冷却水故障的探讨.doc

一起冷却水系统故障引发的探讨张勇 笔者介绍：张勇 中国长航南京油运，轮机长，长期从事油轮及化学品船舶轮机管理工作。2007年度获得长航集团轮机技术状元称号。内容简介：众所周之冷却水系统是柴油机的一个重要系统，该系统的作用是冷却机件，带走多余热量，保持零件在适当的温度下工作。其工况的好坏直接影响到柴油机工作的效率及零件寿命。冷却水系统的管理是柴油机运行管理的一个重要方面，但有时轮机管理人对冷却水系统没有给予充分的重视，导致柴油机系统出现异常，却往往找不到故障原因，从而导致严重的财力物力的损失。笔者就一例罕见冷却水系统故障导致的柴油机系列故障进行如下探讨。关键词：冷却水系统 饱和温度 蒸汽腔 气缸过度磨损 故障排除正文：一艘20000吨级的油船1994年出厂，主机型号为MAN B&W 6L42MC 上海沪东船厂生产，主机多年来总是有汽缸磨损过度，缸套水套，缸头水套长期漏水现象。该轮在14年的服务期间共更换了近6批缸套，也就是说，该轮从出厂到08年已经更换了30多只缸套。从2007年11月至2008年2月份，2个多月时间里面，缸套最大磨损了1mm多。而两个月运行时间仅仅为1000小时左右，而正常缸套的磨损率最大为0.10mm/1000小时。可见，该缸套的磨损率是正常磨损率上限的十倍。且缸套最大磨损仅仅发生在上止点第一道和第二道环相应位置。缸套在相应部位有两道台阶（缸套最大增量在第二道环上止点相对位置），这与正常磨损的缸套有明确的不同。缸套是内壁有些发灰色，镜面不明确，也无严重拉痕。第一、二道活塞环表面有拉伤现象，表面有硬化层。部分活塞头第三，第四道环槽有偏磨现象，最大天地间隙有4mm，最小天地间隙为0.5mm，这样的活塞头部已经没有使用价值，只能更换。由于缸套过度磨损，有台阶，柴油机运行时汽缸内有机械敲击声音。柴油机运行明确异常。这样的磨损必然导致缸套过早磨损报废。汽缸内出现的两个台阶，非常少见。针对存在的异常现象查找可能原因。一般缸套过度磨损是由于润滑不良，超负荷，汽缸燃烧严重不良，冷却不良等等。查注油器的注油量，注油量偏大，定时正确。汽缸的注油不存在故障，使用的汽缸油为MOBILE 570 符合说明书的要求，燃烧的燃油为180#FO，燃料的各项指标符合柴油机正常使用要求。柴油机负荷一般不大于75%（油门总杆的机械限位），喷油器定期检查，定时及爆压正常，烟气几乎看不出；排气温度为300-320度，应当不存在超热负荷及机械负荷情况。冷却水缸头出口温度为73-76度，不高。该主机从表象看，就是不耐用。稍微的有点不合适的地方就会出问题。比如，用硬度小的活塞环备件，环的磨损太严重；用进口原装硬度大些的活塞环，缸套磨损太严重。燃油质量的变化对主机的影响特别大。一次，燃油质量不佳，主机有轻微拉缸现象，断裂的活塞环进入了排气管，再进入增压器，把增压器打坏，但同时使用该燃油的其它主机却没有出现如此严重的故障。该主机长期以来一直存在缸套水套，缸头水套漏水现象。橡皮圈用进口含氟橡皮圈，耐受温度150度，新换后不超过3个月就会漏水，拆检时，常有橡皮圈会消失或者部分缺失现象，从缺失的痕迹看，仿佛是高温溶解了。后来，定制了硅胶材料的密封圈，该硅胶材料耐受温度为220度，但还是会有部分缺失的现象发生。应当说，密封圈在长期使用后比较常见的故障一般是变形，老化开裂，脆化等。密封圈应当部分与冷却水接触，冷却水温度仅仅70多度，不可能会将密封圈烧损。那么，是什么原因造成了密封圈的缺失呢？同样找不到原因。以上问题长期困扰着该轮一批又一批的轮机管理人，频繁的吊缸检修，更换缸套，活塞环，活塞头，密封圈。