曲轴箱爆炸原因及分析研究

2022-03-16黄步松

现代职业安全 2022年10期

黄步松

（福建船政交通职业学院，福建福州 350007）

0 引言

近年来，随着船舶的自动化水平和轮机管理人员的知识水平不断提高，因为知识和技能欠缺的人为失误所造成的事故有所减少，但是仍然存在因作业人员意识上麻痹大意，导致判断错误、行为错误，进而引发事故的现象。船用二冲程柴油机曲轴箱爆炸不仅会造成设备损坏，还会造成人员伤亡。因此如何消除和预防曲轴箱爆炸的故障，保证船舶安全营运是机舱管理人员要面对的课题。

1 曲轴箱爆炸的原因分析

曲轴箱爆炸主要是在高温热源和油雾的共同作用下发生的，其中发生爆炸的基本条件是存在油雾。没有油雾，即使有火源和助燃物也不会燃烧爆炸；而决定性因素是高温热源的存在，当曲轴箱内存在高温热源时，与空气成一定比例混合的可燃混合油气在热源加热下开始燃烧，加之曲轴箱内空间相对封闭，燃烧速度快并使压力迅速升高导致爆炸。

曲轴箱高温热源的形成有两种，外来热源和内在热源。外来热源主要是由于活塞部件和填料函的故障导致燃烧产物和燃气漏入，或扫气箱着火时间接加热曲轴箱内油气。内在热源是由于运动件缺乏润滑和冷却发生金属间直接接触剧烈摩擦产生的高温，高温热源一方面会加热曲轴箱滑油产生油气，油气遇到曲轴箱中温度较低的空气凝结成较小的油滴悬浮在空气中形成油雾。

1.1 轴承烧熔

轴承烧熔是常见的产生高温热源的故障，主要是由于以下原因造成：

1.1.1 滑油方面

滑油滤器过滤精度不符合要求，使得一部分杂质没有被过滤而混入系统油中，杂质容易破坏表面的油膜；滤器脏堵导致滑油失压、油压不足使表面缺少滑油难以形成油膜来充分的润滑和冷却；轴承间隙过小，使得滑油进入轴瓦与轴颈表面间的阻力增大，油膜难以形成。间隙过大，漏油增加则油压不足，油膜也不易形成；滑油冷却器水侧结垢脏堵导致滑油得不到冷却，油温升高使滑油粘度下降，形成的油膜承载能力差；滑油乳化变质使得油膜润滑性能变差，承载能力不足，容易在冲击负荷下破裂[1]。上述因素均加剧轴承运动副之间金属磨损，摩擦磨损产生的热量使轴承温度升高，油膜被蒸发，最终轴承形成干摩擦状态，产生大量热量，使曲轴箱中的滑油蒸发形成油雾。

1.1.2 机械负荷过高

柴油机使用的燃油十六烷值过低滞燃期过长或喷油定时过早导致爆发压力过高、柴油机超负荷运行或由于缸套或缸盖裂纹漏水发生液击使得缸内机械负荷过大进而通过活塞杆作用在十字头销轴承上[2]，最后通过连杆作用在大端轴承和主轴承上，过大的机械负荷超过轴承与轴颈间油膜的承载能力而使油膜破裂。

1.1.3 轴承的接触质量和几何形状

轴瓦与轴承座贴合不严密，轴承散热不良使轴承温度升高，油膜粘度下降以及难以承受冲击性负荷而使油膜破裂和合金层产生裂纹；轴瓦和轴颈表面过于粗糙使得油膜容易被表面凹凸不平的尖峰刺破；轴承座孔和轴颈圆度及圆柱度误差过大导致轴颈与轴瓦接触质量差，局部负荷高，超过了油膜的承载能力使油膜破裂；主轴承盖螺栓和连杆大端螺栓松动或由于螺栓预紧力过大导致轴承座孔变形，使得轴承瓦口增大，加剧漏油，轴承温度升高使油膜承载能力下降，油膜容易破裂；连杆大端轴瓦发生移位导致润滑油孔被堵塞[3]，使轴承缺少滑油的润滑和冷却而加剧磨损形成发生金属间直接接触发生轴承烧熔，此时摩擦产生的高温热源不仅会加热滑油产生油气，油气遇曲轴箱内的空气凝结后形成油雾，由于油雾本身温度高，一般超过200 ℃，所以也是引起爆炸的着火源。

