G3608 发动机膨胀水箱溢流故障分析及处理

2023-01-03龙剑

设备管理与维修 2022年19期

龙剑

（西南油气田公司蜀南气矿塔里木油气工程分公司，新疆库尔勒 841000）

0 引言

国内某天然气处理站配置7 台CATERPILLAR 公司的G3608型燃气发动机组，设计处理能力2×105m3/d，功率2225 HP（1635 kW）。G3608 型燃气发动机采用双独立循环冷却水系统，主要由空冷器水箱、膨胀水箱、夹套水循环水泵、中冷水循环水泵、夹套水节温器、中冷水节温器、冷却管路、风扇等组成。一套循环冷却水系统主要是对发动机缸体、夹套、缸盖、涡轮增压器进行冷却的夹套冷却系统；另外一套循环冷却水系统主要是对发动机机油冷却器、压缩空气后冷却器、压缩机缸套等进行冷却的中冷水系统，两套冷却水系统均接入各自的高位膨胀水箱（图1）。

图1 G3608 发动机双循环冷却系统组成

1 故障现象

由于使用年限较长，机组冷却液空冷器换热效果较差。更换冷却液空冷器后，在启机试运过程中D 机组出现发动机夹套冷却液膨胀水箱溢流现象。检查夹套冷却液系统，现场就地温度表显示60 ℃，远传DCS 温度显示60 ℃，未到夹套水温高联锁停机值。使用红外测温仪手动检查夹套水进空冷器温度63 ℃。

2 故障分析及处理方法

2.1 冷却水系统

冷却水系统是保障发动机平稳运行的重要辅助系统，它通过冷却液循环带走发动机和压缩机运转过程中产生的多余热量，再通过空冷器将冷却液携带的热量与空气进行交换，从而保证机组工作在一个适宜的温度，保持在最佳的工作状态。冷却水系统的换热效果直接关系到发动机组运行的安全性、可靠性和经济性。

（1）夹套冷却水系统流程：如图1 所示，水泵位于发动机的右前侧，水泵有一个由下部右前齿轮组驱动的齿轮。从空冷器水箱流出的冷却液流入泵的进口，水泵叶轮通过旋转将冷却液经过弯管推向缸体侧。缸体内的冷却液在缸套的四周流动，靠近缸套的顶部的夹套较小，这种狭窄的通道能够使冷却液流速更快，从而更好地冷却缸套。冷却液通过水导向管泵入缸盖内，冷却液流经缸盖内的气门和排气通道周围的水道。冷却液经由弯管流出缸盖后流入水歧管，再经由歧管流到冷却液出口，冷却液流出出口后流经节温器，当温度到达节温调节器开启温度时，冷却液返回空冷器水箱完成一个冷却循环。从缸体后部水套流出的冷却液经由供水管流向涡轮增压器，从涡轮增压器流出的冷却液再经由回水管返回缸体。从涡轮增压器顶端连接一根通气管到膨胀水箱，从接头连出的通气管必须笔直，且稍微向上倾斜，保证排气通畅。通气管的主要作用是将涡轮增压器运转过程中，废气涡轮端高温造成的冷却液气体直接引入膨胀水箱，以免造成气堵，避免增压器因换热不良而造成高温损坏。

（2）中冷水系统流程：如图1 所示，后冷却器及机油冷却器水套水泵从空冷器水箱将冷却液输送至发动机机油冷却器，同时输送至后冷却器冷却涡轮增压器增压后的空气，再流经节温调节器，当温度达到节温调节器开启温度时，冷却液回到空冷器水箱完成一个冷却循环。