花费了巨额的备件费用，该轮的轮机管理人员因频繁的检修工作而付出了巨大的劳动。吊缸检修，更换缸套，检查缸套内部有明确的异常磨损，应当出现的镜面没有，而是略显灰色，表面无光泽。仔细检查缸套外部冷却水面，发现在缸套上部，活塞上止点相应位置，没有正常水垢，取而代之的是坚硬的，亮晶晶的物质，类似于电茶壶中会常有的片状水垢。但比之更加坚硬，有光泽。缸套外部的水垢不正常。为什么会产生如此情况呢？查冷却水缸头出口温度73-76度，正常。柴油机运行中检查缸套水套外部温度，发现了异常情况。在缸套水套的下部，水温60多度正常；但到了上部，缸套水套外部的最高温度达到110度，且无论是在水套外表面的上下方向还是圆周方向温度差异都非常大。在接近缸套上部异常磨损位置的圆周用红外线点温计测量，从缸套水套至缸头水套的四个冷却水通道处的70摄氏度左右至通道中间的110摄氏度明显变化。缸套水套缸头缸头水套排气阀缸套缸套水套110度左右70度左右缸套水套与缸头水套连接短接在水套外表面110度的情况下，水套内的冷却水空间温度应当超过外表面温度。但这样的温度怎么可能存在？水在这个温度下会汽化。但冷却水的出口温度仅仅为70多度。这怎么解释呢？既然缸头冷却水出口温度在70多度，而且，冷却水从机体缸套水套缸头水套缸头排气阀冷却水缸头出口。如果缸套水套内冷却水的温度大于110度，那么缸头冷却水的出口也应当是大于110度的。仿佛出现了矛盾。根据饱和水蒸气压力与温度的关系，如下表：温度水蒸气压力 MPa1020.108781040.116681060.125041080.133901100.143271120.153161140.163621160.174651180.186281200.19854温度水蒸气压力 MPa1220.211451240.225041260.239331280.254351300.270131320.278311340.304071360.322291380.341381400.36138查冷却水压力，该轮的冷却水压力（集中控制室表压）为0.14Mpa；主机冷却水机体进口处约为0.17Mpa（集中控制室约高于主机冷却水进口总管3-4米）；好像是太低了。根据上表，水在0.14Mpa压力下110就饱和了。主机的冷却水压力一般都在0.3-0.4Mpa附近。查该轮主机说明书，说明书有中文和英文两个版本。查中文说明书冷却水压力的规定，竟然没有。查英文说明书，冷却水压力要求不低于0.3Mpa，而且还要加上膨胀水箱的位置压头，该轮膨胀水箱位置高于主机6-7米，正常水压应当在0.36Mpa左右才是符合说明书要求的。该轮主机的冷却水压力明显低于说明书的规定。根据说明书的要求，主机冷却水进口压力低于0.25Mpa自动降速，冷却水流过主机的压差低于0.6Mpa报警，低于0.4Mpa降速。该主机冷却水压力不符合说明书规定。这时，来分析该轮主机故障的原因，认为应当是冷却水的问题导致。冷却水压力低下，造成冷却水的饱和温度下降，0.3Mpa水的饱和蒸汽温度为130多度，而0.14Mpa时，冷却水的饱和温度为110度。这样以来，冷却水在缸套上部有可能会汽化，从而产生蒸汽腔。从冷却水套外表面的温度达到110度可以印证这点。由于冷却水压力低下，造成缸套上部某些部位形成蒸汽腔，该蒸汽腔的压力与冷却水压力形成一种平衡，冷却水无法接触并有效冷却缸套上部该部位，这样便造成缸套外表面异常水垢的形成；同时，该部位的温度将进一步地升高。由于温度的升高，缸套该部位的强度下降，同时，由于温度的升高，润滑油膜会蒸发，从而无法形成有效的润滑油膜，破坏了汽缸的润滑，形成一种异常的磨损。