一例船舶副机活塞卡滞故障分析

青岛远洋运输有限公司 刘广利

一、故障情况

某船是一艘载重吨为75 928 t的散装货船，2001年11月28日日本丰桥船厂制造，配备日本大发柴油机株式会社制造DAIHATSU 5DK-20型副机3台，副机汽缸5只，缸径200 mm，冲程300 mm，额定功率440 kW，额定转速720 r/min，副机燃用380 cSt重油。

2013年3月14日08：00，二管轮启动备用No.2副机并电，09：00 No.1副机解列，空转10 min后，停机开示功考克。期间，暖缸水温度保持66～67 ℃，预润滑油泵正常运转。第二天，No.1副机周期性安全检查系列工作：气阀间隙调整，燃油、滑油滤器清洗，副机内部检查，一切正常。滑油冷却器海水面清通，喷油器更换5只后，启动预润滑油泵持续运转。17日上午，二管轮准备将No.1副机运转试验后作备用。盘车三四圈后冲车，第一次冲车副机正常运转。二管轮考虑到刚换过喷油器，活塞顶部可能漏入燃油等杂物，进行第二次冲车，副机静止不动。二管轮立即停止冲车，盘车检查，发现副机不能盘动。

开副机曲拐箱道门检查，各缸滑油油流良好。检查连杆大端，No.3缸连杆大端轴向间隙小，没有活动余地，怀疑No.3缸换喷油器时汽缸内落入异物。下午，轮机人员全部下机舱，拆下No.3缸缸头，发现缸套内没有异物只是上部积炭较多，缸套下部内壁光滑、没有拉缸痕迹。拆下三段分体式连杆大端检查，轴瓦光洁无损伤。活塞在缸套上部卡住不动，无法吊出。

18日，轮机人员将活塞连同缸套一起吊出，尝试使用冰块、液态CO2冷却活塞，用榔头敲击垫有方木的活塞头，活塞仍不能在缸套内上下移动，无法将活塞从缸套中取出查找故障原因。于是，报告公司。该副机吊缸后运转1 803 h，排烟温度、润滑油/冷却水压力、温度一直正常，活塞卡滞又是在冲车过程中发生，不存在热负荷因素，检查缸套内壁又无划痕，故障原因令人困惑。

二、故障分析

鉴于该缸活塞连杆可能已经受力过大，为安全起见公司决定将该缸缸套、活塞、连杆全部紧急订购备件换新。但只有找到故障的真正原因，才能保证整台副机不出问题。考虑到铝质活塞头与铸铁缸套金属材料的热膨胀系数不同及煤油良好的渗透清洗性能，公司通知船舶将No.3缸缸套及活塞放入冷库，冷冻24 h，倒入煤油浸泡。然后将活塞及缸套放在木板上，用榔头敲击方木将活塞从缸套中取出。

19日，卡死的活塞顺利取出。检查发现活塞的第一、第二道气环在环槽内被积炭卡死不动，第三道气环，第四、第五道刮油环正常，活动自如。取下活塞环清洁后，检查活塞环磨损均匀、表面光滑没有划痕。缸套及活塞表面也无损伤，没有拉缸痕迹。活塞解体，活塞销、销承均无异常。

换下的5只喷油器泵压检查，一只喷油器启阀压力稍低，其他都在正常范围，No.3缸排烟温度始终是五个缸中最低的。23日，No.1副机其他四缸活塞全部吊出，仔细检查缸套及活塞环状况。No.4缸活塞头及第一道气环活塞部分积炭较多，其他三缸正常。气环、刮油环及弹簧装配均正确无误，活塞环状况良好。

该船在巴拿马Cristobal抛锚期间租家曾多次来电要求船舶尽量减少每日耗油量，机舱只保持主机燃油循环泵、主机淡水泵运转。主机滑油泵只在每周试车的前一天启动，其余时间停掉。副机负荷一直在140~150 kW。副机工作参数见表1：

表1 副机工作参数

船舶副机额定功率为440 kW，说明书要求副机负荷低于30%额定功率时换轻油，负荷超过30%额定功率时换重油。厂家要求副机低负荷运转换轻油是因为副机不像二冲程船用主机设应急辅助鼓风机，低负荷时增压器效率低，扫气效果差。低负荷运转副机燃用轻油时产生的烟灰沉积物较少。如低负荷运转副机持续燃用低质重油，油气混合质量差，燃烧不良，后燃严重，燃烧残渣增多，可能会导致活塞环、喷油器、气阀、增压器等部件一系列故障。如DAIHATSU 6DL-20型副机明确要求“负荷低于120 kW使用轻油，高于160 kW换用重油，低于140 kW换轻油”。

现代柴油机提高功率最有效的手段之一是提高增压比，涡轮增压器能使柴油机的功率提高60%以上，燃油消耗减少5.5%左右。发电副机与增压器一般选用最常用工况点如最大功率的70%以上作为匹配设计点。随着增压比的提高，增压器与副机的匹配矛盾更加突出，涡轮增压器难以满足副机全工况运行的需要，使副机在部分负荷时工况恶化，燃油加热、雾化、扩散与空气混合等物理变化及分子的裂化、低温氧化等化学变化变差，滞燃期延长，燃油混合气体来不及完全燃烧。副机低负荷燃用380 cSt低质重油会使上述不利影响加剧。

该船在巴拿马Cristobal锚地抛锚近60天，No.1副机长时间140 kW低负荷使用380 cSt重油运行，产生积炭，是造成本次活塞卡滞故障的主要原因。

三、管理对策

在目前航运市场低迷、运力相对过剩形势下，长时间抛锚、漂航、停泊船舶副机低负荷运转状况还会在今后较长一段时期内存在。我们应当做到根据不同情况区别对待，采取有效措施和管理对策确保副机安全运转。副机长时间低负荷运转，燃烧不充分，经济性差，积炭严重，磨损大。对低负荷运转副机应考虑采取如下措施：

（1）副机低负荷运行3～4天后，启动主机滑油泵、舵机油泵、锚机/缆机油泵等提高副机负荷至75%左右运行1～2 h。

（2）缩短副机喷油器解体泵压周期。

（3）缩短副机缸头解体、清洁、研磨、换备用周期。

（4）透平涡轮、压气端冲洗适当缩短时间。

（5）短期低负荷燃用重油运转副机，可启动主机机油泵等以增加其负荷，使负荷达到说明书燃用重油负荷稍多一定负荷（如副机50%额定功率左右）。

（6）短期低负荷运转副机，如船舶在冬季运转负荷过小，应按说明书要求换轻油。

（7）选取一台状况较差副机用作低负荷运转副机，避免状况较好副机造成损坏。

（8）选取一台接近吊缸周期的副机作低负荷运转副机，以便到期尽快检修。

（9）对副机滑油严格监控，保持滑油品质，定期进行分油净化处理。

（10）喷油提前角适当提前1°～2°。

（11）喷油器启阀压力适当增大。

下述改进措施由船公司联系柴油机厂家论证后，在副机长期低负荷运转时选用：

（1）活塞头顶部车削，缸套上部安装活塞清洁环（Piston cleaning ring）或防磨环（Antipolishing ring）。

（2）透平换用小喷孔喷嘴环。

（3）透平涡轮端加装压缩空气管路供副机低负荷运转使用。

[1]杜荣铭.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,1999.