.3cyl.大致相同,不过没有环卡死)。按照现在第五点磨损量,都要使用Dummy ring(是个什么尺寸还不知道,肯定比oversize还大,具体由制造商根据第五点磨损量计算然后定制)。为了保险起见,统一将PC环径向厚度磨到35.2mm,这个时候PC环内径459.6mm,还保留了一点清洁作用。这里有人会问撞击了这么久,如果是PC环撞击的,为什么没有发现痕迹?每次检查活塞top land并未发现异常,就连PC环刮灰后留下的竖向痕迹都很小。至于PC环,硬度非常高,这点碰撞更不会留下伤痕。按照上述的分析,活塞在上止点速度为0,到达上止点以后从一侧偏向另一侧行程是毫米级的,发生碰撞,然后下行,由于第五点以下磨损量急剧减少,活塞很快正位,所以碰撞应该是点接触,不会留下类似于刮灰的明显的竖向条纹,等到机动动车,痕迹很快被灰尘颗粒掩盖了。而实际现场检查显示,只有最后的NO.6cyl才发现轻微痕迹,硬碳层之下的金属完好。只能怪我们运气不好,最开始不检查NO.6cyl..….
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开航后一切正常,敲击问题初步得以解决。可新的疑问来了,为什么新机器在如此短的时间内缸套几乎报废?从去年出现问题开始,maker除了神助攻地供应9套导套以外,并没给出太多建设性意见。上月看到机务之家一篇关于汽缸油定时错误导致异常磨损的案例,也曾咨询过厂家是否存在这种可能,不过厂家很快给出否定性结论:异常磨损是汽缸油不足和使用的燃油有问题。主机使用的燃油与发电机、锅炉是一样,化验结果一直达标,同一时期的发电机磨损量是正常的,燃油问题基本可以排除。至于汽缸油量,3000多小时后就设定这样了,为什么到12000小时才体现出来问题,这个简单的结论让人怀疑。

