船舶电喷柴油机启动失败管理---Cat-Fines管理
船舶电喷柴油机启动失败管理
——Cat-Fines管理
（马义平，杨随生，宋艾春，李国祥，郭尧宁）
因环保要求，低硫油在船舶大量应用。一般而言，与高硫油相比，低硫油中的铝（Al）和硅（Si）盐类催化剂粉末更多，因此船舶柴油机的高压燃油泵、喷油器、活塞和缸套等偶件更容易产生催化剂颗粒磨损。对电喷柴油机而言，精密偶件更多（如Wartsila电喷柴油机的燃油喷射控制单元ICU）且电喷柴油机为在环保和经济这2种模式之间切换，燃油喷射采用不同的线型和速率，燃油喷射系统的模式转换部件的任何卡阻都将会影响燃烧效果。在船舶实际管理中，因船舶到港前换用含催化剂粉末较多的低硫油造成的电喷柴油机故障案例较多。因此，必须对燃烧低硫油的船舶电喷柴油机加强催化剂粉末（CatalystFines，Cat-Fines）的管理。
1故障现象
某轮主机型号MAN 6S50ME-B，额定转速为99 r/min，最大持续功率（specified maximum continuous rating，SMCR）为7 628 kW。船舶在Full Ahead运行时，主机No.2液压油泵马达的空气开关跳闸，No.2液压油泵随之停止运转，主机转速降至Dead Slow后重新启动No.2液压油泵，再对主机加速运行时，发现主机转速不能越过65 r/min，此时主机扫气压力为0.06 MPa，MOP界面出现“扫气限制”，同时还伴随有增压器喘振现象。停止主机运行，并重新启动主机3次，启动过程中发现主机转速只能达到13 r/min，并且主机没有燃油喷射，主机启动失败。
2故障解析
本次故障现象主要有：No.2液压油泵马达的空气开关跳闸，增压器喘振和主机扫气限制。
（1）No.2液压油泵马达的空气开关自动跳闸。怀疑因液压油泄漏引起液压油泵负荷增加，致使油泵马达电流过大。启动No.2液压油泵马达，发现马达运行电流正常，液压油压力为22.5MPa，液压管路也无泄漏，因此排除No.2液压油泵故障的可能性。
（2）增压器喘振。增压器喘振主要是由增压器透平废气叶轮、喷嘴环脏污造成实际进气口变小；废气或进气叶轮前有异物，空冷器脏堵，排气背压高，喷油器故障，进排气阀和阀座脏，扫气温度过高等造成，但通常情况下喘振不会导致柴油机停机，更不会因喘振而无法启动柴油机。
当主机为65 r/min时，如果喷嘴环实际进气口变小，扫气压力升高，主机反而不容易出现扫气限制，但故障现象中出现扫气限制，鉴于此可暂时不对增压器进行检查。
检查排气阀，活塞环和缸套状况，检查废气泄漏点。所有排气阀进行dropdown（密封性能）测试，结果正常。打开扫气箱进行检查，发现多个缸的活塞环断裂或粘住，检查结果为（见图1）：No.1缸的第4道活塞环断裂；No.2缸的第4道活塞环断裂；No.3缸的活塞环虽然没有断裂，但活塞环区域都非常的脏；No.4缸的活塞环没有断裂，但所有的活塞环都全部粘住；No.5缸的第3道和第4道活塞环都断裂；No.6缸的第3道活塞环断裂。
图1 各缸扫气口检查结果请见论文中图片
活塞环的断裂会造成燃烧室漏气，燃烧变差，因此本故障直接原因为活塞环卡阻断裂造成缸内漏气，主机运行时产生扫气限制，主机停车后启动困难。
（3）活塞环卡阻断裂的原因包括：
①气缸油润滑系统故障。缸套缺乏有效润滑会出现缸套干磨、缸内漏气、大量脏污积聚活塞环区域的现象，可能造成活塞环卡阻断裂甚至拉缸。因此，先检查气缸油油位，气缸油泵工作状况和气缸油喷嘴工作情况，确认气缸油能够正常喷射。气缸油喷射正常，但注油定时异常，同样会造成拉缸。检查上止点（topdead center，TDC）传感器及角度编码器，确定气缸油注油正时没有出现错误，最终确定TDC传感器及角度编码器正常，未发生偏移，排除气缸油系统出现故障。
②燃油系统故障。主机故障前十几个小时，2台净油机均出现排渣过多警报，其中No.2净油机刚开始出现排水受限报警，之后又出现燃油泄漏报警。当时担心燃油净化不良对主机造成伤害，于是采取下列措施：拆解清洁2台分油机；主机燃油从HFO（HeavyFuel Oil）转换成LSMGO（LowSulphur Marine Gas Oil）后运行几小时；燃油日用柜的燃油泄放至其他油柜。2台净油机拆解后，因No.2净油机立轴有磨损，于是暂停使用No.2净油机，No.1净油机清洗后继续净化燃油至燃油日用柜。一切正常后，主机燃油又从LSMGO转换成HFO，5h后主机发生上述故障。因此怀疑燃油中Cat-Fines含量较高，而净油机又没能有效地净化燃油，致使高浓度Cat-Fines随燃油进入燃烧室内，最终造成活塞环的卡阻及断裂。供油单据显示：本次HFO燃油中Cat-Fines的含量高达62mg/kg。
对活塞环断裂、脏、黏等情况较严重的缸进行吊缸检查，依次拆解No.5、No.1及No.6缸，发现：缸套内径为500.24~500.80 mm，缸套内表面有擦伤及绗磨纹（见图2），另外活塞环也严重受损。除炭清洁各部件，修复活塞环槽，更换新的活塞环，测量天地和搭扣间隙等数据。为防止缸套和活塞环再次被磨损，燃油日用柜及沉淀柜的燃油全部转驳至储存柜，同时主机换用另一批次的Cat-Fines含量为38mg/kg的燃油。
