某船用低速柴油机曲拐箱爆炸原因分析

【摘 要】 从事故调查的角度出发，以事故经过、现场调查为基础，分析二冲程低速柴油机曲拐箱爆炸的成因。在一些特定的条件下，如果管理不善，船用二冲程低速柴油机还是会发生类似于“曲拐箱爆炸”的重大机损事故，管理人员应引起重视。

【关键词】 缸头漏水；汽缸水击；倒车冲车；轴承干摩；闪爆；曲拐箱爆炸

1 事故概述

某船由德国VULKAN船厂建造，1994年出厂，为 TEU的集装箱船，机舱配备额定功率为34 380 kW，SULZER NSD 9RTA84C型的直流扫气低速主机，营运转速为97 r/min。

某日，该船在锚地抛锚。次日凌晨，驾驶台通知备车，准备进港。约10 min后，主机备妥；约20 min后，起锚离底，驾驶台动车，正车操主机，从DEAD SLOW逐步上升到HALF车令。当动车约5 min时，机舱发出沉闷的爆炸声，同时火警报警，主机自动减速。机舱致电驾驶台，立即停车。响声过后，机舱出现浓烟、局部火烧，初步判断为主机曲拐箱爆炸，造成机损。船舶失去动力，由拖船拖带至码头，靠泊后进行主机检查和修理。

2 事故调查

低速二冲程柴油机曲拐箱爆炸的现象比较罕见。船管公司立即组织人员到现场查明事故原因，以吸取教训，避免类似事件再次发生。调查小组随即开展资料收集等相关的事故调查、取证工作。

2.1 事故经过

某日1610时，该船抵锚地抛锚，主机完车，准备次日凌晨靠泊。1800时，轮机部决定利用船舶抛锚的间隙，对主机No.6排气阀进行更换。2030时，No.6排气阀更换完毕。2200时，主机完成压水，加温暖缸，主机系统恢复正常。

次日凌晨0225时，机舱高温膨胀，水箱低位报警，当值轮机员下机舱处理报警，对报警原因进行了简单查找，没有发现特别异常。0320时，驾驶台通知机舱备车，准备进港靠泊，当值轮机员及机工下机舱进行备车；随后备车完毕，准备冲车。0332时，集控室手动控制，冲车，主机转速10 r/min，发现No.3缸示功阀有水柱喷出，机工立即将情况报告在集控室操车的值班轮机员；值班轮机员继续进行第2次冲车，主机没有转速，从No.3缸示功阀喷出的水量减少；紧接着，值班轮机员进行第3次冲车，本次为倒车冲车，主机转速 10 r/min；此时，No.3缸示功阀没有水喷出，值班轮机员命令机工关闭所有缸示功阀。0336时，值班轮机员在集控室正车启动主机，启动正常。0338时，主机转换为驾驶台自动控制，驾驶台操纵，主机正、倒车启动正常，备车完毕，等待起锚进港；在备车时，共动车6次，其中集控室动车4次，第2次为倒车冲车。约等待12 min后，起锚离底，准备正式用车。

0350时54秒，驾驶台操主机正车DEAD SLOW（指令主机转速25 r/min）；0351时01秒，主机转速达30 r/min；驾驶台开正车SLOW（指令主机转速38 r/min）；0351时14秒，主机转速达41 r/min；0354时44秒，开HALF （指令主机转速52 r/min），主机实际转速47 r/min；0355时36秒，动车约5 min，主机油雾因浓度高报警；0355时41秒，机舱火警报警（以上数据采自于车钟自动记录仪以及报警自动打印仪）。

几乎在报警的同时，机舱突然发出沉闷的爆炸声，主机自动减速。机舱致电驾驶台，并立即停车。船长感到事态严重，命令原地抛锚，要求机舱查清原因。在巨响过后，机舱出现浓烟，能见度不足1 m，主机周围易燃物被引燃，多只灯罩及透平滤网烧毁。

经船方初步检查，判断为主机曲拐箱爆炸。

2.2 现场调查

在现场，主机No.3缸已被全面拆开，由专业厂家进行检查、修理，更换已有严重裂缝、漏水的缸头，以及对曲拐箱内的十字头下瓦、连杆轴瓦、该缸前后主轴瓦、各处轴颈等进行检查、修理。这些轴瓦有明显的局部损坏，并存在局部与轴径粘连后严重的拉毛现象，相关轴径也有不同程度的拉毛损伤。

在现场可以看到，主机侧面共有9个防爆门，已有8个防爆门有开启的痕迹。防爆门开启处有明显的烧痕，特别是No.3缸的防爆门，烧痕较为明显，说明曲拐箱爆炸的主要位置在No.3缸附近。

现场没有发现在曲拐箱内有明显的着火点及燃烧痕迹。查看已更换下来的No.3缸缸头，发现缸头内部裂缝非常大，在排气阀座下方的触火面已有长约75 cm的裂缝，大量的水从该裂缝处漏出，进入燃烧室。裂缝处有明显的、由于漏水而形成的锈迹。

该船舶膨胀水箱为手动补水，而在4 h左右的时间内，漏水逾1 m3，可见该裂缝较大。在膨胀水箱低位报警后，当值轮机员下机舱处理，并对报警原因进行了简单查找，但未作进一步检查，失去一次发现问题的绝佳机会。

