【船机帮】某船右主机活塞拉缸故障分析与排除

某船主动力设备为 2 台8L20/27柴油主机，分左右舷布置，额定转速1000 r/min。

每机配置增压器、齿轮箱各 1 台，增压器型号NR20型，齿轮箱型号为GWC3235型，增压方式采用等压增压。 

在一次航行中，其右主机废气涡轮增压器发生了较剧烈的喘振现象，导致主机冒黑烟、转速陡降，其排烟温度及淡水温度急剧上升。

经检查右主机各缸出现了轻重不一的拉缸现象。

根据其结构特点并结合故障发生时的实际工况，对右主机故障做了一次较全面的分析，并较好地解决了这个问题。

现将其喘振、拉缸故障的原因分析、处理及解决过程综述如下。

该船出航检查一切正常，2 台主机启动、空车运转正常，各参数也无异常。

接排后转速由 450 r/ min 逐渐加速至 630 r/min、840 r/min，各档转速共计运行1.5 h，加速至 970 r/min 运行3～5min 时，右主机增压器发生激烈的喘振现象，机舱人员立即着手检查，紧接着又发生第二次喘振，发现右主机转速陡降 150 r/min 左右，排烟温度、淡水温度急剧上升。

机舱人员立即采取机旁减速停机措施，进行充油盘车，在随即检查中发现右主机 5#缸出现了较明显的拉缸现象，其余各缸拉缸现象较轻。

由于该船右主机是在 970 r/min 发生了增压器喘振和 5# 缸严重拉缸的故障，时间很短，船方没有记录当时的主机参数，但调阅了 2 台主机在 450r/min、630r/min、840r/min 时 3 个工况的参数，发现排温、滑油压力、淡海水压力、增压空气压力等一切正常。

为了更好地查找故障原因，又查阅了以往 2 台主机各工况参数，特别是右主机在高速段的工况参数，结果发现参数无异常。

但从船方反映当时的情况来看，可以认为，该船右主机在 970 r/ min 发生的喘振、拉缸 2 个故障现象有时间先后之分，应该是先发生喘振故障，而后继而发生了 5# 缸的严重拉缸故障。

问题的关键是查清 2 个故障发生的真正原因，即喘振是如何发生的，而拉缸故障是否是喘振故障的直接影响结果，由此，针对这个问题进行分析如下。

1.右主机喘振故障 

所谓的增压器喘振，究其机理就是由于在空压机出口产生了较高背压，使空压机的实际流量小于该转速下引起喘振的限制流量，造成气流与叶片的强烈撞击与脱离而发生的宏观现象。

8L20/27 柴油机的结构与其它机型略有不同，该型柴油机采用MPC增压系统。

与类似的等压增压系统相比较，其排气总管容积要比正常的等压增压的排气管小的 多，直径通常只有汽缸直径的50%～60% ，不仅充分地利用了废气的压能，而且又能部分地利用废气的脉冲能量，避免了在排气管内产生干扰扫气的较强的压力波，具有能量转换损失小的脉冲系统的优点及结构简单的定压系统的优点，因此在整个负荷范围内提高了柴油机的综合性能。

涡轮增压柴油机mpc增压系统设计

其增压系统最突出特点就是 NR20 型增压器的高转速、高压比，与柴油机配合转速最高达44 000r/min，压比可达 2.8～3.0 左右。 

既然该机型设计上存在这个特点，那么探讨该型柴油机的喘振原因时，除了常规原因外，其在结构上的特殊设计也应被列入查找内容: 

首先是在机体背离操纵侧安装有 2 个逸气孔，位置在 1# 缸及 8# 缸处，直径为 4.5 mm 左右。

推测其功能应可用来充当空冷器漏水检查指示孔。

另外，发现这 2 个逸气孔是常通的，同样可以推测这 2 个常通逸气孔对改善和控制增压空气压力也有相当影响力。

在日常使用中，这 2 个通气孔会出现锈死现象，会直接对增压器空压机出口端压力产生影响，可以引发增压空气压力的异常上升而发生喘振现象。

其次是经空压机增压后的新鲜空气进入机体内首先流经汽缸套下部四周的气腔，在完成对各汽缸套的冷却后，再经过中冷器冷却后进入各汽缸。

这一程序就存在压力空气先升温后降温问题，如果有几个汽缸工作异常，也会对柴油机燃烧性能产生影响，最终导致增压器的喘振。

最后是机体空冷器出气侧至各缸头进气口有一个均匀开有相应矩形口的钢质托板，该 托板使用专门的粘结剂粘结在机体上，并通过 7 个螺栓固定在机体上，保证各缸获得近似平均的新鲜空气量。

