冷卻水故障的探討

1、一起冷卻水系統(tǒng)故障引發(fā)的探討張勇 筆者介紹：張勇 中國(guó)長(zhǎng)航南京油運(yùn)，輪機(jī)長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事油輪及化學(xué)品船舶輪機(jī)管理工作。2007年度獲得長(zhǎng)航集團(tuán)輪機(jī)技術(shù)狀元稱號(hào)。內(nèi)容簡(jiǎn)介：眾所周之冷卻水系統(tǒng)是柴油機(jī)的一個(gè)重要系統(tǒng)，該系統(tǒng)的作用是冷卻機(jī)件，帶走多余熱量，保持零件在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿ぷ鳌Ｆ涔r的好壞直接影響到柴油機(jī)工作的效率及零件壽命。冷卻水系統(tǒng)的管理是柴油機(jī)運(yùn)行管理的一個(gè)重要方面，但有時(shí)輪機(jī)管理人對(duì)冷卻水系統(tǒng)沒有給予充分的重視，導(dǎo)致柴油機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，卻往往找不到故障原因，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的財(cái)力物力的損失。筆者就一例罕見冷卻水系統(tǒng)故障導(dǎo)致的柴油機(jī)系列故障進(jìn)行如下探討。關(guān)鍵詞：冷卻水系統(tǒng) 飽和溫度 蒸汽腔 氣缸

2、過度磨損 故障排除正文：一艘20000噸級(jí)的油船1994年出廠，主機(jī)型號(hào)為MAN B&W 6L42MC 上海滬東船廠生產(chǎn)，主機(jī)多年來總是有汽缸磨損過度，缸套水套，缸頭水套長(zhǎng)期漏水現(xiàn)象。該輪在14年的服務(wù)期間共更換了近6批缸套，也就是說，該輪從出廠到08年已經(jīng)更換了30多只缸套。從2007年11月至2008年2月份，2個(gè)多月時(shí)間里面，缸套最大磨損了1mm多。而兩個(gè)月運(yùn)行時(shí)間僅僅為1000小時(shí)左右，而正常缸套的磨損率最大為0.10mm/1000小時(shí)。可見，該缸套的磨損率是正常磨損率上限的十倍。且缸套最大磨損僅僅發(fā)生在上止點(diǎn)第一道和第二道環(huán)相應(yīng)位置。缸套在相應(yīng)部位有兩道臺(tái)階（缸套最大增量在第

3、二道環(huán)上止點(diǎn)相對(duì)位置），這與正常磨損的缸套有明確的不同。缸套是內(nèi)壁有些發(fā)灰色，鏡面不明確，也無嚴(yán)重拉痕。第一、二道活塞環(huán)表面有拉傷現(xiàn)象，表面有硬化層。部分活塞頭第三，第四道環(huán)槽有偏磨現(xiàn)象，最大天地間隙有4mm，最小天地間隙為0.5mm，這樣的活塞頭部已經(jīng)沒有使用價(jià)值，只能更換。由于缸套過度磨損，有臺(tái)階，柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)汽缸內(nèi)有機(jī)械敲擊聲音。柴油機(jī)運(yùn)行明確異常。這樣的磨損必然導(dǎo)致缸套過早磨損報(bào)廢。汽缸內(nèi)出現(xiàn)的兩個(gè)臺(tái)階，非常少見。針對(duì)存在的異?，F(xiàn)象查找可能原因。一般缸套過度磨損是由于潤(rùn)滑不良，超負(fù)荷，汽缸燃燒嚴(yán)重不良，冷卻不良等等。查注油器的注油量，注油量偏大，定時(shí)正確。汽缸的注油不存在故障，使用的汽

4、缸油為MOBILE 570 符合說明書的要求，燃燒的燃油為180#FO，燃料的各項(xiàng)指標(biāo)符合柴油機(jī)正常使用要求。柴油機(jī)負(fù)荷一般不大于75%（油門總桿的機(jī)械限位），噴油器定期檢查，定時(shí)及爆壓正常，煙氣幾乎看不出；排氣溫度為300-320度，應(yīng)當(dāng)不存在超熱負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷情況。冷卻水缸頭出口溫度為73-76度，不高。該主機(jī)從表象看，就是不耐用。稍微的有點(diǎn)不合適的地方就會(huì)出問題。比如，用硬度小的活塞環(huán)備件，環(huán)的磨損太嚴(yán)重；用進(jìn)口原裝硬度大些的活塞環(huán)，缸套磨損太嚴(yán)重。燃油質(zhì)量的變化對(duì)主機(jī)的影響特別大。一次，燃油質(zhì)量不佳，主機(jī)有輕微拉缸現(xiàn)象，斷裂的活塞環(huán)進(jìn)入了排氣管，再進(jìn)入增壓器，把增壓器打壞，但同時(shí)使用該

