南海救111轮主机启动故障原因分析——救助船队 赵志清
摘要： 柴油机作为船舶的主要动力，如果其出现故障，必然对船舶的可靠性和安全性造成很大影响。本文就南海救111轮在某次航行训练过程中，发生的主机无法启动故障为例，详细介绍了影响主机启动的各系统结构和原理，深入分析，逻辑判断，利用故障树分析法查明了由于高压油泵柱塞套筒偶件磨损、喷油压力降低，从而导致主机无法启动的原因，并提出相应的维护保养和管理建议。
关键词： 主机 启动故障 故障树分析法
前言： 柴油机作为船舶的关键设备，能否顺利启动对于保障船舶航行安全有着至关重要的作用。尤其是南海救111轮作为一艘专业救助船舶，一旦由于某种原因导致主机无法启动，船舶将失去动力，无法控制，在大风浪中救助或台风季节航行时将会造成不可估量的人员伤亡和财产损失。WARTSILA 9L32型柴油机大量用于救助局8000KW系列船舶主机，随着各船舶入列时间的增加，设备老龄化问题日渐凸显，故障率也不断增加，而启动困难就是其中主要故障之一。因此，作为一名船舶轮机管理人员，需加强对该柴油机型结构和工作原理的学习，才能保障船舶的航行安全和救助安全。
1 故障发生过程
南海救111轮主机共有两台，型号为WARTSILA 9L32，四冲程直列式水冷增压，怠速550rpm，额定转速750rpm，发火转速80rpm。2018年10月26日上午，在航行训练途中，右主机发生了主机燃油泄漏报警，经检查发现，部分高压油管有泄漏情况，停车检修完成后，主机无法正常启动。在启动过程中，观察发现，启动转速可以达到发火转速80rpm，且调速器有反馈，油门齿条有动作，但气缸没有明显的发火声音，在启动程序停止后，主机转速迅速降低至0rpm。尝试机旁应急启动，并人为手动推动油门齿条，延长启动时间、增加启动进油量，均无效果，启动失败。
2 影响启动的因素
柴油机的基本工作原理是采用压缩发火的方式使燃料在缸内燃烧，以高温高压的燃气在气缸中膨胀做功，推动活塞进行往复运动，并通过活塞连杆曲轴机构将直线往复运动转变为曲轴的回转运动，从而带动外部机械设备进行工作，这种工作特点使柴油机具有较高的热效率和经济性[1]。
WARTSILA 9L32机型，四冲程直列式柴油机，筒形活塞、油泵水泵等前端设计，体积小、重量轻、结构简单紧凑；采用强制水冷、独立润滑、涡轮增压等方式，有较好的经济性和可靠性；气缸模块化设计，方便保养检修。
根据柴油机的结构和工作原理，总结出影响柴油机正常启动的主要因素有以下几个方面：
WARTSILA 9L32机型的启动原理是利用2.5-3MPa的压缩空气推动活塞，使曲轴转动起来，从而达到发火要求。如图2，当按下启动按钮时，主启动阀4的先导空气管路进气，推动先导阀动作，主阀芯在先导空气的作用下打开，压缩空气经过空气分配器，进入气缸启动阀5，推动活塞运动。其中，主启动阀和气缸启动阀的开启都是通过先导空气的方式来实现的。为了启动安全，设置了盘车机气动连锁，当盘车机未脱开时，气缸启动阀的先导空气将被锁止，起到了安全保护作用。
燃油系统是柴油机的重要动力系统之一，其作用是把符合使用要求的燃油输送到高压油泵的进口处。该系统主要包括燃油驳运、燃油净化和供油单元等。燃油驳运和燃油净化对本次主机启动故障没有影响，故不作介绍。
图4是WARTSILA 9L32机型的供油单元流程图。燃油日用舱中的洁净燃油通过燃油供给泵9输送到燃油循环泵13进口管处，经过增压、过滤处理后送到燃油喷射系统中进行喷射。为了确保燃油压力的连续稳定，系统中设置了调压阀15和混油筒12。
在柴油机中，燃油必须在压缩行程末期通过喷油喷到气缸内，与空气混合后形成可燃气体，才能发火燃烧。良好的燃烧很大程度上取决于燃油喷射质量和雾化质量。
WARTSILA 9L32机型采用的是柱塞式喷射系统，由高压油泵、喷油器和高压油管等构成。如图5，高压油泵的滚轮由凸轮轴驱动，柱塞25在滚轮的驱动下定时做上下直线运动。当柱塞上行时，其上端封闭进油口，高压油泵腔内的燃油收到压缩，压力达到一定程度时，克服出油阀28的弹簧力，出油阀开启，压力油进入喷油器，如图6，高压的燃油克服弹簧力，开启针阀，进行燃油喷射和雾化。柱塞式高压油泵可以产生高达60MPa以上的燃油压力。为了确保设备安全，在高压油泵的出油阀偶件中设置了安全阀30。燃油的雾化质量主要取决于高压油泵的柱塞套筒偶件的密封性和喷油器的好坏。