在发生故障时，该缸盖换新后已运行了 h，触火面有多处明显裂纹，包括喷油嘴附近的小裂缝（未穿透）以及已大量漏水的排气阀座下的一圈大裂缝。从该缸已有的裂缝看，裂缝多、长、深、宽。这些裂缝的形成应该有一个发展过程，特别是排气阀下裂缝的形成和逐步渗漏应有一定的时间了。该缸在1个月前进行吊缸检修时没有发现相关裂缝痕迹，吊缸后只运行了561 h，说明吊缸时对缸头检查不够认真。在事发前10天，轮机部人员进行了扫气箱清洁。大管轮负责扫气箱内部清洁和燃烧室内部检查，轮机长负责主机外部，从小道门处对主机内部进行检查。此次检查均未发现No.3缸有滴水痕迹等异常情况，说明检查有可能存在不到位的地方。船舶失去了吊缸时检查、扫气箱检查2次发现隐患的良好机会。

据轮机长反映，主机单缸冷却使水阀无法关严，在换No.6排气阀时，需对整台主机放水，因此，在换排气阀完工后对高温冷却系统进行大量且长时间的补水，造成主机冷、热变化范围大，局部热应力大，可能导致原有的裂缝加速开裂。

3 事故原因

从以上调查到的情况分析，事故原因为“缸头漏水，形成水击，损坏轴瓦，造成干摩，引发曲拐箱爆炸”。

具体原因分析如下：

在停机状态时，No.3缸活塞正处于压缩冲程，封闭了扫气口。由于No.3缸缸头的排气阀座下方触火面出现裂缝，大量向燃烧室内漏水，一小部分水通过不能完全密封的活塞令漏到扫气箱内，大量的水积聚在该缸活塞头顶，但此时的缸套内并未完全积满水。

在第一次冲车时（主机转速10 r/min），相邻缸进入压缩空气，带动该缸活塞上行。在压缩空气的动力下，No.3缸活塞快速向上运动，引发缸内水击。巨大的冲击力从活塞传到曲拐箱内的十字头瓦、连杆轴瓦以及该缸前、后的主轴瓦等，导致相关部件损坏。本次冲车示功阀为开启状态，可以释放一定的压力，因此，作用在运动部件上的水击力量相对要小一点。由于在第一次冲车的作用下该缸活塞上部全部积满了水，第二次冲车主机没有运转，也就不至于形成水击而伤害主机。在紧接着的一次倒车过程中，积聚在活塞上部的水通过扫气口全部释放到了扫气箱内，因此，在以后的冲车及启动中，主机表现为正常状态。

在备车完毕等待起锚的这12 min内，No.3缸又正好处于压缩冲程，缸头又形成一定量的积水。在启动时，由于该缸示功阀为关闭状态，形成了更为严重的水击。

在主机运行过程中，气缸内形成一定的压力，迫使内漏减轻或消失，甚至缸内燃气会倒灌到水系统中，即使还有少量漏水，在扫气口打开时，水就进入扫气箱，因此，在主机运转时是不会造成水击的。

从以上分析可以判断，造成主机相关轴瓦损坏的过程主要是在第一次冲车及主机正式启动时No.3缸形成的水击作用。

在这2次的水击作用下，巨大的冲击力使该缸相关轴瓦局部损坏，并与轴径粘连，轴承间没有间隙，无法建立油膜。

在主机开始运行时，相关损坏轴承局部干磨，使轴承间干磨处的温度快速升高。在开始运行到发生爆炸的这5 min时间内，为一个加热过程，轴承周围的油快速蒸发，形成油气，与曲拐箱内的空气混合，油气浓度达到爆炸上限。同时，这5 min的干磨过程也是损坏的轴承间形成着火热源的过程。

损坏的轴承周围油气温度达到了该油气的闪点（200℃左右），遇到轴承间干磨产生的热源点，点燃了曲拐箱内油气和空气的混合物，瞬间发生化学爆炸（称之为“闪爆”），致使曲拐箱内压力急速升高，冲开防爆门。“闪爆”的油气冲出曲拐箱，形成火球，扫过主机周围并快速向上窜，在火球经过的路径上，将可燃物烧掉。由于机舱内没有堆放大量的可燃物，火球在烧完后自然熄灭，并留下燃烧痕迹。机舱内没有形成真正的火灾，得益于该船舶对机舱的清洁、整理，没有乱堆、乱放，且主机周围比较整洁。

曲拐箱内发生的化学爆炸需要消耗大量的空气，原有的空气和油气混合物在“闪爆”后冲出了曲拐箱，导致曲拐箱内缺少新鲜空气。由于来不及从曲拐箱透气孔（自闭式）补充新鲜空气，所以“闪爆”后的油气冲出曲拐箱后，在曲拐箱内没有形成真正的燃烧，就不存在燃烧痕迹。

至于着火点，也就是热源点，应该是在No.3缸的某轴瓦与轴径的干磨处，但无法判断具体位置。这是因为产生高温的时间短（主机仅运行5 min），还不足以使轴径发蓝（500～600℃），并且在着火后，主机还运行了1 min左右，即使留下轻微的着火点痕迹，也在继续运行的这1 min内被磨掉了。

4 结 语

以上事实说明，船用低速柴油机运行比较平稳、可靠，但在一些特定的条件下，还是会发生“曲拐箱爆炸”之类的重大机损事故。

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