大功率中速柴油機曲軸箱油霧爆炸分析

王海洋

（昆山調(diào)峰電力有限公司）

導讀：

由油霧引起的柴油機曲軸箱爆炸，即使不考慮人身傷害，也會造成嚴重的經(jīng)濟后果。

通常油霧由主軸瓦、連桿大端軸瓦燒傷引起，隨著柴油機氣缸內(nèi)噴壓、爆壓不斷提高，也開始出現(xiàn)活塞組件疲勞破壞導致更嚴重的曲軸箱爆炸，結果不僅要更換活塞總成、氣缸套，甚至要更換曲軸。

由此可見，安裝油霧探測自動保護裝置，并在日常柴油機中修、大修時對重負荷運動件探傷檢測就顯得特別重要。

以下是某大功率柴油機電站主機曲軸箱油霧爆炸事故分析。

一、相關參數(shù)

該柴油機為MAK8M601C、四沖程、8缸直列式、缸徑580mm、沖程600mm、燃重油。

1、運行參數(shù)

額定功率9800kW，額定轉速428(r/min)，平均有效壓力2.23MPa，Z高燃燒壓力 16MPa，壓縮比13.15，每天按95％額定功率全自動程控連續(xù)運行12至15h，累計運行1.6萬h。

2、維護保養(yǎng)

按MAK維修手冊，在MAK工程師指導下，周期性完成3000h保養(yǎng)、6000h中修、9000h保養(yǎng)、1.2萬 h大修、1.5萬h保養(yǎng)項目。

3、爆炸相關部件

曲軸箱防爆閥為自動閉合阻燃式、0.02MPa開啟、賀爾碧格產(chǎn)；活塞總成德國KS公司產(chǎn)；活塞銷材質為低碳合金鋼、表面滲碳淬火、外徑 240mm、內(nèi)孔80mm、長490mm、重156kg；活塞群材質為鑄造鋁合金；氣缸套材質為合金鑄鐵、內(nèi)孔表面軟氮化處理。

二、故障經(jīng)過

1、故障現(xiàn)象

3號機進入16000h運行時段后，某日開機運行數(shù)小時各參數(shù)正常，負荷平穩(wěn)，至12：54時曲軸箱突然發(fā)生爆炸，機側黑煙滾滾，機工馬上按下緊急停機手柄，再手動起動電動滑油泵、淡水泵，防止柴油機部件過熱 ，此刻發(fā)現(xiàn)滑油自動反沖洗濾器超頻次動作反沖，暗示滑油系統(tǒng)不明顆粒物過量。

經(jīng)保險公司許可，打開機體防爆門檢查，發(fā)現(xiàn)1缸嚴重拉缸，氣缸套下方四周、油底殼布滿鋁合金顆粒。

2、 1缸部件損壞程度

(1)活塞頂

各環(huán)槽很干凈、沒有積炭，但拉缸時受熔著金屬擠壓，環(huán)槽嚴重變形，鍍 鉻層脫落，活塞環(huán)在槽內(nèi)卡死不能動，切斷后敲出。

(2)活塞裙

外圓80％以上面積出現(xiàn)熱熔性粘著深度(1～3mm)磨損且磨痕與氣缸套中心線平行，活塞銷座孔被活塞銷斷口軋壓變形。

(3)活塞銷

在活塞裙內(nèi)卡死、無法轉動，兩端止動卡簧變形無法拆卸，Z后破壞活塞裙才取出，活塞銷開放式折斷成兩截銷內(nèi)孔有一處面積8mm×50mm滲碳表層脫落 (平行于銷中心線)，其平行立面斷口處有一深30mm寬 50mm邊緣分明的疲勞磨損亮帶，由此亮帶沿軸向展伸出整個不規(guī)則大斷面。

(4)氣缸套

內(nèi)孔表面粘附有大量的鋁合金熔化皮，與孔鑄鐵表面呈膠著狀態(tài)，手工無法剝離，送專業(yè)缸套廠珩磨后，內(nèi)孔橢圓度達0.6mm(應<0.3mm)。無法修復。

(5)連桿總成小端襯套

Miba產(chǎn)三金屬軸瓦，經(jīng)活塞銷斷口切擠，表面鉛鍍層與鎳柵完全破壞，銅鉛合金底層完全呈現(xiàn)并深損，參照Miba公司軸瓦比較 圖譜，不能使用，后通過鋸開取下再浸液氮冷裝新襯套。

三、故障原因分析

1、 現(xiàn)象分析

柴油機在95％額定負荷(單缸1160kW)運行 ，活塞銷突然折斷，其斷口軋入連桿小端襯套及活塞裙銷座孔，兩端也被卡簧卡住，無法轉動，致使活塞無法在上下往復運動中 自由擺動，其裙部下緣與缸套內(nèi)孔由柔性 面接觸變成剛性線接觸，過大的表面接觸應力破壞了氣缸油膜而產(chǎn)生干磨損。