5、燃油的其它主機(jī)卻沒有出現(xiàn)如此嚴(yán)重的故障。該主機(jī)長(zhǎng)期以來一直存在缸套水套，缸頭水套漏水現(xiàn)象。橡皮圈用進(jìn)口含氟橡皮圈，耐受溫度150度，新?lián)Q后不超過3個(gè)月就會(huì)漏水，拆檢時(shí)，常有橡皮圈會(huì)消失或者部分缺失現(xiàn)象，從缺失的痕跡看，仿佛是高溫溶解了。后來，定制了硅膠材料的密封圈，該硅膠材料耐受溫度為220度，但還是會(huì)有部分缺失的現(xiàn)象發(fā)生。應(yīng)當(dāng)說，密封圈在長(zhǎng)期使用后比較常見的故障一般是變形，老化開裂，脆化等。密封圈應(yīng)當(dāng)部分與冷卻水接觸，冷卻水溫度僅僅70多度，不可能會(huì)將密封圈燒損。那么，是什么原因造成了密封圈的缺失呢？同樣找不到原因。以上問題長(zhǎng)期困擾著該輪一批又一批的輪機(jī)管理人，頻繁的吊缸檢修，更換缸套，活塞

6、環(huán)，活塞頭，密封圈。花費(fèi)了巨額的備件費(fèi)用，該輪的輪機(jī)管理人員因頻繁的檢修工作而付出了巨大的勞動(dòng)。吊缸檢修，更換缸套，檢查缸套內(nèi)部有明確的異常磨損，應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的鏡面沒有，而是略顯灰色，表面無光澤。仔細(xì)檢查缸套外部冷卻水面，發(fā)現(xiàn)在缸套上部，活塞上止點(diǎn)相應(yīng)位置，沒有正常水垢，取而代之的是堅(jiān)硬的，亮晶晶的物質(zhì)，類似于電茶壺中會(huì)常有的片狀水垢。但比之更加堅(jiān)硬，有光澤。缸套外部的水垢不正常。為什么會(huì)產(chǎn)生如此情況呢？查冷卻水缸頭出口溫度73-76度，正常。柴油機(jī)運(yùn)行中檢查缸套水套外部溫度，發(fā)現(xiàn)了異常情況。在缸套水套的下部，水溫60多度正常；但到了上部，缸套水套外部的最高溫度達(dá)到110度，且無論是在水套外表面的

7、上下方向還是圓周方向溫度差異都非常大。在接近缸套上部異常磨損位置的圓周用紅外線點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量，從缸套水套至缸頭水套的四個(gè)冷卻水通道處的70攝氏度左右至通道中間的110攝氏度明顯變化。缸套水套缸頭缸頭水套排氣閥缸套缸套水套110度左右70度左右缸套水套與缸頭水套連接短接在水套外表面110度的情況下，水套內(nèi)的冷卻水空間溫度應(yīng)當(dāng)超過外表面溫度。但這樣的溫度怎么可能存在？水在這個(gè)溫度下會(huì)汽化。但冷卻水的出口溫度僅僅為70多度。這怎么解釋呢？既然缸頭冷卻水出口溫度在70多度，而且，冷卻水從機(jī)體缸套水套缸頭水套缸頭排氣閥冷卻水缸頭出口。如果缸套水套內(nèi)冷卻水的溫度大于110度，那么缸頭冷卻水的出口也應(yīng)當(dāng)是大于1

8、10度的。仿佛出現(xiàn)了矛盾。根據(jù)飽和水蒸氣壓力與溫度的關(guān)系，如下表：溫度水蒸氣壓力 MPa1020.108781040.116681060.125041080.133901100.143271120.153161140.163621160.174651180.186281200.19854溫度水蒸氣壓力 MPa1220.211451240.225041260.239331280.254351300.270131320.278311340.304071360.322291380.341381400.36138查冷卻水壓力，該輪的冷卻水壓力（集中控制室表壓）為0.14Mpa；主機(jī)冷卻水機(jī)體進(jìn)口處約為

