某型船用柴油机排气膨胀节损坏的故障原因分析

陈华伟

摘 要：排气膨胀节是船用柴油机排气系统的重要部件，稳定性直接影响船用柴油机的工作性能。某型海警船舶电站用的发电柴油机，长期运行在较高负荷，机组的工况恶劣、振动大，运行中膨胀节突发破裂故障。经现场故障诊断和厂家协助，判定故障原因是导流管焊接定位不准确，导流管偏心，在排气气流高速冲刷振动的情况下，与波纹管出现碰擦，形成疲劳破坏源，最终导致波纹管疲劳破坏。经修复改进后，膨胀节波纹管运行正常。

关键词：船用柴油机;排气膨胀节;故障诊断

随着船船领域柴油机性能的提高，船用柴油机对输出功率也有了很严格的要求，同时也需要确保其运行稳定。在这个情况下，船用柴油机各部件的工作环境变得更恶劣了。在这种恶劣工作环境下，柴油机的结构强度受到了较大的考验。特别是排气系统，连接了废气排放系统和废气增压系统，是船舶柴油机重要的组成部分，需要对其结构稳定性进行特定要求。

现代船用柴油机都配备了膨胀节，其目的是通过弹性补偿排气管轴向的位移，从而减轻排气系统和装备的振动。膨胀的节体结构以波纹管、导流筒、连接法兰为主。在船舶运行时，船用柴油机排气膨胀节受到柴油机运行时产生的振动，从而增加疲劳效应的危险[2]。

某型海警的电站中采用的船舶发电机，长期运行于85%至95%额定输出功率之间，且常发生超负荷情况，机组工作条件恶劣，振动较大。此类船舶柴油机的排气系统通过螺栓安装在机体上，由于刚度较小，导致运行过程中，此处的振动幅值是柴油机机体的最大幅值。在长期运行的船舶电站，用柴油机排气的膨胀节有可能导致波纹管开裂，严重的情况下导致整个引流筒断裂或碎碎[3]。如果因此产生的碎片，随着排气系统进入增压器，因为增压器的叶片处于高速旋转状态，微小的碎片也会撞击叶轮，甚至有可能打断叶片，就会产生严重的事故[4]。因此，针对船舶柴油机的研究中，越来越多的研究人员开始对柴油机的排气系统进行研究，以保证柴油机部件及整体的运行稳定性，减少排气系统故障的发生率[5]。

1 故障现象及初步排查

1.1故障现象

2016年，某海警船2#发电柴油机的膨胀节突发破裂故障。为防止事故进一步扩大，值班轮机员启动备用发电机，同时将2#发电机负荷转移并解列，其柴油机降速停机，然后通知轮机长进行处理。经船舶轮机部工作人员检查发现：3缸与4缸之间波纹管严重损坏，膨胀节附近的传感器电缆烧坏。故障图片如图1所示，完好膨胀节如图2所示。因船上没有备件，且担心增压器损坏，故联系了厂家的技术服务人员登船进行检查。经厂家技术人员对增压器状态检查发现：增压器的转子转动灵活，涡轮、喷嘴环、壳体等零部件没有发现损伤现象，增压器正常。因此，本次故障因处理及时，没有造成严重事故。从以上检查的结果可以判断，此次事故除膨胀节损坏以及烫伤膨胀节附近的传感器外，没有对柴油机造成其它的影响，柴油机本身的状态良好。

2.2初步排查

本海警船2号发电柴油机为 L21/31型号，由 MAN DIESEL & TURBO公司生产，外形图如下图3所示，具体参数如下表1。柴油机增压系统由排气管，增压器，空冷箱和扫气机组成的等压系统。增压器涡轮由柴油机排放的废气带动，同时涡轮驱动安装在相同轴上的压气机。压气机从机舱内吸入的空气是通过过滤器。空气被增压器吸进，通过空冷装置进入扫气箱，由进气阀通过各缸进入。废气经排气阀进入排气管，在这里各个缸的脉冲压力均匀。最后进入增压器通过以相同的压力方式，由消音装置排出，同时也可以通过增压器排放废气的出口排出。

排气管是分段式的，各缸通过膨胀节互相连接，以防止因膨胀产生过大的热应力。为避免过多的热损失并保持适当的外表面温度，排气管用隔热材料包裹。为了防止机体振动传递到排气系统，排气管一般通过柔性的波纹管与机体、空冷器或者增压器进行连接。

经现场分析，初步判断柴油机排气膨胀节损坏的可能原因有2个，一是膨胀节自身加工制造的质量问题，膨胀节内部存在缺陷或者应力集中，船舶工作环境恶劣，柴油机负荷高，高强度运行后，内部缺陷逐渐扩展，最终导致膨胀节损坏。二是膨胀节装配过程，品质控制不够严格，装配时产生了扭曲或者变形，使得膨胀节产生额外的附加应力，最终导致柴油机运行过程中膨胀节损坏。

柴油机等效增压传动系统由柴油排气管，增压器，空气制冷箱和增压扫气机部件组成的等压系统。增压传动器上的涡轮由于从柴油机内部排放的大量废气涡轮带动，同时两个涡轮压气驱动也是安装在相同传动轴上的涡轮压气发动机。压气机从发动机舱内外部吸入的新鲜空气通常是通过一个过滤器。