摩擦熱會合下竄的高溫燃氣，很快使活塞裙部鋁合金固熔并剝落，熔著部位又被沒有停止的上下運動撕裂，產(chǎn)生磨粒 (小顆粒由自動濾器反沖去分油機分離，大顆粒后由機工進曲軸箱從油底殼清出)成為加劇表面磨損的磨料。

磨料在運動中堵塞了4只氣缸油出油孔，經(jīng)磨料的堆積、過熱、擠壓 ，又造成活塞環(huán)槽變形，所有活塞環(huán)在槽中卡死無法回縮和張開，氣缸套也因熱變形、內(nèi)孔橢圓度 由 0.1mm增大至 0.6mm，氣缸下部氣封徹底破壞，高溫高壓燃氣直接下沖進入曲軸箱與滑油油霧混合 (滑油氣化溫度約200℃，閃點 270～350℃)，油霧濃度達到可燃混合比即發(fā)生爆炸。

2、原因分析

柴油機運行中活塞銷突然折斷引發(fā)曲軸箱爆炸可以認定。

但制造商認為活塞銷折斷是使用方運行方式不當、過載引起，但我方認為與部件材質有關。

理論依據(jù)如下：

（1）材質與金相組織

大功率柴油機活塞銷一般由低碳合金鋼鍛制后加工，表面滲碳淬火后精磨至0.2μm的粗糙度，滲碳層一般是1～2mm厚的馬氏體組織。

如碳含量過高，滲碳層易出現(xiàn)大量塊狀、網(wǎng)狀碳化物，使脆性增加，容易在氣缸正常燃燒壓力沖擊下剝落，而滲碳層過薄易引起表面疲勞剝落。

（2）設計應力

按設計理論及應力場分析。

活塞銷負載時所受Z大壓應力與拉應力均在內(nèi)孔表面的不同點上，故損壞一般自內(nèi)孔 表面開始。然后沿內(nèi)孔的長度方向發(fā)展產(chǎn)生裂紋(可觀察斷銷內(nèi)孔表面的脫落層)。

（3）可靠性及壽命

按制造商使用說明書，活塞組件大修期3萬 h(累計運行時間未達3萬小時可不拆檢)、經(jīng)濟壽命6～7.2萬h，此次活塞銷運行1.6萬 h就發(fā)生折斷，失效期大大提前，不正常。

四、防范措施

(1)定期拆檢活塞銷。

按MAK維修手冊，活塞銷檢查屬不定期項 目，為防同類事故再發(fā)生，公司主動對三臺機組所有活塞銷進行拆檢。

發(fā)現(xiàn)1號機3缸、7缸活塞銷內(nèi)孔有肉眼可見縱向裂紋，先著色探傷確認，后超聲波探傷 ，裂紋長120mm、深50mm，如繼續(xù)使用 ，還會發(fā)生二次曲軸箱爆炸。

據(jù)此，公司自行規(guī)定：每逢柴油機周期性6000h中修、12000h大修，必須拆解活塞組件、對所有活塞銷表面進行探傷檢查。

(2)安裝油霧探側報警裝置。

每臺機安裝德國SCHAller產(chǎn)VN115/93型油霧探測器，在運行中監(jiān)測曲軸箱內(nèi)油霧濃度，在部件嚴重損壞之前自動報警觸發(fā)停機避免機損事故。

(3)加裝主軸瓦溫度監(jiān)視。

五、結論

因三臺機氣缸總數(shù)24只，運行1.6～1.8萬小時，就有3只活塞銷(一只已折斷)出現(xiàn)裂紋，德國KS公司一個批次產(chǎn)品失效率達12.5％，實屬少見。

經(jīng)MAK公司與我司認可,有裂紋未斷開的1號機活塞送往船業(yè)公認權威檢測機構“新加坡動力科技有限公司”，解剖進行金相、晶狀組織檢測。

測鑒定結論如下：活塞銷由于疲勞斷裂損壞，主要原因是內(nèi)孔硬化層下有一簇氧化雜質;活塞銷鉻含量、硬度、硬化深度不符合標準，晶狀圖顯示有帶狀及不規(guī)則簇狀鐵素體，導致材質物理及化學性質不均勻，降低抗疲勞強度。

據(jù)此結論，MAK公司改用德國MAHLE(馬勒)公司活塞總成,并優(yōu)惠供我司一套活塞總成、兩只活塞銷、一只氣缸套，保證機組繼續(xù)安全運行。

（來源：柴油機）