ME-C 主机缸头床垫处燃气泄漏故障分析

张 伟

（太仓海事局，江苏太仓 215400）

0 引 言

MAN ME 电控型主机关于气缸内燃气超压保护设计与传统机型有所不同，将安全阀取消，通过对缸头螺栓的“柔性”设计，当气缸内气压达到某一值时，缸头螺栓产生弹性变形，缸头抬起，高压气体从缸头与缸套密封表面溢出而卸压保护，为防止喷出的燃气伤人在缸头与缸套密封面的圆周增加环形挡板保护，通常将这种缸头抬起现象称为“抬缸”。本文与大家分享的是主机缸头床垫处连接多次发生燃气泄漏的案例，通过故障现象与统计数据综合分析，说明“抬缸”与“燃气泄漏”的区别，并提出预防管理建议，旨在提醒管理者避免类似事情的发生。

1 故障描述

J 轮，1 900 TEU 集装箱船，主机型号MAN ME6S60ME-C8.5 Tier II，额定功率10 857 kW,额定转速100 rpm，2018 年3 月出厂，中国太仓港至越南胡志明定期班轮。该主机自出厂营运2 000 h 后，先后发生9 次主机缸头床垫被局部吹蚀而漏气，其中2 次因没有及时处理而导致缸头与缸套表面被吹蚀，故障统计见表1。

表1 J 轮主机缸头床垫处漏气情况统计

举例：2019 年7 月19 日，15：00 离开胡志明码头，随后进入浅水区航行；17：00 发现主机No.4 缸头床垫在艏部方向漏气。此时，主机爆压152 bar，转速86 rpm，透平转速11 300 rpm，扫气压力0.97 bar，主机负荷72%。由于本机已经多次发生过缸头床垫处漏气，轮机长将主机转速限制为86 rpm，最大负荷限制在72%。在发现No.4 缸头漏气后，轮机长将主机转速降至80 rpm，爆压130 bar，还是漏气；降至75 rpm，爆压115 bar，还是漏气；降至SOLW，还是漏气，故障发生时参数见表2。随后抛锚吊缸头检查，发现漏气处缸头床已变形拉长，缸头和缸套有2 cm 宽的黑斑，被吹蚀厚度约0.5 mm，如图1 所示。靠码头后，由专业维修人员用移动式磨床分别将缸头与缸套表面打磨掉0.5 mm恢复正常，如图2 所示。

表2 2019 年7 月19 日故障发生时参数

图1 被燃气吹蚀的缸套密封面与缸头床垫

图2 移动式磨床对缸套表面研磨

2 故障原因分析

本轮主机因连续发生多次缸头床垫处燃气泄漏，应综合分析，首先要判断是“抬缸”还是“燃气泄漏”，并将可能原因列出，通过排除法，才能最终确定故障发生的真正原因。

2.1 多起缸头床垫燃气泄漏的特点

（1）本轮发生的几起缸头床垫处漏气均发生在离开胡志明码头后，在浅水水域加速航行过程中。

（2）除No.1 以外，其余5 只缸均先后不同程度发生过漏气，其中No.3&No.4 缸的缸头与缸套表面因吹蚀而研磨。

（3）漏气的部位均发生在缸头圆周艏部0 点方向，如图1 所示。

2.2 故障发生时的主要参数

2019 年7 月19 日故障发生时参数见表1，主机75%时台架试验数据见表3。

表3 主机75%时台架试验数据

通过数据对比分析，可以得出下列结论，气缸密封性良好，主机工况处于低转速、高负荷的状态，就像船体污底一般，调速控制模式为转速控制，为了达到预设的转速，调速单元在加大油门，但是由于船体受到很大的阻力，船速无法快速提升，使得主机工况偏离了设计的推进特性线。但是即使如此，也不能说是造成燃气泄漏的根本原因，因为这种工况在短时间内主机是可以承受。

2.3 故障原因分析

（1）判断故障是否属于“抬缸”

根据设计，当气缸内的爆压力达到300 bar 时，才会引起缸头螺栓弹性变形提升而“抬缸”，且发生抬缸后，缸内高压燃气是呈扇形喷出。引起抬缸的原因有：CCU 故障导致燃油不按规律喷射，排气阀定时故障，引起气缸内燃油爆燃、或连续两个冲程以上不排气才可能出现爆压超过300 bar 的可能。然而，本主机通过检查HCU events，检查COCOS-EDS 中爆压值曲线，经及缸头床垫损坏的现象，可以排除“抬缸”的可能。

（2）对燃气泄漏的分析

既然不是“抬缸”，应重点分析是什么原因使得缸内燃气突破床垫的防御而泄漏，是床垫本身质量或床垫安装错位或床垫上下密封表面有杂质？是缸头螺栓抗拉强度不足或是安装不到位？是缸内燃气压力偏高（虽然没有达到抬缸的压力），但在某段时间内连续“冲击”床垫“内圆表面”，最终将床垫变形拉长而泄漏？或是缸头与缸套在特定时刻与船体发生共振？分析如下：

