低硫油时代...新主机几天内拉缸报废3个缸套...查找真凶较真了
一、背景
国际海事组织(MO)对全球航行船舶硫氧化物排放限制的新规已于2020年1月1日正式生效,要求所有全球航行的船舶使用燃油硫含量不超过0.50%m/m(合规低硫燃油)。根据海上环境保护委员会(MEPC)认可的三种供船舶选择用于符合新规要求的方案,除液化天然气(LNG)动力船外,没有加装废气脱硫系统(Scrubber)的船舶均需要更换使用合规低硫燃油。
2018年10月22日至26日在英国伦敦召开的国际海事组织海上环境保护委员会第73届会议,审议通过了 MARPOL公约附则的另外一份修正案——MEPC.305(73)决议,进一步禁止船舶携带不合规燃油,并要求选择使用合规低硫燃油的船舶,在2020年1月1日以前改用合规低硫燃油的同时,于2020年3月1日前将船上剩余的不合规燃油合法移除。本文叙述的事故实例,就是在这样的背景下,船舶首次更换使用合规低硫燃油时,在短短的几天时间里主机所有的气缸出现了不同程度的拉缸现象,其中3个缸套磨损超标,不得不进行更换。
二、主机拉缸的故障现象
某轮于2020年1月1日之前用尽了所有的高硫燃油,并及时按照规范要求更换使用合规低硫燃油;在中国北方某港口装满货,将横跨太平洋经巴拿马运河到美国东海岸某港口卸货。因首次使用合规低硫燃油仅2天,所以开航前确认主机缸内情况是必须要做的工作。
该轮是一条船龄仅4年的新船,装配的是 WARTSILA6t-flex50D共轨电喷主机。船员在主机更换合规低硫燃油之前对主机气缸内的情况检查过,各缸均处在正常状态。这次在使用了2天的合规低硫燃油后,打开主机扫气箱发现,六个缸的活塞环最上面的一道均有轻度的拉伤痕迹,活塞头上则有轻微的红颜色结垢。轮机长将各缸气缸油的注油率从0.95g/kWh加大到1.05g/kWh,并安排人员对主机扫气箱进行彻底清洁;在检查主机其他部位无异常现象后,船舶正常开航,开始了长距离的航行。其后,船员加强了对主机运行工况的观察,发现4、5、6缸的扫气温度和排烟温度不断升高,其中6缸最高。3天后一早,6缸扫气箱高温报警,显示为82℃,高出正常温度(55℃左右)近30℃。船舶主机停车,打开扫气箱检查,发现6缸活塞环已经严重磨损,缸套内壁也有明显的拉缸痕迹,且表面发红;4、5缸情况类似,1、2、3缸仅第一道活塞环有磨损痕迹;活塞头表面的红颜色结垢现象加剧。
图1
图1为该轮主机6缸三次检查中的情况变化对比,从中可以清晰地看到从2019年12月19日使用高硫燃油的正常状态,到2020年1月4日使用2天后的合规低硫燃油情况,再到2020年1月108扫气箱高温报警、缸套内表面的拉伤趋势、活塞环磨损情况和活塞头表面结垢的颜色变化。
三、主机拉缸的原因分析
主机拉缸现象是指活塞环与气缸套或活塞(常为活塞裙部)与气缸套之间两个相对运动的表面相互作用造成的表面损伤。根据表面拉伤的不同程度,可以具体划分为划伤、拉缸和咬缸,统称拉缸。造成拉缸的原因非常复杂,包括设计制造、材料选配、相对间隙、安装精度、气缸润滑和燃烧不良等多种因素。拉缸损伤的机理大多是由于活塞环和缸套内壁之间的油膜受到破坏,两个相对运动的表面突出部位发生金属接触,从而在高温下出现微小的“熔着”现象,并在不停的运动中又被撕裂。在这个过程中金属表面形成硬化层,当这个硬化层进一步恶化脱落时,产生的金属颗粒就将成为磨料,进一步加剧磨损。柴油机因设计、制造、安装中的问题导致的拉缸,会在主机投入使用初期暴露出来。而该轮主机正常使用已经4年,发生拉缸现象应该是运行管理方面的原因导致的。这可从以下几个方面进行分析:
1.磨合不充分
柴油机首次使用或更换新的缸套、活塞环时均需完成良好的磨合(每台船用柴油机的操作说明书中都有气缸磨合时间表),才能正常使用,否则就会导致拉缸。磨合期从调大气缸油注油率开始,低转速小负荷运转一定时间后再逐级调低气缸油注油率,提高转速,加大负荷,逐步完成。低负荷长时间磨合或急于高负荷运转,都会引起拉缸。该轮此次主机出现拉缸现象时,各缸均超出上次吊缸检修磨合期很长时间了,可以排除磨合不充分的原因。
2.缸套不良冷却