9、0.17Mpa（集中控制室約高于主機(jī)冷卻水進(jìn)口總管3-4米）；好像是太低了。根據(jù)上表，水在0.14Mpa壓力下110°就飽和了。主機(jī)的冷卻水壓力一般都在0.3-0.4Mpa附近。查該輪主機(jī)說明書，說明書有中文和英文兩個(gè)版本。查中文說明書冷卻水壓力的規(guī)定，竟然沒有。查英文說明書，冷卻水壓力要求不低于0.3Mpa，而且還要加上膨脹水箱的位置壓頭，該輪膨脹水箱位置高于主機(jī)6-7米，正常水壓應(yīng)當(dāng)在0.36Mpa左右才是符合說明書要求的。該輪主機(jī)的冷卻水壓力明顯低于說明書的規(guī)定。根據(jù)說明書的要求，主機(jī)冷卻水進(jìn)口壓力低于0.25Mpa自動(dòng)降速，冷卻水流過主機(jī)的壓差低于0.6Mpa報(bào)警，低于0.4

10、Mpa降速。該主機(jī)冷卻水壓力不符合說明書規(guī)定。這時(shí)，來分析該輪主機(jī)故障的原因，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)是冷卻水的問題導(dǎo)致。冷卻水壓力低下，造成冷卻水的飽和溫度下降，0.3Mpa水的飽和蒸汽溫度為130多度，而0.14Mpa時(shí)，冷卻水的飽和溫度為110度。這樣以來，冷卻水在缸套上部有可能會(huì)汽化，從而產(chǎn)生蒸汽腔。從冷卻水套外表面的溫度達(dá)到110度可以印證這點(diǎn)。由于冷卻水壓力低下，造成缸套上部某些部位形成蒸汽腔，該蒸汽腔的壓力與冷卻水壓力形成一種平衡，冷卻水無法接觸并有效冷卻缸套上部該部位，這樣便造成缸套外表面異常水垢的形成；同時(shí)，該部位的溫度將進(jìn)一步地升高。由于溫度的升高，缸套該部位的強(qiáng)度下降，同時(shí)，由于溫度的升

11、高，潤(rùn)滑油膜會(huì)蒸發(fā)，從而無法形成有效的潤(rùn)滑油膜，破壞了汽缸的潤(rùn)滑，形成一種異常的磨損。同樣，由于溫度過高，從而燒損了密封圈，密封圈的消失也找到了合適的解釋。這些判斷完全是理論的推理，機(jī)器工作中無法直觀的看到冷卻水的汽化，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的腔室。支持汽化理論的依據(jù)是冷卻水壓力，水套外壁面溫度，缸套冷卻面水垢特點(diǎn)等方面。無論這樣分析結(jié)論正確與否，目前冷卻水壓力低于說明書要求，提高水壓是必要的。為什么冷卻水的壓力會(huì)低于要求這么多呢？冷卻水泵（安裝位置與主機(jī)機(jī)體高度一致）出口壓力為0.34Mpa，而主機(jī)進(jìn)口（機(jī)旁壓力）只有0.17Mpa。水泵出口壓力與主機(jī)冷卻水進(jìn)口壓力為什么會(huì)產(chǎn)生如此大的壓力差？查英

12、文版本圖紙后發(fā)現(xiàn)該輪冷卻水系統(tǒng)的走向與該說明書要求相悖。說明書要求冷卻水泵出口到主機(jī)冷卻水進(jìn)口，主機(jī)冷卻水出口到造水機(jī)，從造水機(jī)到冷卻器，從冷卻器到加熱器，從加熱器回到水泵。而船上的實(shí)際是冷卻水出口到造水機(jī)，從造水機(jī)到冷卻器，從冷卻器到加熱器，從加熱器到主機(jī)冷卻水進(jìn)口，從主機(jī)冷卻水出口到冷卻水泵。由于冷卻水泵進(jìn)口一般會(huì)與膨脹水箱相通，冷卻水泵的進(jìn)口一般就是膨脹水箱的位置水頭（約7-8米），那么主機(jī)的冷卻水壓力就是冷卻水泵進(jìn)口壓力加上冷卻水流過主機(jī)的流動(dòng)阻力，這個(gè)阻力說明書的要求是0.06Mpa。這樣下來，主機(jī)的冷卻水進(jìn)口壓力就只能為0.14Mpa。開兩臺(tái)缸套水冷卻水泵，壓力稍有增加，也就是0.

