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0 引言 黄骅港务公司47 000 t级系列散货运输船舶，主机采用MAN B&W 6S50ME-C8型船用电喷柴油机。主机额定功率7 800 k W，额定转速108 r/min，最高爆发压力16.1 MPa，航线为国内沿海进长江航线。船舶主机运行17 900～23 000 h时，主机相继出现汽缸盖裂纹故障。6个汽缸盖全部出现不同程度的裂纹，裂纹的汽缸盖经过修复使用后，主机运行1 500 h，又发现汽缸盖的不同位置处的裂纹，给船舶安全运营带来安全隐患，同时给公司造成经济损失。 因此，发现已有文献仅限于传统主机的气缸盖裂纹故障研究，电喷柴油机气缸盖裂纹故障研究较少，沿海和近洋航线的船舶案例更少。通过对主机制造厂船员和船舶管理人员进行问询，发放问卷调查和邮件，获得主机技术参数、运行参数和技术资料，参考已有的文献资料和柴油机说明书，结合船舶航线特点，对裂纹故障进行综合研究，得出故障原因，制定管理对策。 1 故障原因1.1 柴油机汽缸盖裂纹机理汽缸盖是柴油机的重要构成部件，汽缸盖与汽缸套和活塞的顶部共同组成燃烧室。汽缸盖受火面与高温、高压气体接触，气体的压差和温差较大，因此承受较大交变机械负荷和热负荷。冷却水腔一侧与冷却水直接接触，经受到冷却水的腐蚀作用。汽缸盖安装排气阀、单缸启动阀、喷油器等附件，结构复杂，金属分布不均，薄厚不均，各部位的温差很大，同时受到安装液压螺栓的预紧力作用，因此承受较高的机械应力和热应力。汽缸盖在腐蚀作用、交变的机械应力和热应力作用下，容易产生疲劳裂纹。金属构件因为高温蠕变、腐蚀或者应力作用，金相组织发生微观裂纹。随着裂纹发展的持续影响，微观金相裂纹逐渐增多、扩大、连通，发展成为宏观裂纹，直至裂穿。 1.2 原因分析汽缸盖裂纹故障是在船舶主机运行到17 900～23 000 h时发现，裂纹初期时，汽缸盖未完全裂穿，裂纹导致的冷却水腔漏水量不大，主机烟囱的排烟颜色看不出明显白色的烟气。主机停车和机动航行转速小于80 r/min时，膨胀水箱冷却水水位无变化。检查发现汽缸盖的裂纹部位在底部冷却水密封令环槽附近，裂纹故障发生在主机第一次吊缸检修到第二次吊缸检修的时间段。 故障发生后，船舶管理人员与大连DMD柴油机厂家取得联系，DMD厂家质检部门提供了汽缸盖材质报告，并与造船厂售后服务部门取得联系，查找安装同批次汽缸盖的同类型船舶的故障案例，未发现相似的故障案例。根据金属材料缺陷裂纹机理和经验判断，主机汽缸盖材质和制造缺陷导致的裂纹在主机运行10 000 h内发生，该轮在10 000 h吊缸检修时，汽缸盖并未发现裂纹，所以排除金属材料和工艺制造缺陷。 实船查阅轮机日志和设备维修保养记录文件，发现主机高温淡水冷却系统运行和管理正常。冷却水处理剂采用“百克灵”牌冷却水处理剂，冷却水按照管理要求，及时投放和化验，冷却水化验指标值均在正常范围内。冷却水压力进口压力保持在0.3 MPa，数值在说明书要求的正常值范围内，压力未波动，未发生冷却水断水的情况。汽缸盖冷却水腔有轻微结垢构现象；主机运行时，冷却水膨胀水箱使用自动补水装置补水，值班人员未能发现膨胀水箱水位的细微变化。 通过对汽缸盖裂纹位置、长度、形状和裂纹深度检查比对，发现所有的汽缸盖裂纹位于冷却水腔部位的底部附近，从汽缸盖上部向下部延伸，从冷却水腔向燃烧室发展，穿过冷却水腔底部密封令环槽，排气阀孔座圆周方向和喷油器孔、启动阀孔和示功阀孔的裂纹未发生。ME型主机排气阀通过4根液压螺栓紧固到汽缸盖凸台上，排气阀和汽缸盖凸台之间没有密封垫片。