在柴油机运转中,当由于冷却水的原因造成气缸套冷却不良时,缸壁内表面就会高温,从而破坏气缸油油膜,导致拉缸现象。冷却水的原因包括:冷却水泵排出压力低,供水不足或中断;缸套冷却水腔锈蚀或脏污;水中含有的气泡积存在缸套冷却水腔中不能排除:低温冷却水系统等其他问题引起缸套冷却水温度变高:等等。查看主机运转工况记录,该轮的主机缸套水冷却系统一直处于正常状态,泵的排出压力正常,各缸缸套冷却水的出口温度均保持在设定值的85℃。这可以排除缸套冷却不良的原因。
3.活塞环断裂
柴油机活塞环断裂的碎片落入活塞和缸套之间,会引起拉缸甚至咬缸断裂后的活塞环不能有效地密封高压燃气,泄漏的高温燃气破坏了缸套内壁油膜,也会导致拉缸。活塞环在环槽中的搭口间隙、天地间隙过小;环槽积炭,使得活塞环黏住失去弹性:磨损严重,使得搭口间隙过大和活塞环变薄;等等。这些都有可能造成活塞环断裂,从而出现拉缸现象。本案例中磨损较为严重的4、5、6缸,虽然没有发现活塞环断裂,但是环槽结炭比较严重、第一道活塞环快速磨损,加剧了拉缸发生。
4.气缸不良润滑
活塞环和缸套内壁之间的润滑油膜被破坏或者油量不足、断供,不能形成完整的油膜,是导致拉缸的直接原因。导致气缸油油膜破坏的原因很多,除上面提到的缸套冷却不良和活塞环断裂外,还有缸内燃烧不良等。气缸油油量不足或断供属于气缸油系统问题,其原因可能有:管路、阀件、滤器脏堵气缸油供油单元故障:气缸油进机前管路泄漏注油器堵塞:等等。
5.缸内不良燃烧
燃油在气缸内燃烧不充分会产生燃烧残渣,并形成细小的碳化颗粒附着在壁的油膜上,成为类似磨料,引发磨损:在柴油机扫气系统或排烟系统脏污时,气缸内燃烧循环不充足会导致燃烧不充分:而柴油机燃烧环中出现后则会导致排烟温度升高,在高负荷运转时活塞下行速度较快,缸套内壁上部暴露在滞后燃烧的高温废气当中,气缸油油膜遭破坏就将导致拉缸。油头喷油定时( Injection begin)后,油头密封不好、滴油,燃油中含有发火性能较差的芳香烃,均会出现后燃现象
四、故障排除
该轮停车的位置处在距离日本东京400海里的太平洋上,当时海上风平浪静。轮机长向公司汇报了拉缸情况并申请岸基支持,公司同意船上马上进行吊缸,先完成6缸的拆检。公司的技术人员全方面分析了主机拉缸的原因,并指导船员逐项排除可能的故障点,寻找科学、合理的解决方案。
1.故障原因排查
随着对6缸的拆检进行,船员开始对可能导致的拉缸因素逐一检查。从查阅主机检修记录,排除是否缺少保养的原因,到更换有可能造成影响的元件,把能想到的环节全部确认一遍。
(1)吊缸检修历史。4、5、6缸运转时间距离上次吊缸检修分别为1683、1294、3594小时上次吊缸均只更换了活塞环,没有更换缸套。缸套测量报告显示,当时的磨损很小,属于正常范围。在这次换用合规低硫燃油前,各缸运转参数基本一致。由此可以排除缸套磨合不充分的原因和缺少吊缸检修的管理因素。
(2)冷却水系统。低温冷却水系统运转正常,设定值在32℃,被其冷却的缸套水冷却系统也运转正常,泵出口压力没有变化,各缸缸头冷却水出口温度前期均为设定值的85℃(近几天4、5、6缸冷却水温度偏高,达到89℃);吊出缸套后,检查冷却水腔,脏污程度处在正常范围内。由此可以排除缸套冷却不良的原因。
(3)活塞环。没有发现活塞环断裂现象。吊出来的活塞,活塞环没有在环槽中黏住不动的现象。
(4)气缸油系统。检查管路上的阀开关、滤器和各缸CLU-4气缸油注油单元上的储压罐压力均正常,气缸油注油模块后的管路也没有泄露;手动泵气缸油,从扫气口检查,可以看到足量的气缸油进入气缸:吊缸时,拆检气缸油注油器,没有发现异常现象。总之,气缸油系统正常。
(5)主机扫气、排气系统。主机空冷器在4年的使用期内,虽然没有整体拆装清洗,但却定期按照说明书中的清洗方法正常保养过,最近的一次保养距今才20天;对扫气箱进行清洁的间隔时间正常,即使出现拉缸现象,扫气箱内的脏污程度也属于正常范围;主机透平,一个月前由原厂家务工程师上船拆检过:废气锅炉的使用效果正常，吹灰保养每天都在做。据此判断,扫气、排气整个系统也不应该是此次拉缸的原因。