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下面围绕汽缸油来分析:
气缸注油器是Alpha ACC注油器,运转中提前设定的注油率(g/KWh)不变,根据负荷来改变注油频率从而达到节油的目的。注油率(basic feed rate)的选择是基于含硫量设定的(sulphur content depending feed rate:basic feed rate=fuel sulphur X feed rate ACC factor),实际注油率和设定值会略有出入,因为系统对功率的估算(load%=speed % X fuel index %)不一定精确。现在大多数船舶都是经济转速以维持最低运输成本,关于本轮出现的问题,很多声音表示低转速就需要加大注油率,究竟有没有道理,下面按照低转速燃烧情况和汽缸油功能来剖析他们是否有绝对关联。
汽缸油的三大主要功能:1,在摩擦副之间形成油膜 2,清洁活塞环,活塞头,缸壁 3,中和气缸内酸性物质,防止酸腐蚀。Maker早在2009年就自信的宣布0.6g/kwh的注油率对小缸径低速机能保证油膜的形成和达到应有的清洁目的,当然这是针对于完成500小时磨合的机器。对于汽缸注油率的选择他们更倾向于控制酸腐蚀,这也是为什么对于ACC注油器要求最小注油率为0.6g/kwh且使用sulphur content depending feed rate的原因。
先谈一谈什么时候需要调节feed rate ACC factor?说明书一直在强调根据扫气口和活塞环的检查结果决定Feed rate factor,说的更直白点就是根据摩擦副的表面状态来决定的。摩擦副充分润滑所需要的最小油量和表面粗糙度直接相关,表面粗糙度达不到设计要求的时候,为了确保充分润滑就需要加大注油量来保证摩擦副的金属隔离,那么此时feed rate ACC factor 就需要加大。而缸内运转的负荷高低主要体现的是爆压的不同,爆压越大在上止点时会产生更大的油膜压力,而对油膜的厚度需求依然是能够隔离金属即可满足充分润滑。如此分析,MCR运转时对油膜要求更为苛刻。所以对于同一台主机,就油膜的维持而言,高负荷时的注油率一定能满足低负荷时运转。Alpha 注油器在机动运转或者负荷突变时自动加大25%注油率(LCD功能)是为了防止转速与负荷突变引起油膜破坏。机械注油器在机动用车时人为调大注油量也是同样的目的,两者并不是为了所谓的低负荷加大注油,而是为应付转速与负荷突变。就汽缸油的油膜形成这一功能来说,低负荷的运转并不需要增大注油率。
对于汽缸油第二个清洁冲刷的作用,很多人认为在低负荷的时候因为积碳形成过多而清洁不足,所以对比于MCR时需要增大注油率。这其实是由传统的认知以及惯性思维带来的错误想法。关于Low steaming:机器在部分负荷下工作扫气压力降低,爆发压力降低,缸壁尤其是下部温度低。不过因为是电喷主机以及slide type injection valve,燃油喷射效果并不会随转速低恶化。尤其是从电喷主机的SFOC曲线图来看,50%的低负荷时燃烧情况依然很好。所谓低负荷的积碳过多主要是因为扫气压力低,废气压力低,换气时颗粒物不能完全被吹走而附着在排气系统,并非因为负荷低燃烧不完全造成过多颗粒物。这一点从排烟、机器低负荷燃油效率都能看出,同时部分负荷依然保持高效率也是电喷主机优势之一。近年来关于low steaming运转的关注重点也只是放在排气阀、透平以及废气锅炉上,厂家更多的建议是围绕排气系统提出的。活塞头部以下的过多积碳主要还是油头及活塞环功能下降造成的,并不能完全归咎于低负荷燃烧,因此让汽缸油来为他们埋单也是不合理的。如此看来,低负荷加大注油来增加冲刷力度是否合理还有待商榷。
对于汽缸油第三个平衡酸碱的功能,因为本身注油率的调节就将含硫量纳入考虑,在MCR时足够平衡燃油燃烧带来的酸性产物。而部分负荷时,Alpha ACC注油特性依然是 Load dependent regulation。此时Qpart=QmcrX LOAD%(Qpart:部分负荷汽缸油消耗量,Qmcr:MCR汽缸油消耗量)。而机器计算负荷百分比又是根据燃油消耗量(油门刻度百分比)来计算的,所以说在部分负荷的时候汽缸油消耗量和燃油燃烧后酸性物质产量依然是正比关系,足够平衡。但是考虑到部分负荷缸套温度较低,促进了酸性产物的形成,此时低负荷相比于MCR来讲,低温腐蚀的风险的确会加大。不过硫酸的形成增多还有一个重要因素是缸内水分的含量增多,所以在高温高湿地区低负荷运转需要格外关注。
终上所述,低负荷运转并不一定需要加大ACC注油率,更不会造成如此严重拉缸事故。查阅大量厂家技术资料,也并未正式提出过Part Load 时需要加大ACC注油率。
那么在回到本轮的拉缸问题上。最近查找了7000hrs以后近5000小时的汽缸油消耗记录。负荷主要保持在50%-80%之间,汽缸注油率约为0.74g/kwh,feed rate factor设定0.24g/kwhS%,汽缸油BN值100,而在SECA区期间注油率为0.6g/kwh,BN=40。虽说实际注油率还要看实际运转情况,不过要对缸内情况准确评估并非易事。对于习惯了机械注油器的人来说,对于缸内情况的评估容易忽视,因为机械注油器的注油率大很多。而现在大多数新机器都是电子注油器,有了类似于下表的调节指导,剩下的要做的就是在MOP上完成设定。当然对于顺利完成磨合期的新设备来说一点问题都没有,前面也提到了,表面状态达到设计要求,0.6g/kwh 足够形成油膜。下表在十年前已经提出,肯定经受住了市场的考验。对于Alpha 注油器机动运转时自动加大注油率,刚停车检查油量总是显得充足。至于磨损状况判断,个人认为频繁检查和多次照片对比才能看出端倪,仅凭单次检查很难判断缸内润滑情况,传统说法“首环半干半湿,下部湿润,缸内湿润”更适合放在教材里面做考题,与实际有脱节。
关于ME-B主机敲缸事故的分析处理及思考