同样，由于温度过高，从而烧损了密封圈，密封圈的消失也找到了合适的解释。这些判断完全是理论的推理，机器工作中无法直观的看到冷却水的汽化，形成一个相对稳定的腔室。支持汽化理论的依据是冷却水压力，水套外壁面温度，缸套冷却面水垢特点等方面。无论这样分析结论正确与否，目前冷却水压力低于说明书要求，提高水压是必要的。为什么冷却水的压力会低于要求这么多呢？冷却水泵（安装位置与主机机体高度一致）出口压力为0.34Mpa，而主机进口（机旁压力）只有0.17Mpa。水泵出口压力与主机冷却水进口压力为什么会产生如此大的压力差？查英文版本图纸后发现该轮冷却水系统的走向与该说明书要求相悖。说明书要求冷却水泵出口到主机冷却水进口，主机冷却水出口到造水机，从造水机到冷却器，从冷却器到加热器，从加热器回到水泵。而船上的实际是冷却水出口到造水机，从造水机到冷却器，从冷却器到加热器，从加热器到主机冷却水进口，从主机冷却水出口到冷却水泵。由于冷却水泵进口一般会与膨胀水箱相通，冷却水泵的进口一般就是膨胀水箱的位置水头（约7-8米），那么主机的冷却水压力就是冷却水泵进口压力加上冷却水流过主机的流动阻力，这个阻力说明书的要求是0.06Mpa。这样下来，主机的冷却水进口压力就只能为0.14Mpa。水泵出口0.34Mpa通过系统循环后回到水泵进口0.08Mpa左右，压力在系统中逐渐下降，而主机位于压力下降的最后一个环节中，所以，压力就很低下了。开两台缸套水冷却水泵，压力稍有增加，也就是0.15Mpa左右，还是太低。在不进行船舶修理，不更换管系的情况下，采用限制主机冷却水出口的方法，进行限流增压，同时使用两台冷却水循环泵，保证冷却水流量。冷却水进口总管机旁处压力提高到0.25Mpa，而冷却水缸头出口温度没有明确变化。在这样的情况下，常车时测量缸套水套的外壁面温度，原来110度的位置减到100度以内，而0.25Mpa下，水的饱和蒸发温度为120以上，那么，可以推断，缸套水套内原来的蒸汽腔应当消失或者几乎消失。缸套的温度应当接近设计温度。采取这样的措施后，不断检查扫气箱。活塞环及缸套的情况渐渐发生了变化，活塞环的密封外表面在仅仅几十小时左右的运行后就出现了久违的光滑的正常磨损面，缸套表面也出现了基本的镜面。活塞环表面原有的拉痕内明显变黑，成了老痕迹。这些都说明汽缸内的工况在变好。以上的判断及采取的措施都是通过分析得到的结果，如果分析错误，那么得到的结果将是错误的。这些分析及采取的措施的效果要经过时间的检验才能得到验证。船舶运营8个月后，经过对主机检查和了解到的情况，从测量数据看，这8个月左右时间，缸套的磨损量很小，尤其对于缸套磨损增量已经接近上限的缸套而言，其磨损率是逐渐变大的。更换已经达到极限的缸套进行检查，查看该缸套的冷却外表面，原来的异常水垢已经发生了明确的变化，异常水垢形成的面积仅仅剩下原来的20%左右。从检查的情况看，主机缸套活塞总的状况明确变好。原来严重的漏水问题得到了根本性的缓解。有的缸已经运行了4000多小时，还是很正常；原来换新缸套的网纹依然清晰可见，这在以前是从没有过的现象。这些结果都说明采取的措施是合适的。当时，该轮主机异常磨损，缸套内出现两道磨损台阶，应当还有主机工况，活塞环的配备等方面的问题与冷却水系统故障综合作用的结果。但我们认为冷却水压力问题是该轮主机多年来缸套异常磨损的根本原因。当然，该轮主机的问题并没有得到彻底的解决，按照说明书的要求重新进行管系的布置才能使该主机恢复正常。虽然目前采取了这样那样的措施，使主机的状况得到了一定的改善，但是冷却水压力还是没有符合说明书的要求。