13、15Mpa左右，還是太低。在不進(jìn)行船舶修理，不更換管系的情況下，采用限制主機(jī)冷卻水出口的方法，進(jìn)行限流增壓，同時(shí)使用兩臺(tái)冷卻水循環(huán)泵，保證冷卻水流量。冷卻水進(jìn)口總管機(jī)旁處壓力提高到0.25Mpa，而冷卻水缸頭出口溫度沒有明確變化。在這樣的情況下，常車時(shí)測(cè)量缸套水套的外壁面溫度，原來110度的位置減到100度以內(nèi)，而0.25Mpa下，水的飽和蒸發(fā)溫度為120以上，那么，可以推斷，缸套水套內(nèi)原來的蒸汽腔應(yīng)當(dāng)消失或者幾乎消失。缸套的溫度應(yīng)當(dāng)接近設(shè)計(jì)溫度。采取這樣的措施后，不斷檢查掃氣箱?；钊h(huán)及缸套的情況漸漸發(fā)生了變化，活塞環(huán)的密封外表面在僅僅幾十小時(shí)左右的運(yùn)行后就出現(xiàn)了久違的光滑的正常磨損面，缸套

14、表面也出現(xiàn)了基本的鏡面。活塞環(huán)表面原有的拉痕內(nèi)明顯變黑，成了老痕跡。這些都說明汽缸內(nèi)的工況在變好。以上的判斷及采取的措施都是通過分析得到的結(jié)果，如果分析錯(cuò)誤，那么得到的結(jié)果將是錯(cuò)誤的。這些分析及采取的措施的效果要經(jīng)過時(shí)間的檢驗(yàn)才能得到驗(yàn)證。船舶運(yùn)營(yíng)8個(gè)月后，經(jīng)過對(duì)主機(jī)檢查和了解到的情況，從測(cè)量數(shù)據(jù)看，這8個(gè)月左右時(shí)間，缸套的磨損量很小，尤其對(duì)于缸套磨損增量已經(jīng)接近上限的缸套而言，其磨損率是逐漸變大的。更換已經(jīng)達(dá)到極限的缸套進(jìn)行檢查，查看該缸套的冷卻外表面，原來的異常水垢已經(jīng)發(fā)生了明確的變化，異常水垢形成的面積僅僅剩下原來的20%左右。從檢查的情況看，主機(jī)缸套活塞總的狀況明確變好。原來嚴(yán)重的漏水

15、問題得到了根本性的緩解。有的缸已經(jīng)運(yùn)行了4000多小時(shí)，還是很正常；原來?yè)Q新缸套的網(wǎng)紋依然清晰可見，這在以前是從沒有過的現(xiàn)象。這些結(jié)果都說明采取的措施是合適的。當(dāng)時(shí)，該輪主機(jī)異常磨損，缸套內(nèi)出現(xiàn)兩道磨損臺(tái)階，應(yīng)當(dāng)還有主機(jī)工況，活塞環(huán)的配備等方面的問題與冷卻水系統(tǒng)故障綜合作用的結(jié)果。但我們認(rèn)為冷卻水壓力問題是該輪主機(jī)多年來缸套異常磨損的根本原因。當(dāng)然，該輪主機(jī)的問題并沒有得到徹底的解決，按照說明書的要求重新進(jìn)行管系的布置才能使該主機(jī)恢復(fù)正常。雖然目前采取了這樣那樣的措施，使主機(jī)的狀況得到了一定的改善，但是冷卻水壓力還是沒有符合說明書的要求。只有經(jīng)過一次船舶修理，問題才能得到完整的解決。該輪的主機(jī)

16、故障比較特殊，主要特殊在下面幾個(gè)方面：1. 該輪有兩套主機(jī)說明書，中文版本和英文版本，內(nèi)容基本是一致的。但就是在冷卻水系統(tǒng)這一段不同。這點(diǎn)非常讓人費(fèi)解。應(yīng)當(dāng)說，船舶有多套說明書是正常的，但他們應(yīng)當(dāng)是一致的。在有些情況下，船上會(huì)有中文版本的圖紙，但那些只是英文圖紙的中文譯本?？墒?，該輪的中文冷卻水系統(tǒng)圖紙卻與英文冷卻水系統(tǒng)圖紙有很大的差異。后來，筆者電話咨詢柴油機(jī)生產(chǎn)廠家，上海滬東廠，得到的結(jié)果與英文圖紙的要求一致。至于是什么原因在船舶建造過程中采用了不適當(dāng)?shù)膱D紙?jiān)O(shè)計(jì)就無法得知了。2. 中文版本的說明書對(duì)冷卻水壓力沒有提出要求，導(dǎo)致輪機(jī)管理人就認(rèn)為該輪長(zhǎng)期以來的冷卻水低壓屬于正常情況，沒有對(duì)這個(gè)