1.2 填料函密封失效

十字头柴油机活塞杆的填料函自上而下布置有密封环和刮油环，每道密封环和刮油环都用弹簧箍紧[4]，使其有一定的周向间隙。

填料函弹簧的尺寸太大或填料环由于长时间往复运动、导致过度磨损使得与活塞杆的间隙增大，密封性变差，则气缸上部的燃烧产物和高温燃气可能经过填料函进入曲轴箱，由于燃烧产物此时温度较高，落入曲轴箱后会加热滑油产生油气，而当油气与空气混合至一定比例时，高温的燃烧产物和燃气也是点燃油雾的火源。

填料函弹簧的尺寸过小，还会使填料环过分贴紧活塞杆，会产生剧烈的摩擦，而摩擦热便是可能引起爆炸的高温热源。

1.3 活塞冷却故障

活塞是组成燃烧室的是部件之一，受到高温高压的作用，活塞冷却是确保活塞头得到冷却以避免高温烧蚀和过大的热应力。现代大多数二冲程十字头式柴油机的活塞冷却油、十字头轴承和连杆大端轴承润滑油是采用专设的十字头滑油泵供给。如果发生十字头油泵故障、管路法兰连接螺栓松动和垫片老化导致漏油使活塞头过热膨胀，改变了与缸套内壁正常的配合间隙，破坏了活塞与缸壁间形成的润滑油膜，导致金属直接接触发生干摩擦，发生拉缸。漏油同时也会影响十字头轴承和连杆大端轴承的润滑和冷却，造成轴承烧损。发生拉缸时，运动部件仍能移动，但粘着力更大使运动部件难以移动，而作用在活塞上的气体力不变，这样使得活塞、活塞杆和连杆单方面受力，间接增加了主轴承的负荷，使轴承烧损，加之拉缸破坏了正常的配合间隙，使得高温燃烧产物和燃气也会经填料函漏入曲轴箱中，导致曲轴箱发生爆炸。

1.4 十字头组件润滑、对中不良

如果系统润滑油中含有的杂质没有完全净化，则可能混入系统中而被十字头油泵吸入，这些滑油中带有的杂质可能堵塞十字头本体内的润滑油道和外设的滑油管，影响十字头和连杆小端轴承的润滑和冷却以及滑块与导板间的润滑，导致轴承可能烧损和滑块导板剧烈干摩擦而产生热源。滑块和导板若对中不良，则滑油不易进入滑块和导板之间，由于偏斜使局部金属直接接触，也会产生高温热源。

（2）在原第一、第二对流管束区域顶部增设顶棚水冷壁，水冷壁采用让管的形式让出单片管排插入空间，辐射管屏从顶棚水冷壁间隙中插入炉内，管屏与顶棚水冷壁之间增加相应的弯管和密封板。

1.5 扫气箱着火

扫气箱着火的原因本质是着火三要素的作用，即可燃物、着火源和助燃物。扫气箱着火本身是柴油机的一种危害性事故，但它同时也会影响曲轴箱爆炸。

扫气箱中的可燃物有来自增压器压气机端吸入的轴承润滑油的油气，气缸油注入过多，燃烧产物经活塞环漏入扫气箱并沉积等[5]。着火源有拉缸导致燃气泄漏至扫气箱，活塞环断裂带有高温的断环碎块落入扫气箱，扫气空气冷却器的冷却水管堵塞使得扫气空气得不到冷却，使扫气空气的温度升高，加热在扫气箱中沉积的污油使其蓄热自燃。助燃物便是柴油机扫气箱本身存在的扫气空气。

扫气箱位于曲轴箱的侧上方，之间有横隔板和填料函密封，因此扫气箱着火时火焰不会直接窜入曲轴箱。但是，由于火灾时扫气箱温度很高，而此时曲轴箱中温度较低，两者之间的温差很大使得火焰的热传导加强，间接加热曲轴箱，使曲轴箱中的油气受到加热发生膨胀，当温度继续上升便有可能点燃曲轴箱中的油气，使油气剧烈燃烧，体积迅速膨胀而发生爆炸。

2 预防措施

现代大型柴油机一般都安装了防爆门、油雾浓度探测器、水雾型曲轴箱爆炸抑制系统等曲轴箱防爆系统和探测系统。但要彻底防止曲轴箱爆炸，不能完全依靠这些系统和设备，要从根本上杜绝曲轴箱发生爆炸，按照操作规程管理柴油机，做好日常的维护保养是最好办法。

