某工程船柴油机“伸腿”事故发生的原因探讨

2015-07-26蓝广林谭东丽张志清钦州学院广西钦州535000

山东工业技术 2015年2期

关键词：气缸套柴油机

蓝广林,谭东丽,张志清（钦州学院,广西　钦州　535000）

蓝广林,谭东丽,张志清
（钦州学院,广西钦州535000）

摘要：本文主要以某工程船的空气压缩机原动机为例，详细介绍了该原动机“伸腿”事故，并对产生事故的原因进行了深入的分析,找出事故的根本原因，并提出预防发生类似事故发生的相应措施，可供同行参考。

关键词：柴油机；伸腿；气缸套；热疲劳

四冲程柴油机在运转过程中,某个缸或某几个缸的连杆大端因失去束缚而造成的机损事故称之为“伸腿”。[1]事故发生的时候会导致柴油机连杆击穿机体；连杆、曲轴断裂；燃烧室组成部件损毁等机损事件，严重的话甚至会引起爆炸和火灾,对船舶的人命和财产安全构成严重的威胁。引起柴油机“伸腿”事故的原因是错综复杂的，但是不管是因何种原因引起的“伸腿”，都有一个共同的特征，就是连杆螺栓断裂。为了找到事故的根源，往往需要设备管理人员采用逆向推理的方法，透过事故的现象，由表及内，去伪存真，拨开各种假象的迷雾，才能找到导致事故的根源，并为预防类似事故的发生而采取有效的措施。下面就以某工程船的空压机原动机“伸腿”事故为例，剖析发生该事故的根本原因。

1　事故发生的过程

本文以钦州港作业的某水下炸礁船为例。此次发生事故的柴油机是空压机的原动机部分，生产厂家为美国卡特皮勒公司，型号为：CATC9ATCC、序列号：CLJ09491。自2006年3月投入使用至今已使用8年9个月、累计运行11005小时。该机于2012年8月累计运行至8327小时后在阿特拉斯公司维修厂大修。大修至事故发生时使用2678小时。

2014年12月31日，15：30正在在钦州港作业的水下炸礁船正在进行钻礁作业，事发时一号空压机正在使用，二号空压机停用，三号空压机正在做保养。值班人员突然听到“嘭”的一声从一号空压机传来，便跑过去查看，发现机油漏出，机组已自动停机，发动机右侧机体穿透性破损，第四缸连杆、活塞、缸套破碎掉出，电脑板破裂变形，机油和冷却水全部流出油底壳，拆下来的轴瓦和连杆如图1所示。

2　事故原因分析

事故发生后船公司迅速组织调查小组上船进行事故调查。并在柴油机的拆检过程中拍摄出具有重要参考价值的一组照片。拍摄的照片如下所示：

对拍摄的照片结合以往的工作经验和相关的理论知识进行分析主要可以得以下几点：

（1）如图2、3所示发现第四缸的曲柄销表面光洁,无明显划痕,无发蓝发黑现象。通过这些现象表明柴油机的润滑油及润滑系统工作正常，“伸腿”不是因为连杆大端轴承润滑不良，散热不良而过热导致的曲柄销被抱死而引起的。

（2）如图4、图5所示发现第四缸的两根连杆螺栓的螺帽没有松脱,但其中的一根连杆螺栓的头部断裂。这说明“伸腿”不是连杆螺栓的螺帽松脱引起的，而是由于连杆螺栓的头部断裂引起的。

（3）从图5的断口形貌特征来看,断口的形貌并无疲劳断裂的特征（即“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征）。

