船舶柴油机超速案例分析

摘 要：柴油机因超速损坏严重。本文分析超速直接原因和深层次原因，提出解决方案来避免发生同类事故，以提高船舶柴油机管理水平，保证船舶安全营运。

关键词：船舶柴油机；超速；调速器；高压油泵；压力水柜电磁阀；二位三通阀；设备管理

1 概 述

在正常运转的情况下，柴油机突然失去控制，转速升高，以至于超过额定转速而不停止，发出巨大的轰鸣声。增压器发出刺耳的尖叫声，增压压力急速升高，排烟管冒出大量浓烟。超速不仅会造成柴油机严重机损事故，还有可能危及人身安全。

对柴油机的调速特性失控，主要是由以下两个原因造成的：一是供油系统故障造成对柴油机供油失去控制，致使柴油机因超量供油发生超速现象；二是气缸燃烧室因为其他原因造成额外的柴油或机油进入，引发超速现象。

2 案例介绍及原因分析

2.1 案例介绍

在本案例中，超速时，缸头进排气阀杆的上下动作与活塞的往复运动频率已不协调，当阀杆向下运动时，活塞却向上运动，由于超速时间较长，不协调的运动将主机第二、第三缸的进、排气阀杆连续撞击至折断，断掉的阀头在气缸燃烧室剧烈撞击，最后被吹入排烟总管进入增压器，造成了左主机No.2、No.3缸的缸头、缸套、活塞和部分缸头附件以及增压器转子的严重破坏性损坏。

2.2 管理问题

测试超速保护装置的性能具有一定的冒险性和难度，会给操作人员造成心理上的恐惧，导致轮机管理人员在日常的工作中很少做此类试验。本案例故障正是由于保护动作执行不到位导致的，因此要求轮机管理人员在工作中要重点加强柴油机超速保护装置的管理，尤其要注意：

（1）做好调速器的日常维护，要定期进行台架试验并作必要的修理和调整；

（2）调速器和油门总杆的连接螺栓由于震动会导致松动并脱落，因此要定期检查并收紧；

（3）对超速保护装置的报警值、动作值定期检查并调整，对装置的效能应定期进行试验，以上工作最好在每航次前完成，确保航行安全。

3 柴油机超速的直接原因

本船左主机超速的直接诱因是调速器的动力输出轴和柴油机的油门总杆连接处销轴的定位螺丝脱落而致。调速器和油门总杆脱开后，由于该机型的设计（见图1）原因，油门总杆处于自由状态。

本船主机所采用的燃油高压油泵是始点调节式（如图2-1所示），主机的高压油泵在工作时，油泵柱塞在套筒内上下滑动，当柱塞下行打开进油口，具有较高压力的燃油从进油口进入柱塞上端的工作腔室，并形成具有较高压力的扰动油流。在扰动中，会有一股油流沿柱塞直槽向下运动，向下的扰动油流会对柱塞体上的直槽面和工作斜面分别产生力F1和力F2（如图2-2所示），F2会分解产生向上垂直力F2-1和水平力F2-2，力F2-2与力F1方向相反，且F1﹥F2-2，两者之差会对柱塞产生一个向加油方向转动的力矩，并拉动齿条加大供油，由于各缸油门齿条和油门总杆相连，且此时油门总杆与调速器连接断开后处于自由状态，使得整个油门总杆向加油方向运动，并导致主机各缸高压油泵供油量加大，直至超速现象出现。

在本船主机修理中，笔者曾亲自进行过试验，得出相同的结论：在主机运行时，人为将主机的某一缸高压油泵齿条和油门总杆断开，使其处于自由状态，会发现齿条会自动向加油方向运动，且速度越来越快，直至最大为止，用手把持齿条，会明显感觉到有一定的反拉力。在超速保护作用正常情况下，主机的測速装置将测得的转速电信号输送到PLC控制箱的调速器控制单元，触发保护继电器动作，使应急停车电磁阀21得电动作→二位三通阀17动作→高压油泵停油气缸进入高压空气→高压油泵停油→主机停车（如图3所示）。

维修时，笔者亲自进行超速保护动作效能测试，发现21、17动作都正常，但主机的高压油泵停油气缸得到的压缩空气压力过低，不能推动高压油泵停油，致使保护失败。进一步试验检查发现，导致执行气源压力过低的原因是增压器By—pass阀泄漏压缩空气。By—pass阀是增压器的一个保护装置，其执行机构是一个电磁阀控制的二位三通气动阀，当主机的扫气压力上升到0.13 MPa或者主机转速升高达到670 rpm时，电磁阀得电，执行机构二位三通阀动作→By—pass阀动作→增压器过高的扫气进入废气道→保护增压器内部元件，如图4和图5所示。本船左机超速时，执行机构二位三通阀得电动作，但由于其阀芯卡死在中间位置（事后解体该阀发现：阀芯锈蚀严重卡阻，腔室内存有部分海水析出物质NaCL等盐分），使得执行气源由该阀的泄放口泄放，造成气源压力降低，又由于该执行气源和高压油泵停油气缸执行气源同路，因而导致保护失败。

4 深层次原因剖析

众所周知，机舱是船舶的“心脏”。机舱内设备众多，管系错综复杂，各系统之间既相互独立，又相互联系，这就要求轮机管理人员对各设备的性能、控制方式、所附带的管系布置以及相互间的关联性熟练掌握。