2.1 做好滑油系统的管理

做好滑油系统的日常维护保养以确保滑油质量和数量的供给。勤洗滑油滤器，经常检查双联滤器的前后压差，判断滤器脏堵情况，防止由于滤器脏堵影响供油压力和过滤效果下降；巡视时注意检查管路法兰螺栓和垫片周围的滴漏情况，如果漏油过多，可能影响柴油机正常的供油润滑和冷却；按规定时间清洗滑油冷却器的冷却水管或者换热板，保持良好传热，避免由于传热不良使滑油粘度降低，影响润滑效果和加速氧化；经常检查和清洗柴油机油底壳和滑油循环柜，观察有无金属碎片或油污泥，防止其积蓄过多影响滑油油位和污染滑油；按检修要求对滑油分油机进行拆检，清洗其分离盘片确保分离效果。确保润滑系统滑油的供给以保证柴油机运动部件正常的润滑和冷却，避免热源出现。

2.2 做好冷却水系统的管理

按规定检查缸套的冷却水腔，清理水垢以防止影响传热；对膨胀水柜定期化验和投药处理，确保冷却水品质，同时应确保膨胀水柜正常的水位，及时补水；按时拆检缸套水泵，检查和更换其承磨环和轴封，确保水泵正常供水；勤洗海水滤器，保证冷却海水的供水，使低温淡水能保持正确的温度来冷却高温淡水，确保对柴油机的冷却，防止柴油机机体过热而破坏润滑油膜引发拉缸，导致燃烧产物和燃气泄漏成为热源。

2.3 定期检查主轴承、连杆大端轴承

按时测量主轴承和连杆大端轴承的轴承间隙，确保轴承与主轴颈和曲柄销的正常配合间隙符合要求以形成具有足够承载能力的润滑油膜；检查轴承盖螺栓的预紧力，从而保证轴瓦在轴承盖与座内接触良好；按时拆检主轴承和连杆大端轴承，检查轴瓦的磨损情况和表面状况，如过度磨损应及时更换；检查曲轴臂距差，确认主轴承和曲轴轴颈的相对位置，防止由于曲轴挠曲变形使得轴瓦大面积烧熔而产生高温热源。

2.4 定期检查活塞杆填料函和活塞环

定期检查活塞杆填料函和活塞环，确保气缸与曲轴箱的密封，防止燃烧产物和燃气窜入曲轴箱和扫气箱。

在吊缸时将活塞杆填料函连同活塞组件一同吊出，要检查填料函中填料环的磨损情况，各段环间隙的数值以及填料环张紧弹簧的预紧力是否符合要求。也要检查填料函外橡胶密封圈的密封状态，发现老化或裂纹等及时更换，保证填料函具备正常的密封作用。

检查活塞环的密封性和弹性，搭口间隙、天地间隙和环背间隙，确保这些间隙的数值符合说明书规定值，防止燃气泄漏窜入加热曲柄箱内滑油。

2.5 定期检查气缸盖、气缸套

吊缸时要仔细检查气缸盖和气缸套。检查缸盖底部是否有裂纹，冷却水腔是否结垢；检查缸套内表面的损伤情况，测量缸套的内径并圆度和圆柱度，判断缸套的磨损情况，检查缸套冷却水腔或表面没有出现穿透性的裂纹，防止冷却水漏入缸内引起液击，增大轴承负荷，使轴承烧溶产生大量热能。

2.6 定期测取示功图

示功图是反映柴油机气缸内燃烧情况的重要资料，定期测取示功图，是作为判断柴油机各缸负荷的重要依据。

如果测得最高爆炸压力过大，可能是喷油定时过早或循环供油量过大引起的，应及时调小供油定时和供油量，防止柴油机最高爆炸压力过高，增加部件的机械负荷和使轴承过载、油膜破裂，金属直接接触而产生热源。如果测得最高爆炸压力过小，可能是喷油定时小引起的，应及时增大供油定时防止燃油过晚喷入缸内，大量燃油没有完全燃烧，加剧后燃和燃烧产物的泄漏，加热曲轴箱内滑油和点燃油雾的热源。

2.7 定期拆检曲轴箱油雾浓度探测器

应定期按照说明书测试和拆检曲轴箱油雾浓度探测系统的探头，避免误动作以确保其正常工作。

2.8 定期检查曲轴箱防爆门

曲轴箱防爆门是避免曲轴箱发生爆炸和事故扩大的最后一道防线，必须严格按照要求对释压阀弹簧和火焰熄灭器进行检查，确保释压阀弹簧预紧力能在超过规定的曲轴箱油雾压力范围时自行打开泄压，同时又能在外界大气压作用下自行关闭，防止新鲜空气进入与油气混合。及时清理火焰熄灭器中的通道的油污，确保能在燃烧发生时通过火焰熄灭器的作用降低燃烧强度以减弱爆炸[6]。