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船舶上主机缸盖垫片被吹出的原因分析与预防方法

来源:作者:发表时间:2018-11-23 15:53:26

 引 言

主机气缸盖和气缸套上部内表面既是主机的固定件,又是燃烧室的组成部分,其工作条件极其恶劣,会直接受到高温高压燃气的气蚀作用,并承受着高频变化的机械负荷与热负荷作用。气缸盖与气缸套之间安装有密封垫片,虽然很薄但作用很大,其出现问题的概率较高。
 
当主机需要高速运转时,垫片很容易被高温高压的燃气吹出,产生燃气泄漏。如果不及时处理,很容易造成气缸头与气缸套的密封破坏,给船舶的安全营运带来隐患。
 
1 故障描述
        某船某航次航行途中,发生主机No.4缸气缸盖与气缸套连接处漏气现象。由于很快就要靠港且现场观察工况,发现主机可以持续运行,于是决定低速航行维持到港后检修。靠泊完成后拆除该气缸盖,发现气缸盖垫片严重变形,圆周多处沿径向方向被不同程度地挤压出去,最终在最先失去垫片密封位置处泄漏燃气,进一步导致气缸盖和气缸套在该处被高温高压燃气吹蚀出一道浅沟,见图1。
受损的气缸套顶密封面
2 故障分析
零部件变形的原因较复杂,往往是几种原因共同作用的结果,而且这种变形不一定是一次产生的,可能是多次变形累积的结果。
(1)垫片受交变应力及高温高压燃气的作用,因材料质量的原因,使得材料的屈服强度过度降低,随着时间的增加,垫片将缓慢地发生塑性变形至永久变形,最后被高温高压燃气吹出。
(2)在吊缸检修过程中,安装气缸盖时未按说明书要求拧紧气缸盖螺栓,导致该螺栓在主机运行时松动,垫片上下的挤压应力不足以克服垫片的塑性变形及高压径向往外的挤压力。气缸盖与气缸体的密封面在使用中容易烧蚀,在拆装时又易碰伤,使得密封面凹凸不平,垫片保存不当后锈蚀。尽管安装时打磨除锈,但也破坏垫片的平整性,密封面受力不均。安装过程不当,造成气缸盖落座后垫片偏移正确位置,垫片内圈密封面积减小,垫片外圈直接被气缸盖外圈突出部位挤压。
垫片圆周方向呈现不同程度的变形变形最严重部位几乎断裂
这些因素加上高温高压燃气的作用,使得垫片径向变形,最终被燃气吹出。图 2 显示该垫片圆周的多个方向被不同程度地吹出;图 3 显示局部完全吹出后,垫片因燃气冲刷而变成黑色。
 
(3)液压工具压力表计量不准,导致压力表显示的预紧力与气缸盖螺栓的真实预紧力不符。预紧力过大,使得螺栓过度拉伸而变形;预紧力小,未达到说明书的预紧力(900 bar)安装要求,存在气缸盖垫片变形进而漏气的隐患。
(4)按照说明书要求在吊缸检修后,主机运转200 h 左右后及每运行间隔 6 000 h,需要在停车状态复核气缸盖的螺栓预紧力。由于各种原因,大多数轮机主管人员未对此引起足够多的重视。
 
3 故障排查
笔者所在单位的船舶重要设备、大型设备都采用原厂备件,排除备件材料本身的问题,然后从安装检修工艺和液压工具的使用这 2 方面考虑。
 
图 4 是其他缸之前发生燃气泄漏后换新气缸盖垫片至该缸正常周期吊缸时拆下的垫片,可见也已发生弯曲变形。该垫片仅仅使用 7 216 h。图 5 是其他缸正常吊缸检修时拆下的垫片,发现除有压痕外并未发生变形,使用时间为 22 875 h。这说明气缸盖垫片在使用中并不一定会发生变形。
该缸垫片仅运行 7 216 h垫片安装良好,预紧力合规,运行 22 875 h
在吊缸检修时,一定要将气缸盖和气缸套密封面清洁干净,仔细检查密封面的平整度,修复坑点,必要时用专用工具研磨。使用保管良好的气缸盖垫片,确保机件与备件在安装时处于良好状态,严格按照说明书要求的步骤和预紧力拧紧缸盖螺栓由于排烟管的烟囱效应,在安装气缸盖时,气缸盖与气缸套之间会有气流吸入。气流从打开的排气阀进入排烟总管,使得气缸盖垫片跳动离开原始安装位置。有些轮机员会在此时快速放下气缸盖,以压住刚开始跳动的气缸盖垫片。这样不仅压偏气缸盖垫片,而且由于气缸盖底部外圈有 4 处突出,直接导致垫片被压变形。
 