（4）从图6可以看到，缸套的右侧有三条明显的不规则裂纹,且呈龟裂裂纹状。

为了进一步得到柴油机“伸腿”，对连杆螺栓断裂进行分析。连杆螺栓的断裂可分为疲劳断裂和脆性断裂两种。疲劳断裂的宏观特征是：疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，根据断裂的信息记录。具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征。一个典型的疲劳断口往往由疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成，具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征，这种特征给疲劳失效的鉴别工作带来了极大的帮助。而脆性断裂的宏观特征是:新鲜的断口都是晶粒状的，有许多强烈反光的小平面。[2]经了解该柴油机大修时，所有的连杆螺栓已全部换新，至事发前才运行2678小时,远没有达到说明书所要求的20000小时连杆螺栓换新的使用极限，从行业经验来看，疲劳断裂的可能性并不大。并从图2-5的断口形貌特征来看,跟脆性断裂的宏观特征相吻合。而且从图2-6可以看到，缸套的右侧有三条明显的不规则裂纹,呈龟裂裂纹状。缸套的裂纹位置正好处于活塞在上死点的右侧，这个位置附近温度最高，缸套的内外壁面温差最大，受活塞撞击的力度最大，所以这个位置最容易产生热疲劳裂纹，并由表面向纵深发展，直至穿透。[3]热疲劳的产生和发展过程可以用下图2-7来说明。

图7中图(a)表示热量从壁的触火面A面向水冷面B面。图（b）表示温度分布，温度沿壁面近似直线变化。图（c）表示应力的变化。A面产生压应力，B面产生拉应力。当壁面的温度足够高、应力足够大时，就会在运行期间产生较大的蠕变，如图(b)所示。特别是在触火面温度高应力大时，在金属晶粒之间发生挤压，产生较大的塑性变形，并使该区域应力下降。当停车冷却后，由于非塑性变形的冷却面要复原，而塑性变形的触火面不能复原，导致壁面产生残余应力。这种残余应力的分布情况如图（e）所示。它使触火面一侧受到拉伸。由于启动、停车的多次重复，上述现象就多次出现，使壁面受到低频率的脉动应力作用。由于在高温下的材料强度降低，而低频应力在柴油机启动—全负荷运转—停车过程中数值变化很大，这样就使一些燃烧室部件在短期内出现裂纹。柴油在运转中如果有负荷的变化，也会使燃烧室受热部位受到低频应力的作用，只是此时的应力幅值比较小些。

由此，我们可以推断：柴油机在运行过程中，由于热疲劳的原因，缸套产生裂纹，缸套上部的裂纹穿透，冷却水喷进燃烧室，对做往复运动的活塞头产生强大的液击作用，强大的冲击力通过连杆传递给大端轴承，将连杆大端螺栓拉断，下瓦座松脱，连杆大端失去束缚，在离心力的作用下向右运动，连杆中部磕到缸套下部边缘，缸套右下部被连杆打碎，连杆也被打断，被打断的连杆飞出，击穿机体，以上这些运动几乎在瞬间同时发生。

3　故障简析

热疲劳与柴油机的累计转数无多大关系，主要取决于柴油机的启动—运行—停车的循环次数，故亦称低频应力。热疲劳产生的裂纹多数在触火面上形成和发展，以致造成损坏，因为这个部位受到较大的残余拉应力和较大的热应力与机械应力（筒形活塞式柴油机的汽缸套受到活塞侧推力的作用，当活塞侧推力方向改变时，活塞对汽缸套产生撞击，引起缸套的横向振荡）合成的压应力的交变作用。[4]另外，在触火面上还作用着高频热应力，虽然高频热应力紧涉及很薄的一层，但它会使触火面加速损坏。由于该空压机的主要作用是使用压缩空气吹出水下礁石钻孔中的碎石，其工作时间及负荷变化与钻机的工作时间密切相关。也就是说该空压机启停和负荷的变化都是比较频繁的。该空压机从2006年投入使用至今已有8年时间，但总运行时间仅为13500多小时，从该船的工作人员了解到，为了降低运营成本，船上的设备基本都是出于间隙启停状态，也就是说该柴油机的启停是相当频繁的，所以该机热疲劳故障的几率也会大大上升。