17、方面進(jìn)行過多的考慮。3. 該冷卻水系統(tǒng)的錯(cuò)誤發(fā)生在船舶建造階段，也就是說，船出廠就是不正常的。這樣的系統(tǒng)必然會(huì)導(dǎo)致主機(jī)這樣或者那樣的故障。必然導(dǎo)致主機(jī)缸套的過度磨損，而輪機(jī)管理人員很少會(huì)否定船舶建造過程中系統(tǒng)的錯(cuò)誤。4. 主機(jī)冷卻水缸頭出口溫度不高，這點(diǎn)非常迷惑輪機(jī)管理人員。冷卻水進(jìn)出口溫度往往是課本上判斷主機(jī)冷卻水系統(tǒng)是否正常的主要因素之一。由于該輪主機(jī)在缸套上部的外表面加工了一個(gè)高約100mm，深度約60mm的圓弧形凹槽（見簡(jiǎn)圖），其目的應(yīng)當(dāng)是為了加強(qiáng)該部位的冷卻效果，形成一種薄避強(qiáng)背的結(jié)構(gòu)，但該凹槽又造成了該部位冷卻水流道的突然變大，水壓會(huì)進(jìn)一步的降低，更容易產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，異常水垢基本都

18、出現(xiàn)在該區(qū)域。由于其形狀的特殊性，也容易形成蒸汽空腔，使得該位置的冷卻進(jìn)一步惡化。5. 主機(jī)長(zhǎng)期以來的缸套過度磨損和漏水問題總認(rèn)為是主機(jī)本身的設(shè)計(jì)問題，或者是該輪使用中超負(fù)荷了。 但，實(shí)際上該輪主機(jī)的負(fù)荷并不高，主機(jī)正常負(fù)荷下的排氣溫度僅僅為310°左右，爆壓不到12Mpa，根據(jù)說明書的規(guī)定，負(fù)荷是不大的。很多時(shí)候設(shè)備發(fā)生故障，從說明書及課本上是找不到答案的。就需要輪機(jī)管理人員從原理上進(jìn)行分析，有些基礎(chǔ)理論知識(shí)從表面上看好像與工作的直接聯(lián)系不大，可實(shí)際上并非如此。尤其是高級(jí)輪機(jī)管理人員，往往對(duì)故障的分析要從源頭做起，不能讓故障的表面現(xiàn)象及以往的分析所迷惑。另外一個(gè)方面就是對(duì)已經(jīng)發(fā)生故

19、障設(shè)備的檢查非常重要，該輪主機(jī)缸套外表面上部非正常水垢現(xiàn)象是長(zhǎng)期存在的，但這種非正?，F(xiàn)象沒有能夠引起輪機(jī)管理人員足夠的重視。這需要兩個(gè)方面的要求，一，細(xì)心的觀察；二，有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)當(dāng)說，作為營(yíng)運(yùn)船舶的從業(yè)人員，經(jīng)驗(yàn)是非常重要的。無論是輪機(jī)管理還是船舶駕駛，都需要非常豐富的經(jīng)驗(yàn)去支持。沒有見過正常的缸套外表面水垢，就無法比較出非正常的缸套冷卻面。這就是經(jīng)驗(yàn)。僅僅書本知識(shí)是無法做到這點(diǎn)的。當(dāng)然，沒有理論支持同樣也無法發(fā)現(xiàn)及解決這個(gè)問題。應(yīng)當(dāng)說，現(xiàn)代船舶設(shè)備在設(shè)計(jì)及施工階段，其缺陷是經(jīng)常存在的，所以，設(shè)備本身在不斷的更新，不斷的彌補(bǔ)自己的缺陷。但有些故障是使用管理中造成的，并非是設(shè)計(jì)制造中的問題。作為輪機(jī)管理人員，要從原理上進(jìn)行分析，查找設(shè)備故障的根本原因，而不是一味的將自己無法查找的設(shè)備故障歸結(jié)為設(shè)備本身的設(shè)計(jì)問題。應(yīng)當(dāng)說，船用設(shè)備本身的可靠性都是挺高的。只要嚴(yán)格按照說明書的要求進(jìn)行維護(hù)管理，一般情況下是很少出現(xiàn)一些奇怪故障。由于船舶管理人員的流動(dòng)性；人員素質(zhì)的參差不齊；岸基地的支持等等方面一直都困擾著設(shè)備的有效管理。這樣往往導(dǎo)致了設(shè)備故障的多發(fā)。而且，很多時(shí)候，是綜合性故障。一個(gè)故障的產(chǎn)生是多個(gè)故障元素所導(dǎo)致，這樣的故障排查及解決的難度就會(huì)比較大。筆者大致算了一筆賬，該輪由于冷卻水系統(tǒng)的偏差，造成更換了至少30多只缸套，如果在正常情況下，最多更換一批缸套，也就是多更