因此,安装气缸盖时需要阻止气流或改变气流路径,解决气流对气缸盖垫片的影响。可以使用 1块板盖住该缸在排烟总管上的废气入口,或始终保持安装在气缸盖上的排气阀处于关闭状态来阻断气流,或盘车至该缸活塞处于下止点露出扫气口,这样气流从下而上穿过气缸盖垫片中心孔,经过打开状态的排气阀进入排烟总管。
 
气缸盖必须缓慢放到位,切忌快速落下。一旦垫片发生偏移,可以重新抬起气缸盖正确放置垫片。该船在发生主机气缸盖垫片被吹出漏气后,认真分析原因,在吊缸时发现液压工具泵压至 850 bar时,气缸盖船首方向的 4 个螺栓就可以旋松,气缸盖的剩余预紧力比说明书规定的 900 bar 少 50 bar。查阅检修记录,明确当时检修轮机员严格按照说明书规定的900 bar 预紧力拧紧气缸盖螺栓,也按规定进行吊缸后运转 200 h 左右复核预紧力并收紧。根据笔者所在公司大多数船舶和本船对主机的使用情况,不应该有这么大的预紧力降低。
 
液压专用工具的校验是船员经常疏忽的地方。在船上条件有限的情况下,将副机吊缸液压专用工具的压力表与主机吊缸液压专用工具的压力表同时受压,对比 2 只压力表的读数,结果发现主机液压工具的压力表指示900 bar 时,副机液压工具的压力表仅指示 890 bar,主机压力表指示值比副机压力表指示值高 10 bar。这 2 个压力表是相同厂家生产的,可信度较高。但主机压力表使用频繁,指示值偏差可能较大,而副机压力表使用相对较少,其准确性较高,因此二者测量结果有偏差。即主机气缸盖螺栓拧紧力实际并未达到说明书规定的预紧力,在周期变化的高温高压燃气的振动下,气缸盖螺栓更可能发生松动。
 
根据分析结果,在安装主机气缸盖使用液压专用工具时,提高压力表读数至 910 bar,使得气缸盖螺栓真实拧紧预紧力达到 900 bar,并在主机吊缸运行 200 h 后复核校验时,也考虑压力表的读数偏差,使得真实校验压力达到 900 bar。其他缸经过检查,发现气缸盖垫片有吹出迹象的气缸盖螺栓也进行重新校验并拧紧。
 
目前,该缸吊缸检修后已持续运行超过 6 000h,持续检查气缸盖垫片情况,未发现有吹出迹象。其他有吹出迹象的气缸盖垫片重新按正确预紧力拧紧后,定期测量外移量,未发生变化。
 
4 结束语
在轮机管理中,为防范气缸盖垫片被吹出泄漏燃气,防范措施应贯穿于整个检修管理保养过程中:
(1)使用来源可靠的合格气缸盖垫片备件。
(2)严格按照说明书规定的检修工艺,包括拆装、清洁、检查、修复、安装等做好检修工作。
(3)定期校验拧紧气缸盖螺栓,达到规定的预紧力。
(4)主机吊缸液压专用工具的存放使用管理要合适,定期校验专用工具压力表,使其能正确真实显示液压力,保证气缸盖螺栓的预紧力能达到规定值。
(5)日常管理中勤检查气缸盖垫片,查看气缸盖垫片外边缘是否有外伸现象,使用反光镜可以很方便地观察到一些不易查看的位置。发现问题及早解决,以免发展到气缸盖垫片被吹出的被动局面。
 
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