①根据旧床垫的压痕，该床垫在安装时偏移了密封面（床垫向前移动约5 mm），旧床垫损坏处的厚度变薄被拉伸长约10 mm，如图3 所示。检查对比前面8 次换下的床垫，均有不同程度的偏移密封面（均向前移动），发生这种现象的原因，与安装时船舶艏艉吃水差和缸头结构有关，缸头密封面左右两侧90°圆周角均有凸台，阻碍了床垫向左右方向偏移。轮机员表示自发生故障后，他们每次安装床垫前均会小心清洁，密封面存在杂质的可能性排除。与床垫供应商沟通，该批次床垫用于其他主机没有问题。关于床垫结论是，床垫移位，是造成漏气部位均在圆周方向艏部位置的准备条件，但不是造成燃气泄漏的根本原因。

图3 损坏的缸头床垫与新床垫对比

②缸头螺栓抗拉强度不达标，是造成缸头漏气的充分条件。从理论上说，螺栓的抗拉强度值就类似安全阀的开启值。螺栓使用的材料、热处理工艺、尺寸、螺纹精度等因素直接影响到该缸头与缸套是否能牢固接触并能一起承受燃气的冲击、振动而“不离不弃”。事实上，本轮主机在经历9 次燃气泄漏后，将所有缸头螺栓全面更换，并彻底清洁螺丝孔重新安装后，到目前为止，再没发生过燃气泄漏的情况。缸头螺栓螺母没有均匀上紧到规定力矩，也有可能造成缸头床垫处漏气。冷车安装后，应在运行100 h 后再复核螺母上紧情况。

③缸头与缸套在特定时刻与船体是否发生共振，这个问题通过与其姐妹船对比，可以排除。

④缸压爆压影响。

通过数据分析比较，发生漏气时，主机处于“低转速高负荷”的工况，查阅COCOS-EDS 历史记录，结合表2 数据分析，在发生漏气时，主机转速86 rpm，负荷72%，在COCOS-EDS 的load diagram 图中，可确定当时主机的工况点处于扭矩速度限制线与Heavy running 线之间区域，如船舶污底工况，主机正处于低转速、高负荷的状况，如图4 所示。关于load diagram 中各线段的含义如图5 所示，并说明如下：

图4 2019 年7 月19 日 1700 左右COCOS-EDS 负荷工况点

图5 load diagram for propulsion alone

Line 1:Propeller curve through point A -layout curve for engine

Line 2:Propeller curve -heavy running,recommended limitfor fouled hull at calm weather conditions

Line 3:Speed limit

Line 4:Torque/speed limit

Line 5:Mean effective pressure limit

Line 6:Propeller curve -light running (range:3.0-7.0%)for clean hull and calm weather conditions -for propeller layout

Line 7:Power limit for continuous running

Line 8:Overload limit

Line 9:Reference-speed

虽然本轮主机在更换了所有缸头螺栓与螺母后，后期再没有发生过漏气现象。但是要说明的是：

（1）本轮航线的特点，每航次均会经过一段距离较长的浅水区域，此时轮机长应与驾驶台协商控制好主机加速过程，如驾驶台直接将车钟推到需要的转速，按遥控系统设定的加速速率运行，此时主机工况将会进入“heavy running”状况，久而久之，燃烧不良，长时间的偶发性爆燃（爆压升高）在其他不良因素如床垫移位、缸头螺栓松动、螺栓抗拉强度有缺陷的综合作用下，也会引起燃气泄漏。

（2）燃油质量不佳，燃烧性能差，也会造成气缸内偶发性爆燃（爆压升高）。

（3）轮机长最大负荷与最大转速限制不要随意设定，不匹配的限制，会影响到主机在特定环境加速受阻。

3 管理建议

（1）使用正规厂商生产的缸头螺栓与螺母。所有缸头螺栓，在上紧前应确保机架本体的螺丝孔内清洁，螺栓已全部旋入，并按规定力矩上紧；定期检查缸头螺栓上紧情况。

（2）缸头床垫安装时，采取相应措施，防止床垫偏移密封表面。

（3）加强低硫燃油管理，根据燃油比重及时调整比重环，使用合规过滤精度的滤器。

（4）浅水区航行时，密切关注COCOS-EDS 中LOAD diagram 图主机工况点是否处于正常区域。

（5）一旦发现床垫处漏气，应尽可能降速航行，降低该缸爆压，并尽早吊出缸头检查、更换床垫。防止将缸头与缸套表面吹蚀，扩大维修工程。

（6）充分利用PMI&COCOS-EDS 工具分析主机工况数据，并在规定的时间内对关键性设备进行维护保养。

4 结 语

这起主机连续多次缸头床垫燃气泄漏的故障，经过了多次反复吊缸检查、更换备件才得以解决。在故障发生的初期，管理者就把目光锁在缸头螺栓上，并且对其中一只缸全部更换过缸头螺栓，然后面还是发生了类似问题。直到第9次故障再发生后，大家又把焦点锁定在缸头螺栓质量上，才发现前面所有的缸头螺栓均来源于同一厂家。直到更换了进口件，才算彻底解决了问题。但是，经了解，同样的缸头螺栓在其他公司的同船型的姐妹船并没有发生类似的问题，这也值得我们深思。