根据以前的保养照片比对可以看到自8000hrs以后缸内wave cut machining mark从气口附近开始慢慢消失,而且可以清晰看到各道环之间慢慢出现积碳,积碳先聚集在首环以下,逐渐往下面的环间发展。虽说缸套上部看不到,但是从下部依然可以推测临近保养期的缸内正在发生异常变化。所以对于厂家给予的10000~12000的保养间隔一定要重视,这个间隔是基于实际使用情况而决定的,12000并不是固定期限!对于燃烧室和气缸来讲,超期运转首先带来的就是缸内气密性下降。保养中发现CPR-CL环的control leakage groove磨损超标,某些缸已经消失,而在不久前检查的时候CL槽还在,只是不知道厚度如何。CL槽的设计就是为了减小环内外压差,降低磨损。一旦CL槽深度低于使用极限值,活塞环和缸套磨损也会大大加剧。磨损后燃烧室的高温气体下串除了破坏润滑油膜,还将漏入环间的燃油烧结成碳,环槽的碳被运动的活塞环挤压磨碎就形成了我们看到的颗粒,产生大量纵向拉痕,积碳严重就卡死活塞环了。而各环之间的积碳高度超过磨损的活塞环后会像海绵一样吸收缸壁的油膜,不仅破坏了油膜的覆盖,上下运动的时候摩擦抛光缸套,形成亮斑块。所以,在检查活塞环状况时,除了观察所谓的环干湿状态,更要关注环的活动情况和环间是否积碳:环间开始积碳预示着不仅喷油不正常,活塞环也封不住了,再不吊缸下一步就是环卡死。而上述的油头问题,只是为后期的恶化火上浇油。这是造成活塞环卡死,刮断的主要原因。不过根据最近几个月实际表现,油头的确存在问题,在首次保养NO.2cyl的时候换了六个运转时间超过8000小时的油头,那说明剩下的油头运转时间并不长,为什么在后来14个备用油头中难以找到几个适用的?是这一批次材料不行还是其他原因就不得而知了。
关于ME-B主机敲缸事故的分析处理及思考

摩擦副形成油膜的必要条件之一就是彼此贴合,适合的形貌。为什么厂家多次强调:发现异常磨损的时候需要加大注油率重新磨合?因为异常磨损的时候摩擦面形貌改变了,表面粗糙度变大,金属表面的微凸体开始接触,所以油膜破坏了。这个时候适当加大注油率既可以继续维持油膜形成又能冲走磨粒。running in又叫breaking in,先把不适合的磨掉,再形成一个彼此贴合的工作面就是重新磨合,形貌改变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伤害,逐渐发展成拉缸状态。
那么本轮拉缸到底是磨损和燃烧的异常破坏了油膜,还是因为油膜破坏导致了剧烈磨损?从现象发展的时间来看,这不是一个先有鸡还是先有蛋的问题!只有润滑的失效才会导致活塞环的加速磨损!从气口检查的照片看出8000小时以前缸内是正常的,所以对于本轮的情况,0.74g/kwh注油率,至少对于8000hrs以前的气缸状态是足够用的。而长久积蓄的磨损在8000hrs以后开始体现出来,表面粗糙度慢慢达到了0.74g/kwh注油量能维持油膜的极限值。时而穿插SECA区的航次,注油率进一步下降到0.6g/kwh(S含量极低,此时按照Min. feed rate 注油),充分润滑变成贫油润滑,继续发展,金属表面微凸体开始接触、黏着,活塞环的串气与油膜的破坏恶性循环着,继而发生拉缸事故。
所以,在临近保养周期的时候,环和缸套的形貌经过长期运转已经逐步恶化,此前较低水平的注油率在这种情况下难以继续维持油膜。尤其对于长期运营在SECA区域的船舶,使用低硫油增加了拉缸的风险。一旦油膜破坏又不增加注油量重新磨合,上面提到的情况就接踵而至。主机在长期运转以后需加大电子注油器注油率,这个“长期”是多长,要根据实际运转情况确定,也许是在8000hrs 也许是10000hrs。“实际运转情况”重点关注扫气口和注油口以上的wave cut machining mark(减磨纹),总会在第一时间出现征兆。
Alpha注油器的节油效果显而易见,可是精打细算很久省下来的汽缸油价值还不及一个缸套的运输费用。在享用先进科技设备的同时绝不能弱化管理者的作用,人员的更替以及工作时间的不可预见,很难去追究到底是哪个时期的责任。对于相对主观的推理,也没有明确证据去佐证,更多的是凭借管理者从业的经验,只能说我们获取经验的代价十分昂贵。
为了高效又安全的节油,对于配备电子注油器的主机,应该考虑定期做汽缸油的Drain oil analysis和Sweep Test来验证汽缸油是否合适,从而提高船舶安全系数,否则,发生异常磨损之后用过量的加大汽缸油来应对,又回到了机械注油器时代。

作者:机器人KK 来源:机务之家

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