本船利用压力供水方式供应生活日用淡水和卫生水，从能源节约方面考虑，现在绝大部分海船上卫生用水都使用海水。本轮所用卫生水系统如图6所示，卫生水泵1自海底门抽取海水并注入海水压力柜2，随着水面升高，压力柜2内上部的空气逐渐被压缩而产生压力；当水充到规定液面时，水泵1即停止供水，压力柜2内的水依靠柜内上部空间被压缩了的空气的压力，经管路、阀件输送至各用水出。为保证正常工作，压力水柜顶部设有压力表9和安全阀8，还设有压力开关7以便自动控制水泵1的工作；当柜内压力低于规定的最低工作压力时，则有压力开关7自动起动水泵1，当柜内压力达到规定的最高工作压力时，亦通过压力开关7停止水泵1供水。为减少压力水柜充气容积和补充柜内空气的消耗，经常通过压缩空气充入阀6向柜内冲入压缩空气。

对卫生水系统的管理要求是：压力水柜要及时补气，使其水位和压力维持在正常范围内。若水位过高或过低以及压力过高导致的水位过低等，水泵1会起动频繁；若压力过低则压力水柜中的水到不了高层甲板。正常情况下，充气阀6是截止止回阀，压力柜2内部的海水不能进入阀6后端的压缩空气管路，但是当出现下列问题时，海水会倒灌入压缩空气管路：（1）截止阀6垂直放置，使6失去止回的作用；（2）截止阀6的阀头脱落、阀头和阀座的密封面锈蚀不密封等使阀6失去止回作用。

在本案例中，By—pass阀的执行机构（二位三通阀）的阀芯卡死的最直接的原因恰恰就是压缩空气管路内进入海水，阀芯被海水锈蚀而卡死。现场实地调查后发现，主要原因是海水压力柜的压缩空气充气阀位置设计得不合理，如图6所示，阀6布置在压力柜体的中下部，使得阀6及其管路一直低于海水液面，当阀6由于开、关频繁而出现阀头及阀座密封面磨损，将会使阀6失去止回作用。

在不需要对压力柜进行充气的时间段内，充气管路内没有压缩空气，压力柜内的高压海水将会穿过阀6进入压缩空气管路，由于机舱内的压缩空气管路网是相互联通的，浸入的海水会顺着管路网进入到各要害部件并导致腐蚀破坏。（按照正常操作要求，空气分配器经常检查放残。）

5 预防措施

（1）对压力柜充气阀的不合理位置进行改正，将其移到图6的6a处；

（2）轮机管理人员要经常检查压力水柜的水位，及时充气，保持水位在正常范围内；

（3）充气的截止止回阀质量要可靠，应选择耐用的不锈钢锥形阀或针形阀；

（4）如条件允许，将充气阀前的一段管路改为可拆卸式软管连接，不充气作业时保持软管常断开（在后来工作的船上尽量改了）；

（5）对机舱压缩空气管路网的各阀站分配器的放残阀，轮机管理人员要定期操作放掉系统内的残水。

6 超速后柴油机修理注意事项

柴油机超速后，各运动部件之间原来匹配的相互运动频率被打破，会使运动件出现撞击、扭曲和断裂等显性损害以及内部裂纹等其他隐性损害。事故后的修复工作是一项细致而又复杂的任务，修理人员需要注意以下几个方面：

（1）要对柴油机的各缸进行吊缸，彻底检查连杆、曲轴、连杆螺栓、活塞销轴、凸轮轴、各传动齿轮、高压油泵、缸头附件等部件是否有明显损伤，如有必要，应对以上部件进行磁粉、X-线或超声波等探伤检查，以确保各部件没有任何损伤；

（2）解体增压器，检查、测量各运动件，有条件应将转子送专业厂做动平衡试验，发现问题及时修理；

（3）調速器送专业厂家解体检修，做台架试验，保证调速器的良好功能；

（4）减速齿轮箱解体检查各齿轮的齿面、齿隙和各轴承及推力轴承的间隙；

（5）主机底座、齿轮箱底座、中间轴承底座的各个地脚螺栓要检查并收紧；

（6）进、排气总管、分管要详细检查，确信无金属残物存在；

（7）润滑油系统彻底清洁，加新滑油并进行串油，以确保系统内无任何杂质；

（8）对主机的超速保护停车、主机滑油失压、滑油高温、淡水失压、淡水高温、主轴承高温、汽缸套温度高温、齿轮箱滑油低压和高温、中间及尾轴承高温等各种报警和保护停车的效能进行试验，以确保以上各功能正常；

（9）要制定详细严格的试车大纲，逐项逐步进行。在各关键部位安排专人值守，发现异常立即采取措施；

（10）在试车过程中，要多次停车检查个运动部件的温度和表面情况，根据检查的情况，逐步加大试车负荷，但负荷的增加应缓慢，系泊试车时以不超过主机负荷50%为限；

（11）试车成功投入营运后，要限制主机负荷过高使用，每间隔一段时间，要对主机的各运动部件做详细检查，根据检查情况可酌情提升主机的负荷，直至完全正常运行。

7 结束语

船舶柴油机超速将会对设备产生致命的损坏，对船公司造成不可估量的经济损失，机舱的各个设备既独立又统一，任何一个环节出故障都将会影响到整个船舶安全，进而影响船舶营运。因此，要求各轮机管理人员在爱岗敬业、不断学习提升专业水平的同时，加强对机电设备的维护保养，确保船舶设备和营运安全。

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