故障树分析法（FTA）是由上往下的演绎式失效分析法，利用布林逻辑组合低阶事件，分析系统不希望出现的状态。以一个事件的问题为中心点，将整体问题细化为各个小问题，分析各个小问题之间的内在联系，追根溯源从而发现整体问题的核心隐患，同时通过树状的逻辑图把各个问题之间存在的联系进行直观、清晰、全面的体现。相较于其他故障分析方法，故障分析法具有简单、快捷、有效且全面的优点[3] [4]。
① 滑油系统：启动前，通过观察，滑油预供泵X1运转正常且无异响，压力0.15MPa，参数正常，满足启动条件，排除此事件；
② 空气启动系统：经过检查发现，在按下启动按钮的时候，主启动阀X2、空气分配器X3和气缸气动阀X4动作正常，且主机转速达到80rpm，排除此事件；
③ 调速器：经过检查确认，调速器输入信号正常，在启动过程中有给油动作，且油门齿条动作到位，证明调速器并未影响启动；
④ 燃油系统：供油单元X6燃油供给泵、增压泵运转正常，无异常响声，进机前滤器无堵塞，且燃油进机压力0.61MPa，参数正常，拆除高压油泵前进油管检查，有油流出，证明管路通畅，无堵塞，排除此事件；
⑤ 燃油喷射系统：航行途中发生燃油泄漏报警后，机舱人员检查各缸高压油管X9，有2根高压油管接头处存在泄漏情况，其中1根通过上紧的方式解决问题，另外1根在上紧无效的情况下通过停机更换新备件的方式解决问题。在启动故障发生后，拆除各缸喷油器X8，在油头试验台上测试，油头喷孔有个别堵塞情况，且启阀压力都偏低，不到45MPa，查阅说明书，发现良好工况的启阀压力应该是60MPa，翻看主机维修保养记录发现，上次主机大修，有调低启阀压力的记录，经过分析，此做法可能由于是当时高压油泵X7喷油压力降低所致。根据使用时间来推算，高压油泵柱塞套筒偶件密封情况不容乐观。
3）得出故障原因
通过综合分析判断，造成这次主机无法启动的原因主要是燃油喷射系统故障所致。虽然在启动过程中，空气进气量正常，主机达到发火转速，且油门齿条有动作，但由于高压油泵喷油压力不足，导致无法打开喷油器针阀喷油。为了进一步验证此次故障原因，将示功考克打开，按下启动按钮观察，发现考克中只有空气喷出，并未有油雾喷出，进一步验证了此次故障的原因。
4 解决办法
经过分析判断，查明原因后，向上级领导汇报。在船舶靠港后，修理人员登船拆除各缸高压油泵和喷油器。回厂检测，发现有柱塞套筒磨损、喷油器油嘴部分油孔堵塞和挺杆弹簧断裂等情况。更换所有高压油泵的柱塞套筒偶件及密封胶圈，更换所有喷油器的油嘴及部分挺杆弹簧，并用专用试验台进行试验，工况良好。修复好的高压油泵和喷油器重新安装到主机上，反复启动试验，启动顺畅，发火正常，且转速稳定后，各缸排温正常，其他各参数均正常。此次故障就此得到解决。
5 维护和管理建议
通过此次故障排查分析,给轮机各岗位人员积累了宝贵经验,为了避免类似故障发生, 有以下几点建议，仅供参考[5] [6]。
1）在日常使用过程中，要密切监视主机的运行参数，严格按照说明书要求进行管理，发现参数异常，应及时处理，将故障隐患消除在萌芽状态；
2）经常活络油门齿条，观察油门齿条刻度，检查高压油泵的泄漏情况，发现问题，及时解决；
3）主机定期大修时，应严格按照产品说明的使用周期来执行，易损件应及时更换，及早排除安全隐患，避免事故发生；
4）对燃油品质的选择应加强监管，差的燃油对高压油泵柱塞套筒的磨损非常严重。在成本允许的情况下，船舶应优先选择高品质燃油，在燃油成本和维修成本之间寻找一个平衡点。
6 结束语
船舶主机，结构复杂，系统繁冗，在使用过程中，不可避免的会发生一些故障，有些故障是设备部件本身设计缺陷造成的，有些故障是由于维护管理不善所导致的。所以轮机管理人员对其系统的学习、科学的管理，可以最大限度的降低设备故障率，同时当船舶主机发生故障以后，要认真观察故障现象，科学地运用各种故障分析法进行分析，找出故障原因，解决问题，从而确保船舶航行安全。
[2] 杜荣铭，孙培廷．船舶柴油机[M]．大连：大连海事大学出版社，1999：1-242．
[3] 孙浩然，朱伟．船舶主机系统故障诊断中故障树分析法的应用[J]．科技创新与应用，2018，（23）：171-172．
[4] 于卓．船舶主机系统故障诊断中故障树分析法的应用研究[J]．科技创新与应用，2017，（3）：156．
[5] 尤本勇．某轮主机启动失败故障分析及处理[J]．工程科技与产业发展，2017，（32）：42-44．
[6] 曹新玉，江峰，宋强．一例船舶主机启动故障分析处置[J]． 动力与电气工程，2017，（9）：63-65．
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