空气被增压器吸进，通过空冷装置进入扫气箱，由进气阀通过各缸进入。空冷器是紧凑式、散热面积大的两级管型冷却器，端盖设计为分隔形式。水雾捕获器是空冷装置的标准配备。废气经排气阀进入排气管，在这里各个缸的脉冲压力均匀。最后进入等压器，由增压装置的废气进入加压器，消音装置排出。

排气管是分段式的，各缸通过膨胀节互相连接，以防止因膨胀产生过大的热应力。为避免过多的热损失并保持适当的外表面温度，排气管用隔热材料包裹。

3 故障原因分析

3.1 装配过程品质控制

装配质量问题：经現场检查并调阅有关技术信息，本船发电柴油机的机体振动有可能通过机座、气缸套、机架等连接处进行传播。柴油机排气的膨胀节装配时，是在自由状态下，整个排气管连接好后，再整体装在柴油机上的。除了第一缸与增压器接管相连的膨胀节可能会出现安装扭曲的问题外，其余的膨胀节不会产生装配质量问题。因此3缸与4缸之间波纹管严重损坏故障，与装配无关。

3.2 膨胀节制造质量

膨胀节波纹管和导流筒通常焊接到法兰的入口，焊缝直接接受高温废气的冲刷，极易引起晶界腐蚀。这种腐蚀是在晶粒的边界处首先发生的，然后在晶界处向纵深发展的。此时，虽然金属的外观并没有明显变化，但其机械性能已大幅下降。尤其是在电站用的柴油机，燃料中的含硫分高，主要由硫产生的是二氧化硫，另有1%至5%的硫会被氧化成为三氧化硫，而这些三氧化硫则与大量水蒸气反应形成非常小的硫酸盐烟雾。硫酸气体是常见的耐火介质，易燃会使属于奥氏体系的不锈钢制品发生晶界性的腐蚀。这样就加重了放在焊接接口处的晶界膜被腐蚀。

针对本次排气膨胀节损坏问题，船舶工作人员请供应商就膨胀节进行了质量分析。质量分析报告由上海材料研究所进行专业材料分析后得出。从上海材料研究所的分析报告来看，膨胀节的原材料的化学成分、金相组织、原材料夹杂等指标都符合相关标准要求。由此可见，膨胀节的材料没有问题。但是报告指出，破坏部位存在如下现象：断裂部位的导流管与波纹管之间的间隙较小，断裂处局部有擦伤特征，有疲劳特征。

3.3 排气膨胀节受力分析

本机的排气管道被安装在主发动机的支架上。在加速运动过程中柴油发动机的运动部分，主要的振动负荷如下：气缸内的燃油燃气产生的气缸力，柴油发动机曲轴工程中气缸衬里活塞侧推力和轴承力。驱动部件的动态负荷通过固定框架、气缸衬垫及气缸头等框架，通过内燃机排气管道传送。内燃机的动态荷重随主轴的转动周期性变化，排气管也伴随着循环负荷。由于内燃机的循环负载过大，排气管在大振幅的循环负载中变形，排气管结构不稳定，从而会影响内燃机的正常运转。

导流筒的功能是减小膨胀中废气流阻，防止由高速流动引发波纹振动，其结构有翻边式和焊接式两种类型。当气缸排气时，废气在膨胀的节内高速流动，使波纹管与导流筒的重叠圆柱空间成为一个负压区，而筒内的流动气流成为正压区，此时导流筒“撑起”。当气缸没有排气，导流筒就会恢复正常。因此，在高温脉冲的废气流作用下，导流筒发生了强烈的振动，即“撑大”然后恢复再“撑大”的往复，焊口处的断裂速度逐步加快形成疲劳断裂。

4 结论

从上面的分析可以看出，膨胀节破裂是由多个因素共同产生。本次膨胀节损伤事故，由于导流管焊接过程中定位不明确，导致引流管偏中至一面，与外部波纹管之间的空隙过大。而"悬臂梁"型导流管，在排气气流高速冲刷振动时，与波纹管发生碰撞，在擦伤后会增加腐蚀，形成劳损源，最终造成疲劳性波纹管的破坏。

柴油机工作时的振动是由系统产生的，无法消除。因此，除了提高焊接质量外，还需要对膨胀节结构进行优化，如将排气口导管直径变更为两侧排气口导管直径以上的长度。通常膨胀和控制导管的排放口直径比法兰两端的排放口直径小。如果折断，导管会被排气吹跑而消失。以排气口通过面积确实不影响为前提，导管两端的排气口直径比成套设备两端的排气口直径略有改变。这样可以有效地保障涡轮和其他相关设备的安全。同时加大内层导流管与外层波纹管的间隔，在安装过程中确保间隙均匀，从而起到降低柴油机机体振动对排气管的影响，消除有可能导致破坏的疲劳源的作用。

参考文献：

[1]易太连， 吴杰长， 刁爱民， 欧阳光耀. 基于有限元和 FE-SAFE 的柴油机排烟管振动下的疲劳寿命[J]. 内燃机工程， 2008（03）：76-80.

[2]董宗然，林焰.船舶布管系統的结构设计及自动化算法[J].计算机集成制造系统.2016，22（3 ）：714-727.

[3]牛玉华.常用压力容器用膨胀节国际标准的介绍及分析[J].压力容器.2013，36（6）：38.

[4]张焕冬.几种典型膨胀节的有限元分析[D].北京：北京化工大学，2013.

[5]钟云飞.在役直管压力平衡型膨胀节寿命评估技术研究[D].上海：华东理工大学，2013.