图2 缸套内表面的擦伤及绗磨纹
对燃油喷油器及燃油增压泵进行简单检查，结果正常。随后启动主机，正常启动后船舶恢复正常航行，在随后的合适时间更换其余缸的活塞环。在随后1个月的观察中，主机活塞环和缸套运行良好，至此基本锁定主机活塞环卡阻断裂由Cat-Fines含量较高的燃油进入燃烧室内引起。
在本次故障中，No.2液压油泵马达的空气开关自动跳闸的原因始终未找到，在一定程度上误导故障的判断。分油机的排渣故障很有可能是不同批次的燃油混舱后产生大量杂质、水分以及高度亲水的Cat-Fines，超出分油机分离能力以致出现故障。燃油喷油器及燃油增压泵未察觉到损伤可能是由于燃油分油机出现故障后的运行时间不是太长，未拆开检查燃油增压泵，只是确保内部柱塞没有卡阻。活塞环的材料是铸铁环，材料相对较软，易磨损，如果是镀陶瓷的活塞环，此次事故可能会造成拉缸。
3Cat-Fines的管理
Cat-Fines含量是燃油中含有催化剂颗粒硅和铝的氧化物多少的指标之一，低硫燃油在催化裂解过程中会带入Al、Si成分，并随着燃油脱硫工序的增加，带入的Al、Si含量不断增加。过去催化剂主要为SiO2和Al2O3，现在像沸石和陶瓷的材料也被广泛引用。一般而言，ULSFO（Ultra Low Sulphur Fuel Oils）和VLSFO（Very LowSulphur Fuel Oils）燃油中含有的Cat-Fines比较高。硅铝氧化物颗粒非常坚硬，加速运动部件的磨损，图3是用高倍显微镜在高压油泵套筒表面看到的硅、铝氧化物颗粒切割金属表面的情形[1]。
图3 Cat-Fines颗粒对运动部件表面造成的磨损
3.1 Cat-Fines的标准和进机要求
ISO 8217-2005规定：船用燃油中Al和Si的含量应在0~80mg/kg。新版ISO8217规定：0.5%（质量分数）的低硫油的Al和Si含量应在0~60mg/kg[2]。
燃油进机前，燃油中Cat-Fines含量应尽可能的低。曼恩柴油机厂家规定：进机燃油中Cat-Fines含量最大值可为10mg/kg；柴油机短期运行时，Cat-Fines含量最大值可为15mg/kg [3]。中国船级社规定：尽可能地采取净化、过滤等措施将燃油中的催化剂含量降至最低水平，保证进机燃油中的催化剂粉末（硅、铝氧化物）含量不超过10mg/kg或满足机械设备的要求，在某些情况下可提高到15mg/kg[2]。瓦锡兰二冲程柴油机也有类似的数据规定[4]。
图4为曼恩柴油机厂家推荐的进机时最大的Cat-Fines含量值与燃油加装时的Cat-Fines含量值之间的关系[5]，当加装的燃油中Cat-Fines含量值为40mg/kg时，进机最大Cat-Fines含量值应在7~8mg/kg。
图4 燃油中Cat-Fines含量值进机标准
3.2 燃油中Cat-Fine分离净化
3.2.1 净油机的净油
净油机是燃油净化系统中的关键性设备，在安装新的或改装分油机时，建议选用无比重环自调整净油机。如果使用带有比重环的净油机，则2台净油机的流量应控制在额定流量的15%并联运行[4]。对比重环式的净油机而言，最好是2台分水机并联运行，然后再串联1台分杂机（89%），大部分杂质（70%~80%）是通过分水机分离的，分杂机进行最终的分离提纯。净油机的分离效果受下列多种因素影响：
（1）分离温度。温度对分离介质的黏度和密度都有影响，为保证最佳的分离效果，HFO燃油进分油机的温度应设置为98℃。当燃油进机温度为90 ℃时，为达到同样的分离效果，需要将流量降低至少23%[4]；当燃油温度为85℃时，流量需要降低至50%[1]。为精确控制燃油温度，燃油加热器应采用PID控制，避免温差波动过大[5]。
（2）流量。分离效果与流量成反比，流速越高，分离时间越短，分类效果越差。温度和流量对燃油净化效果的影响见图6，各类型燃油选择的合适净油温度见表1。
（a）低温、高流量 （b）高温、低流量
图6 温度和流量对燃油净化效果的影响
表1 燃油类型对净化温度的选择
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燃油类型 |
燃油净化温度/℃ |
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蒸馏油 |
40~50 |
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ULSFO（50℃时的黏度） |
0≤黏度＜20 cSt |
50 |
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20 cSt≤黏度＜40 cSt |
60 |
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40 cSt≤黏度＜50 cSt |
70 |
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50 cSt≤黏度＜80 cSt |