(6)缸内燃烧情况。各缸油头的使用时间都在检修周期之内,但为了排除油头密封不好、滴漏造成影响,吊缸期间将4、5、6缸的油头全部更换为新备件;拆下来的油头在实验台上泵压检查,没有异常现象。那此次拉缸现象是否是燃油在缸内燃烧不良造成的呢?无法直接作出判断。由于拉缸现象发生在更换合规低硫燃油之后很短的时间内,所以逐步排查的结果是,所以逐步排查的结果为其由正在使用的低硫燃油品质造成的可能性最大。尽管在加装燃油时,公司已将油样送到相关单位进行了化验,化验报告也显示各项主要指标均处在正常范围之内,但对燃油品质安排进步的深度化验还是非常必要的。
2.岸基应急支持
为确保船舶动力能够及时恢复,并保证长航线的安全航行,公司管理部门根据船舶的具体情况做出了一系列的岸基应急支持。
(1)补充必要的备件。主机6缸吊缸时的测量数据说明,缸套的磨损量已经超出极限,而且从扫气口检查,4、5缸的磨损情况和6缸基本一样鉴于此,公司为船舶紧急供应了新缸套,并根据船位、航线和物流情况,安排船舶绕航东京湾接收备件。
(2)添加燃油。当时船舶还有一个空燃油舱所以在接收备件的同时,又补充了400吨合规低硫燃油。
(3)取燃油油样做深度化验。在船舶接收备件时把油样送岸。
3.吊缸修复主机
主机6缸活塞吊出后测量缸套内径,发现已经磨损超标,于是将其换新。在接收备件前和接收备件后,船员又分别对4、5缸进行了吊缸,测量缸套内径同样磨损超标,于是也进行了更换(1、2、3缸磨损没有加剧,活塞环在加大气缸油注油率后恢复了表面的光洁度,可以继续使用)。4、5、6缸的缸套测量数据见表1,其中的A、B…分别是缸套内到缸套顶部边缘不同距离的同心圆面。
4.燃油深度化验结果
燃油深度化验的结果很快被拿到,燃油中的确含有对燃烧不利的物质成分—间苯二酚(Re- sorcinol)、羰基(Carbonyl)、脂肪酸(Fatty ac-ids)。在常规化验报告中没有这样的相关指标数据。间苯二酚含有燃烧中发火性能非常差的属于芳香烃的苯(CH6)。带有苯环的环状分子结构受热后很难破裂,因其自然温度高,在燃烧过程中会产生后燃,并容易燃烧不完全形成结炭羰基是由碳和氧两种原子通过双键连接而成的有机官能团(C=O),成为醛、酮、羧酸、羧酸衍生物等官能团的组成部分。
脂肪酸是由碳、氢、氧三种元素组成的一类化合物。正常情况下,燃油中不应该含有脂肪酸。它的存在对燃油系统的金属偶件和燃烧室都会产生不同程度的影响。虽然不能由此说这批合规低硫燃油不符合标准,但可以确定的是在这批燃油加工、调和、存储、驳运的某一个环节中被带入了一定的污染物。燃油发火性能不好,产生后燃,使得燃烧室温度变高。在活塞下行的过程中没能完全燃烧的油雾继续燃烧,高温的燃气就会破坏缸套内上部的油膜,加上脂肪酸的存在,就会结炭并吸附在缸套内壁表面,从而导致快速而严重的拉缸。
五、继续使用问题燃油的应对措施
该轮除了这批含污染物的问题燃油外,还有在日本新加的400吨低硫燃油和200吨轻油,不足以续航开到巴拿马,所以只能想办法继续使用问题燃油。船舶在日本东京湾添加了400吨燃油以后,主机就更换使用。除了4、5、6缸换成新缸套外,其他系统和部件与以前的相同。连续使用了几天在日本加装的燃油后,停车检查缸内情况,没有出现任何磨损和异常现象。这就说明,是问题燃油中的污染成分导致了主机拉缸。
明确了燃油中有害物质的成分,就可寻找具体的解决办法——减少后燃,优化燃烧,降低气缸内部温度,成为使用这批燃油的指导方向。
1.调整喷油定时
在喷油角允许的范围内,将喷油定时提前,从而减少后燃的影响。这台主机有6个缸,不同的缸工况不一样,具体怎样调、调多少是关键点。WARTSILA6rt-flex50D主机,是一种共轨电喷二冲程柴油机,机器上没有凸轮轴,燃油喷油定时是靠喷油电磁阀的打开时间点来控制的。在主机控制系统WECS-9520中,有一个名为智能燃烧控制(CC—-Intelligent— Combustion Control System)功能。开启该功能的时候,主机控制系统可以在设定的范围内自动调整每个缸的喷油定时和排气阀( Exhaust Valves)开关时间,使单缸爆压保持在机器的设定值上;同时还可以平衡各缸,使各缸的压缩压力(Compression Pressure)和爆压(Firing Pressure)趋近于一致。当燃油由