如果该托板脱落或者托板与机体之间的密封件脱落，就会出现部分增压空气没有经过空冷器而直接进入各缸燃烧室，直接对柴油机燃烧的好坏产生影响，间接或直接地诱发喘振故障的发生。 

考虑到该船多次出海左右主机均加速到 970 r/ min，而且各工况参数无异常，认为该船柴油主机应处于比较良好的技术状态，即硬件应是比较正常。

考虑其结构特点，对上述特殊结构的 3 处也进行了检查，结果发现: 

第一，2 个通气孔无堵塞现象; 

第二，根据实际主机运行情况，确定了柴油机喘振与拉缸故障的先后顺序，从参数分析可以肯定发生故障时，各缸工作没有出现异常; 

第三，抽出空冷器，发现空冷器很干净，其上托板也无脱落现象。

这样，前面所述诱导柴油机增压器喘振的几点可能性得以排除。

该船右主机是接连发生2次喘振故障，但第2次喘振的发生应属能接受的正常结 果，关键在于查找第1次喘振发生的原因。

查阅该机的保养维修记录，结果发现 1 个出现多次的维修项目，即右主机海水压力波动故障。

船方认为这个故障属于常规故障，而每次仅对海水过滤器螺栓进行了紧固，而且紧一下就好了。

起初船方还怀疑机带海水泵有故障，但打开进水口端盖后发现叶轮无问题就没再关心该故障。

而实际上，在该船发生增压器喘振故障时，船员反映的确右主机出现了冷却海水压力波动的现象。 

经过研究分析，认为该船右机增压器喘振的原因与其海水压力波动有相当的关联。

其原因解释如下: 

8L20/27 柴油主机的机带海水泵供给的海水有一路直接到空冷器冷却增压空气。

经空冷器冷却后的增压空气再通过上托板所开的各矩形口进入各汽缸。

由于种种原因，海水泵供给空冷器的海水进气，海水压力外观出现了波动的现象，这实质是反映了实际输入海水量的减少，而在柴油机高速段，这个问题就愈演愈烈。

而冷却海水量的减少，直接影响了对增压空气的冷却效果，进而减少进入各缸新鲜空气的供给量，而且也不同程度提高了各汽缸燃烧室初始进气温度。

这些不利条件使得汽缸燃烧室燃烧变差，进而导致各缸排气温度升高，右机增压器涡轮前排温也会大大提高，结果极大地提高了 增压器转速，增压空气压力也出现异常上升，最终引发了增压器与柴油机工况的瞬时失配，即喘振现象发生。

因此在柴油机加至高速 970 r/min 短暂时间内出现喘振，是增压器与柴油机工况失配的必然结果。

增压器在高速段出现刺耳的放炮声，机舱人员在紧张的气氛中查寻故障并不能做到准确定位并排除 ( 当然也未能记录各实际参数) ，于是增压器在喘振暂缓片刻后又发生了第 2 次喘振。

这些迹象都充分展示了柴油机喘振的外观特点。 

在随后组织的对右主机海水系统排故检查中发现: 

一是右主机海水过滤器放气旋塞断掉，过滤器密封垫损坏; 

二是海底门通气系统阀门锈死，处于完全关闭状态; 

三是机带海水泵无放气旋塞。

所以，该船右主机此故障由来已久，完全出于对细小环节的疏忽管理的结果。 

实际上，柴油主机运行中出现海水压力波动应是一种常见故障，其对柴油机运行的影响因 “机” 而异。 

大多数情况下，故障后果的显现需要一段时间，如其对主机淡水温度的影响: 

当燃烧室热负荷提高后，淡水出机温度立即上升，但由于淡水系统调温阀的存在与作用，淡水系统冷却能力尚能维持，但其影响力存在一个 “临界点”，即海水冷却系统故障的严重程度及作用时间，当故障接近或超出这个 “临界点”后，淡水温度就无法满足柴油机的需要。

至于增压器喘振故障的发生，道理也是同样的，每型柴油机原始设计中增压器空压机的运行点距喘振线都留有一定的裕度，专门应付柴油机出现的极端工况，包括故障工况和机器性能下降工况等等。

该型柴油主机不同于其它型号的柴油机，像前文中提到的该型柴油主机设置的 MPC 增压系统、增压器高压比及机体专门设置 2 个常通逸气孔等等，这些因素存在的特殊性，使得其对海水系统的工作能力的要求相对比较苛刻。

在这里，海水压力波动对其主机增压器喘振故障发生的影响力与转速的高低有关，其海水系统削弱的冷却能力在柴油机达到一定的转速后就起到了质变作用，即促使了增压器与柴油机工况的瞬时失配。