80 |
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黏度≥80 cSt |
98 |
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HFO |
≥98[l1] [p2] |
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（3）颗粒尺寸。沉降速度与颗粒直径呈平方关系增加，颗粒越小，越难分离。可分离的催化剂颗粒直径大约在5μm，直径＜10 μm的颗粒很难分离[4]。中国船级社规定：直接为2μm或更小的颗粒将很难分离，当燃油中存在直径≤2 μm的颗粒物时，可能会导致处理后的燃油很难满足10mg/kg限值要求，需要进一步参考柴油机制造厂提供的专门建议[2]。
（4）净油机的维护。离心力与颗粒在分离盘中的位置成正比，分离盘应清洗干净，以便颗粒能够进入分离盘的最外层区域。若盘片表面有杂质，盘片间的间隙减小，油液流速加快，分离时间缩短，分离效果将降低。
（5）水。催化剂颗粒具有高度亲水性，若燃油中含有水，则催化剂颗粒将会溶解到水中，如果含水量足够高，则有利于催化剂分离。
3.2.2 油舱的净化
当海况良好（风平浪静）时，Cat-Fines沉淀在油柜的底部，但在恶劣海况下，Cat-Fines被晃荡，将可能以较高的浓度传输到燃油系统中。高浓度的Cat-Fines可能被传输到净油机，但净油机不能分离Cat-Fines至满意水平，这意味着日用柜将被高浓度的Cat-Fines污染，将可能造成柴油机磨损增加。因此在恶劣海况下，应使用较高的吸口（见图7），避免沉淀在柜底的Cat-Fines进入柴油机燃油系统；同时开启备用分油机，2台分油机低负荷高效率运行。
图7 燃油日用柜示意
为保持良好的燃油净化，燃油日用柜可采取下列措施：（1）油柜设计成倾斜底，以便于堆积泄放物；（2）沉淀柜和日用柜定期放残；（3）循环净化日用油柜，通过净油机对日用柜的燃油循环分离，或溢油管口安置在日用柜的底部；（4）若某个燃油日用柜很长时间未使用，在使用该日用柜燃油前，需净化该日用柜内的所有燃油。
3.2.3 燃油自清滤器的安装
燃油管系（见图5）在进机前位置安装一个精度为10μm的燃油自清滤器和50 μm的手动旁通滤器，每日记录燃油自清滤器的自动清洗次数，若自动清洗频率超过正常值，则需要采取措施检查燃油净化系统中的净油机等设备。2005年之前，瓦锡兰二冲程柴油机的燃油进机滤器精度为50μm，然后调整为34 μm，2012年之后再次调整为10μm。
图5船舶燃油净化系统
3.3 油样分析
（1）燃油的取样分析。燃油系统共有4处取样点（见图5），为检测燃油的净化效果，可对各取样点的燃油取样并化验其中Cat-Fines含量值。取样频率和地点见表2。中国船级社规定：对燃油泵和日用柜出口之间的燃油催化剂粉末含量进行连续监测，若未对催化剂粉末含量进行连续监测，则建议每周在日用柜出口进行燃油取样，并分析催化剂粉末含量，以确认燃油中的催化剂粉末含量未超过规定限值。
表2 燃油取样频率和地点
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检查项目 |
检查燃油系统的净化效果 |
检查净油机的净化效果 |
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检查周期/时机 |
每4个月 |
当加装的燃油中的Al和Si含量超过25 mg/kg时 |
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抽检位置 |
加油处（取样1） |
净油机前（取样2） |
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净油机前（取样2） |
净油机后（取样3） |
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净油机后（取样3） |
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机器进口（取样4） |
（2）气缸油残油的取样分析。对扫气箱泄放的残油进行取样化验，可评估活塞和缸套的工作情况[6]。假如Cat-Fines含量较高的燃油供给机器，由于活塞环和缸套之间的磨损加剧，则泄放的残油中将含有高浓度的铁质。
4 总 结
为降低Cat-Fines对电喷柴油机的影响，可采取以下措施：
（1）控制净油机的燃油进机温度和流量，HFO的加热温度可为98℃，加热采用PID控制。
（2）燃油日用柜可设计成倾斜底，以便于Cat-Fines的沉淀，且溢流管口设置在柜底。
（3）日用柜的燃油可循环净化，恶劣海况时须使用高位燃油出口。
（4）可对燃油油样定期化验，检测燃油净化效果，也可结合气缸油的残油化验来分析活塞和缸套的磨损情况。
（5）在进机前的燃油管路上安装1个精度为10μm的自清滤器，根据自清滤器的每日清洗次数来视情检查燃油系统的净化设备。