（3）高位膨胀水箱的主要作用：①吸收膨胀作用。冷却液流经发动机夹套吸收发动机工作时产生的大量热量后产生大量蒸汽泡。在进入水泵循环之前，气泡会通过通气管进入膨胀水箱，起到气液分离的作用。一部分水蒸气会遇冷液化重新进入冷却循环，另一部分水蒸气则会因膨胀水箱空间及压力被排出到空气中；②释放补偿作用。冷却液中的水蒸气被膨胀水箱吸收，循环中的冷却液因此减少，为弥补冷却液的缺失以及提升冷却水泵吸水一侧的压力，存储在膨胀水箱中的冷却液就会进入散热循环，通过冷却水泵进行循环，补充冷却系统中因蒸发和泄漏而损失的水量，并保证冷却水泵有足够的吸入压力。

2.2 使用排除法排查故障成因

（1）检查膨胀水箱溢流时，夹套水实际温度是否已真实达到沸点。通过检查就地温度表显示、远传显示、手动红外测温检测，实际水温只有60 ℃左右，远低于夹套水沸点，故排除此故障成因。

（2）投运空冷器时未对系统进行排空，使冷却水系统内存有大量空气造成气堵，最终从膨胀水箱处溢流。实际在设备空转时，该夹套水系统放空阀处于打开状态，直至系统中空气排尽即泄气阀有冷却水溢出时，才关闭此放空阀（图2）。维修人员在加注冷却水时均按照操作规程从厂家指定加注口加注，该加注口位置较低，加注过程中冷却水由低至高，避免加注过程中产生气堵。故排除此故障成因。

图2 放空阀

（3）夹套水系统中通气管堵塞，使系统中水蒸气无法及时通过膨胀水箱逸散口排除，从而造成冷却水从膨胀水箱溢流。膨胀水箱通气管堵塞，会严重影响冷却系统的正常工作。首先，当发动机冷车加注冷却液时，由于通气管堵塞会造成发动机水套和空冷器水箱中的空气不能及时排出，使冷却液不能注满整个系统，看似膨胀水箱中冷却液已经加满，实际上发动机水套和散热器中处于半空状态，造成冷却液不能正常循环，发动机温度上升很快，经常发生冷却水系统“开锅”、喷水，但又补充不了多少冷却液的故障现象。其次，发动机虽然已经注满冷却液，但在使用中由于通气管发生堵塞，在发动机运行过程中，随着冷却液温度的逐渐升高，会产生一些蒸气，如果这些蒸气聚集在散热器上方会妨碍冷却液的流动并影响散热效果；如果这些蒸气聚集在节温器前方则会使节温器脱离冷却液，节温器主阀门不能随着冷却液温度的升高而及时打开，形成气阻造成冷却液大循环不能有效进行，因此发动机经常会出现温度过高现象。蒸汽的聚集还会排挤冷却液，形成膨胀水箱溢流情况。该空冷器为新投运空冷器，若管束在制造过程中，清洁不彻底，管束内异物堵塞通气管，使水蒸气无法排除，也会造成溢流。维修人员将各处通气管线连接弯头（图3）拆开仔细检查，通过压缩空气对通气管路进行吹扫，管路畅通未发现通气管内有异物，故排除此故障成因。

图3 通气管线连接弯头

（4）夹套水系统加注冷却水过多，机组运行过程中水温增加、体积增大，造成溢流。核实实际冷却液加注量和膨胀水箱液位计显示均在规定范围内，故排除此故障成因。

（5）夹套水冷却系统中某一节点存在串气，高压气体大量进入冷却水系统，造成膨胀水箱溢流。排查夹套水循环系统的每个节点：①检查发动机缸套外壁有无水渍，若缸套存在裂纹，缸套内气体也会进入冷却水系统，同时冷却水也会进入曲轴箱，在污染机油的同时造成冷却液异常消耗，检查未见异常；②检查发动机汽缸盖，验证汽缸盖冷却水系统是否存在串气点。检查时发现动力4#缸火花塞表面湿润，打开缸盖凡尔盖，发现预燃室总成固定螺栓断裂（图4），导致该节点出现缝隙，使汽缸盖预燃室冷却夹套水循环系统与气缸内空气与燃料气的混合气连通，混合气从此处串入夹套水系统，从而出现膨胀水箱溢流现象。