如果右主机在第 1 次发生喘振的时刻，立即将主机降速 ( 甚至停车) ，这样的话，右主机增压器与柴油机工况的瞬时失配就可以立即得到缓解，第 2 次喘振就可以完全得到避免。

2．右主机拉缸

所谓拉缸就是活塞环与汽缸套或者活塞 (常为裙部) 与汽缸套之间 2 个相互运动的表面发生的异常作用而造成的表面损伤。

按常规而言，导致柴油机拉缸的原因很多，但针对该右主机的拉缸故障，认为主要的原因还应是增压器发生喘振后船方采取措施不及时的结果，当然也有其它方面因素，如燃烧室组件原始的制造误差及长时间使用后其功效下降的因素等等。 

其原因分析如下: 

该右主机第 1 次发生喘振后，机舱管理人员没有立即查找出原因也没有采取降速措施，在短暂时间内又发生第 2 次喘振。

发生喘振的增压器一个最显著的特点就是空压机出口压力急剧下降。

这对柴油机而言，进气量马上得到了削弱，各缸发出的功率立即下降，但此时柴油机的调速器马上有一个增大油门动作，力图阻止柴油机转速或功率的下降，这时可以观察到机旁操纵杆的油位刻度已达到超出额定工况的油位，各缸热负荷急剧上升，但转速不升反降。

右机转速急降 150 r/ min 左右后，其机带滑油泵、淡海水泵输送能力也随之下降，随即下降的是系统所提供的润滑和冷却能力。

但做为制造精良、精细管理而技术状态良好的柴油机也许不会出现拉缸现象，但对于该船而言，在航已经多年，柴油机的技术状况已有所下降，如各缸活塞头部滑油冷却腔有积垢、活塞环间隙增大有积碳、各摩擦副间隙变大等等，都直接或间接地影响废气涡轮增压器与柴油机的工况匹配。 

另外，该型号的柴油机在结构上也有不容忽视的一点，就是前文所提到的空压机新鲜压力空气的流经路线与功能与其它柴油机略有不同，该型柴油机的增压空气是先完成对各汽缸套的冷却后，再经过中冷器冷却后进入各汽缸。

当右主机发生喘振故障后，右机压力空气出现了逆流，在这个瞬间，各汽缸获得的冷却效果实际上是下降的，对当时发生的拉缸故障起到了推波助澜的作用。

实际上发生严重拉缸的 5# 缸的技术状态极可能是右主机 8 个缸中最不好的一个，在这个短时超负荷、缸套预冷效果又下降的工况下，增压器喘振就引发了拉缸这个多米诺骨牌效应。

通过充油盘车检查，在所能看到的 5# 缸内壁局部区域发现了明显的纵向拉痕，而检查其它 7 个缸也有轻重不一的拉痕。

由于该型柴油机结构特点所限，原地观察各汽缸拉缸程度有较大的局限性，因此，从安全角度考虑，建议船方吊缸检查，并根据实际情况对各汽缸进行修换。 

可见，该船右主机发生的喘振故障实际上是船方对主机海水冷却系统的微小故障处理的疏忽或不彻底。

由于该故障平时多次出现，船方每次也算是 “排除”了，但没有一劳永逸地根除故障。

而当在柴油机高速时发生增压器喘振故障时，机舱人员现场监管不力，处理故障方法不当，导致右主机短时间内连续出现 2 次增压器喘振现象。

如果右机第 1 次发生喘振时就能及时降低右主机负荷，甚至停机，就完全可以避免右机第 2 次喘振的发生，而右机随之发生的拉缸事故也就更不会出现了。

停机后，船方若及时采取正确的处理方法，拉缸的程度则不会扩大。

从上述故障的分析来看，该型柴油机对海水系统的工作是否正常的确有相当高的要求。

海水过滤器的进气，导致机带海水泵的流量出现不足，直接影响空冷器的冷却效果，使得柴油机在使用工况下的各缸进气量不足、不均，提高了各汽缸燃烧室初始进气温度，使得汽缸燃烧室燃烧变差，最终导致了右主机增压器喘振故障的发生。

由于没有查到故障真正的原因，而且采取处置的措施也不得当，最终导致右主机发生了拉缸事故。

在以往海水压力出现异常波动期间，机舱管理人员未能给予足够的重视，排除故障的方法过于简单，没能预见到这个小故障的极端后果，不了解当初没有发生大的故障是与当时主机转速较低有关，管理人员只是简单地把过滤器端盖紧固螺丝紧了一下，没有进一步查找原因，如更换过滤器密封垫等等。

这样，一个平时很容易处理好的问题结果因疏忽而导致了比较大的危害，可谓 “千里之堤，溃于蚁穴”。

由此可见，柴油机管理者平日养成一丝不苟、严肃认真的工作态度是何等的重要。

END