只有经过一次船舶修理，问题才能得到完整的解决。该轮的主机故障比较特殊，主要特殊在下面几个方面：1. 该轮有两套主机说明书，中文版本和英文版本，内容基本是一致的。但就是在冷却水系统这一段不同。这点非常让人费解。应当说，船舶有多套说明书是正常的，但他们应当是一致的。在有些情况下，船上会有中文版本的图纸，但那些只是英文图纸的中文译本。可是，该轮的中文冷却水系统图纸却与英文冷却水系统图纸有很大的差异。后来，笔者电话咨询柴油机生产厂家，上海沪东厂，得到的结果与英文图纸的要求一致。至于是什么原因在船舶建造过程中采用了不适当的图纸设计就无法得知了。2. 中文版本的说明书对冷却水压力没有提出要求，导致轮机管理人就认为该轮长期以来的冷却水低压属于正常情况，没有对这个方面进行过多的考虑。3. 该冷却水系统的错误发生在船舶建造阶段，也就是说，船出厂就是不正常的。这样的系统必然会导致主机这样或者那样的故障。必然导致主机缸套的过度磨损，而轮机管理人员很少会否定船舶建造过程中系统的错误。4. 主机冷却水缸头出口温度不高，这点非常迷惑轮机管理人员。冷却水进出口温度往往是课本上判断主机冷却水系统是否正常的主要因素之一。由于该轮主机在缸套上部的外表面加工了一个高约100mm，深度约60mm的圆弧形凹槽（见简图），其目的应当是为了加强该部位的冷却效果，形成一种薄避强背的结构，但该凹槽又造成了该部位冷却水流道的突然变大，水压会进一步的降低，更容易产生汽化现象，异常水垢基本都出现在该区域。由于其形状的特殊性，也容易形成蒸汽空腔，使得该位置的冷却进一步恶化。5. 主机长期以来的缸套过度磨损和漏水问题总认为是主机本身的设计问题，或者是该轮使用中超负荷了。 但，实际上该轮主机的负荷并不高，主机正常负荷下的排气温度仅仅为310左右，爆压不到12Mpa，根据说明书的规定，负荷是不大的。很多时候设备发生故障，从说明书及课本上是找不到答案的。就需要轮机管理人员从原理上进行分析，有些基础理论知识从表面上看好像与工作的直接联系不大，可实际上并非如此。尤其是高级轮机管理人员，往往对故障的分析要从源头做起，不能让故障的表面现象及以往的分析所迷惑。另外一个方面就是对已经发生故障设备的检查非常重要，该轮主机缸套外表面上部非正常水垢现象是长期存在的，但这种非正常现象没有能够引起轮机管理人员足够的重视。这需要两个方面的要求，一，细心的观察；二，有一定的实践经验。应当说，作为营运船舶的从业人员，经验是非常重要的。无论是轮机管理还是船舶驾驶，都需要非常丰富的经验去支持。没有见过正常的缸套外表面水垢，就无法比较出非正常的缸套冷却面。这就是经验。仅仅书本知识是无法做到这点的。当然，没有理论支持同样也无法发现及解决这个问题。应当说，现代船舶设备在设计及施工阶段，其缺陷是经常存在的，所以，设备本身在不断的更新，不断的弥补自己的缺陷。但有些故障是使用管理中造成的，并非是设计制造中的问题。作为轮机管理人员，要从原理上进行分析，查找设备故障的根本原因，而不是一味的将自己无法查找的设备故障归结为设备本身的设计问题。应当说，船用设备本身的可靠性都是挺高的。只要严格按照说明书的要求进行维护管理，一般情况下是很少出现一些奇怪故障。由于船舶管理人员的流动性；人员素质的参差不齐；岸基地的支持等等方面一直都困扰着设备的有效管理。这样往往导致了设备故障的多发。而且，很多时候，是综合性故障。一个故障的产生是多个故障元素所导致，这样的故障排查及解决的难度就会比较大。笔者大致算了一笔账，该轮由于冷却水系统的偏差，造成更换了至少30多只缸套，如果在正常情况下，最多更换一批缸套