【原】主机缸头垫片总是吹...叫你不看说明书

船舶讲武堂 2021-12-01

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船舶实际操作中，主机缸头垫片在使用中被吹出至燃气泄漏的事情屡屡发生，燃气泄漏时间长未及时发现会导致缸头和缸套之间的密封面损坏而造成比较被动的局面。某集装箱轮就遇到过此事，该轮出厂不久频频出现缸头垫片被吹出的情况，且更换缸头垫片使用三个月后又会被吹出，反复吊检更换较宽的垫片效果均不大，最后他们按照说明书要求检查发现缸头螺栓上紧后未松开一定角度，后将螺栓松开一定角度后再没有垫片被吹出的情况发生。这一现象给我们主机吊过缸的或准备吊缸的船舶提以警示。

笔者仔细查阅某VLOC轮说明书（6S80MCC），主机缸头螺栓安装要求是将之收紧后再旋出45⁰ ~90⁰（也就是螺栓下端旋出2.5mm~3mm的垂直间隙），说明书上未描述缸头螺栓松开一些的原因，但其中自有玄机，本人通过简单力的计算可以说明上述问题。

忽略一些较小的力如：螺帽自重，拉伸器自重、螺帽与螺杆间的摩擦力，各类与缸头连接管的力（空气管、水管、排烟管、燃油管、滑油管等）。通过简化只需考虑最主要的三个力即可：缸头总成自身重力（F缸）、螺帽上紧的压力（F螺）、燃气对缸头向上的力（F燃）。

主机在停止的情况下可算出作用在缸头向下的两个力F下：

F缸=6465X9.8=63357N (缸头总成质量是6465kg)

缸头螺帽作用在缸头上的力可以这样计算，我们用液压拉伸器上紧螺帽实际上是用150Mpa液压油的压强传递给拉伸器，拉伸器将150Mpa的压强转化为压力，拉伸器油缸压在垫块再由垫块压在缸头上，8个缸头螺帽锁紧后，等同于共8个相同的力压在缸头。液压油压强转化为压力其中面积应该计算拉伸器油缸底部截面积，拆检拉伸器测量油缸外径约0.174m，内径约是0.118m

根据ΔS=πR²-πr² 可知，作用在油缸底部面积是：

ΔS=3.14X(0.174/2)²-3.14X(0.118/2)²≈0.01284m² P=150X10⁶Pa

根据F=PS可知，8个螺帽作用在缸头的力是：

F螺=150X10⁶X0.01284X8=15.41X10⁶N

向下作用在缸头总力：

F下= F缸+ F螺≈15.47X10⁶N （计算结果可知缸头自重基本可忽略）

主机开额定转速72rpm时的爆炸压力13.5Mpa（查询主机热工参数最高时有13.78 Mpa），作用在缸头面积为S，缸头与缸套及活塞上死点面积虽说是不规则的锥面，但从物理受力分析可看作是燃气作用在一个平面上，该平面应是缸头垫片内圈面积（缸头垫片内径约0.96m），

即S≈π×(0.96/2)²=0.723456 m²

根据F=PS可知，燃气对缸头向上的力:

F燃=13.5X10⁶×0.723456≈9 .77X10⁶N

正常情况下作用在缸头向下的力是远远大于燃气对缸头向上的力

即F下＞F燃，它能保证缸头紧紧压在缸套上不使燃气泄露，从上面的计算结果也可看出F下≈1.6F燃。但实际情况还要考虑如下因素：①2.8m长的缸头螺栓会受环境温度影响，环境温度高时会膨胀变长，螺帽压在缸头上的力F螺会减小。②优质钢锻造的螺栓在应力范围内象弹簧一样可拉长，应力消失后能恢复原长度，用150Mpa的液压油可将螺栓拉长约8mm，但长时间受拉应力和燃气向上的冲击力使得螺栓应力疲劳会稍稍变长，即螺帽向下的压力会变小，船上每次吊缸用液压拉伸器松螺帽时液压油140Mpa或更小，均要小于说明书规定的150Mpa，这就是螺栓被拉长后没有完全恢复到原长度所致。

说明书规定缸头螺栓必须松开2.5mm~3mm的垂直间隙，据分析是为了螺栓在环境温度的影响下有一定的膨胀余地，假设将缸头螺栓全部上紧，在环境温度较高时螺栓要膨胀，由于下部没有空间伸展只能朝上膨胀。螺栓松开一些后下端螺牙配合能否膨胀，主要是由于缸头螺栓下端粗螺牙配合有一定间隙，螺帽上紧时已将螺栓拉长了8mm，使得螺栓下端螺牙配合间隙均朝下，螺栓受热膨胀由于上端已拉紧，于是朝下伸长，下端每个螺牙间隙均膨胀一点就可以了。

曾做实验,：先用150 Mpa油压将螺帽松开3mm，卸压后再松螺帽时仅需110Mpa。假设8个螺栓全部上紧，螺栓向上膨胀3mm，主机开72rpm（爆炸压力按13.5Mpa算）时再计算螺帽对缸头F螺的压力：

F＇螺=110X10⁶×0.01284×8≈11.3X10⁶N

此时对缸头向下的总力：

F＇下= F缸+ F＇螺=11.36X10⁶N

此时比较缸头向下的总力F＇下仅略大于燃气对缸头向上的力F燃，在螺栓长期疲劳应力影响下螺栓变长，螺帽对缸盖的压力还会慢慢变小，即松螺帽油压要小于110Mpa，当油压等于95 Mpa时F燃= F下，此时缸头可能会被抬起垫片会被吹出。现船上有两种宽度规格垫片备件，根据分析垫片宽度不是导致垫片被吹出的决定因素，而主要可能是螺栓未松开一定角度造成的。

以上结果均是在一定情况下计算得出，即①主机开额定转速72rpm，②缸头螺栓上紧后未松开2.5mm~3mm间隙，③螺栓周围环境温度较高，④主机在运行一段时间后。

现在大多船舶运行经济转速上述情况发生的机率较小，但主机运行时间长后还会有缸头垫片被吹穿的情况，所以平时维保必须做以下事情：

①定期用液压拉伸器检查缸头螺帽预紧力150Mpa；

②主机吊缸时应检查每个缸头螺栓松开角度45⁰ ~90⁰；

③安装缸头螺帽前必需清洁干净螺牙并涂上二硫化钼，防止螺帽虚假上紧后预紧力不够；

④缸盖放于缸头上一定要对准放正，否则螺栓会歪斜，螺帽上紧后因螺栓长期受剪切应力而断裂。

⑤安放缸盖时，示功考克一定要在开启位置且要缓慢放下，速度过快防止缸盖与缸套内部空间因空气压缩产生的气流将缸头垫片吹偏，导致垫片偏移密封面，较窄的缸头垫片安装时特别要注意。

各类主机缸头螺栓均有要求松开一定角度，罗列MAN B&W机型缸头螺栓松开数据如下：

①MAN B&W 6S50MCC 螺栓上紧后松开半圈

②MAN B&W 6S70MCC 螺栓上紧后松开半圈

③MAN B&W 6S80MCC 螺栓上紧后松开45⁰ ~90⁰

④MAN B&W 6S90MCC 螺栓上紧后松开45⁰ ~90⁰