于燃烧性能不好出现后燃时,爆压就会降低,系统自动调整将喷油定时提前,提高爆压,并自动调整排气阀开关时间与之匹配。
该轮使用日本加装的400吨低硫燃油时,在关闭(OFF)和开启(ON)的状态下观察,ICC功能没有明显变化;更换使用问题燃油后,开启ICC功能,发现喷油定时和排气阀开关时间有了较大变化——喷油定时改变最大的是提前了1.7°;各缸的压缩压力和爆压也明显地调整到基本一致的状态。
图2为该轮喷油定时和排气阀开关角度比较，图3、图4为该轮各缸的压缩压力和爆压。
图2
从图2中可以看到,在ICC关闭和开启的状态下,喷油定时由上止点后的1.4°自动调整到0.3°,排气阀的开启角度(Opening Angle)由上止点后的133°自动调整到133.1°
从图3中可以看到,在ICC中气缸压缩压力平衡( Comp pressure balancing)功能关闭和开启的状态下,各缸压缩压力的变化和排气阀开启时长 (Exh. valve timing)的变化。
从图4中可以看到,在ICC中爆压控制(Firing pressure control)和爆压平衡(Firing pressure bal-ancing)功能关闭和开启的状态下,各缸爆压的变化和喷油时长(Inj.《Injbegintming《)的变化。
至此可以明确,使用问题燃油时ICC功能开始发挥作用,自动调整各缸的爆压,可以避免燃烧性能差的燃油在缸内的不良燃烧,比手动单缸调整喷油定时合理、科学、可靠。ICC功能对该问题燃油继续使用有积极作用。
2.降低主机扫气温度,确保换气质量良好能够改善燃烧质量的另一个重要因素,就是确保换气质量良好。保持增压器和空冷器处于良好工况是非常重要的。如今船舶在太平洋上长航线航行,能够做的就是调低扫气温度,提高新鲜空气密度,使燃油燃烧时有足够的氧气与之化合,优化燃烧。具体的操作是,将冷却主机空冷器的低温水设定值由32℃调整到30℃。由于海水温度在25℃左右,所以难以大幅度调低低温水的温度。
3.调低主机缸套水温度,在一定程度上降低气缸内壁温度主机说明书中对缸套冷却水出口温度的设定值是85~95℃,比以前同品牌柴油机的推荐值高一些。以前船舶使用的燃油硫含量比较高,为了避免硫氧化产物在气缸套内出现“低温腐蚀”,就在设计上提高了缸套冷却水的设定温度值。如今船舶使用的燃油硫含量已经非常低,完全可以不考虑“低温腐蚀”。适当调低缸套冷却水温度,能在一定程度上改善缸套内壁的润滑效果。为此,可将缸套冷却水出口温度的设定值由原来的85℃调低到80℃。
4.改用高减值气缸油确保减少积炭发火性能不好的燃油燃烧不充分,容易产生灰分,在活塞环槽中积炭。当使用低减值TBN40的气缸油时,由于清洁、分散能力比较差,燃烧的灰分不能及时清除,就会影响气缸表面润滑。高碱值气缸油的清洁、分散能力就比较好,所以使用问题燃油时可换用此类油。该轮更换使用问题燃油17天后,停车检查主机各缸的内部情况,发现结碳情况明显改善了。图5为该轮这次没有吊缸的1缸活塞环积碳情况对比。
5.换新油头,确保燃油雾化质量作为柴油机喷油雾化的重要元件,油头的雾化效果直接影响到燃油燃烧。这取决于油头的质量、寿命和调整手法等诸多因素。为避免油头因素的影响,可将所有缸的油头全部换新,并在换新前在试验台上测试,确认雾化效果。
六、结语
该轮有针对性地对主机运转工况进行调整,继续使用这批问题燃油,并间隔几天就停车检查气缸的内部情况,结果没有再出现相同的拉缸现象。实践证明,通过优化主机燃烧工况应对发火性能较差的燃油是行之有效的方法。加强对主机相关部件的维修保养,如及时拆检主机增压器、拆洗空冷器等,是非常重要的工作。
随着2020年全球船舶尾气排放限硫新规生效,合规低硫燃油全面开始供应。油企在生产调和合规低硫燃油时,不可避免地会带入一些污染物。在不同港口加装的合规低硫燃油,其组分和物理特性存在较大差异,船舶在使用中需要进一步总结经验,做到科学存储、加强净化、优化燃烧,避免燃油对机器设备产生损伤,确保船舶航行安全。
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