固定排气阀的液压螺栓下端安装在汽缸盖上，汽缸盖所受安装应力比较复杂，汽缸盖的静应力与安装预紧力成正比，应力主要集中在汽缸盖的凸台位置，凸台周围是汽缸盖静应力集中处，因此凸台周围是汽缸盖容易发生裂纹的部位。查阅设备维修保养记录发现：主机第一次吊缸检修时，船员使用专用的液压工具对排气阀和汽缸盖紧固螺栓进行上紧。由于所有的裂纹发生的位置都不在凸台周围，所以排除安装应力裂纹的可能性。 热应力导致的汽缸盖裂纹，发现时伴随贯穿性裂纹，因此贯穿性裂纹多是热应力的原因引起的。进一步检查船舶的各项记录文件，未发现异常。通过了解主机高温冷却水进口温度调节阀门在主机备车机动航行时状态，水温变化大，三通阀开度不能及时自动调整，调节器的执行机构时常出现卡阻，自动调节滞后，调节偏差大，造成机动航行时冷却水温度波动幅度过大，温差低于设定值20℃，经常出现主机冷却淡水温度偏离设定数值，需手动调节。调节不及时，主机冷却水进口温度降低至45℃。船舶长江航行时，引水员经常要求船舶加减速，为避让其他船舶，驾驶台操车会取消主机负荷程序限制；同时长江水深流速情况复杂，主机突加突减现象经常发生，导致船舶负荷突变频繁发生。 主机负荷突变引起的热应力，可分为燃气温度变化产生的热应力和冷却水温度变化产生的热应力两种。主机油门快速增加和减小，燃烧室的温度短时间内大幅度上升或下降，导致汽缸盖燃烧侧温度变化过大，热应力增加。沿海狭窄水道航行，水深经常发生变化，频繁出现“浅水”效应，此时主机低转速大扭矩，短时间内主机喷油量增多，进气量没有变化，燃烧不良，热应力增大。国内沿海进江航行，主机机动航行时间长，狭窄水域多，长此以往，引起汽缸盖金属组织的热疲劳，导致汽缸盖裂纹。随着主机负荷变化，为了保持冷却水温度不变，温度三通调节阀比例调节，但是主机负荷变化快，冷却水温度调节不及时，会导致主机负荷大的时候，冷却水温度低，负荷低的时候冷却水温度高，增加汽缸盖热应力，导致汽缸盖裂纹，甚至裂穿。 综上所述，该轮的汽缸盖裂纹是热应力原因导致的裂纹。沿海进江船舶的航线短，定速时间短，机动航行时间长，主机负荷频繁突变，冷却水温调节不及时，长期交变热应力作用下，最终导致主机汽缸盖裂纹。 2 管理对策虽然船舶智能化水平越来越高，船舶管理技术日益更新、手段更加先进、功能更加集成，但现代化的管理系统只是一种辅助管理手段，设备管理人员仍是设备管理“第一责任人”。加强船舶管理人员的设备巡视责任心、设备操作的熟稔度、故障排查的精准度，才是对设备最“高级”的管理手段[3]。 2.1 主机负荷管理2.1.1 机动航行时，使用“车、舵”结合的方式改变船舶航向为保证船舶航行安全，避免主机汽缸盖裂纹，船舶主机定速航行时，主机负荷必须在安全范围内并保持稳定，避免突变。主机定速航行时，驾驶员避让船舶或者改变航向时，通常使用“舵”完成，极少使用“车”。主机定速航行时，除紧急情况外，驾驶员应该提前预判，使用降速和小角度操舵来避让船舶和转航向，避免使用大角度操舵。海速情况下，大角度操舵，主机负荷突然增大和减小，引起主机燃烧室部件热应力增加，长此以往，交变应力作用下，汽缸盖容易裂纹，甚至裂穿。船舶在渔船密集区、狭窄水道和航线水深变换区域航行时，轮机长应该指导驾驶员操车，使用“车、舵”结合的方式驾驶船舶，避免主机负荷突变。必要时机舱备车航行，“车”由集控室操控。 2.1.2 机动航行时，正确执行加减车程序6S50ME型主机最高爆发压力是16.1 MPa,6S50MC型主机的最高爆发压力是15.1 MPa，相同转速变化率条件下，ME型主机比MC型主机的负荷变化值大，因此ME型主机比MC型主机对负荷变化要求更加严格。 沿海进江船舶航线短，备车航行时间长，主机负荷变化频繁。规范主机加车操作程序，船舶管理人员应该根据沿海进江船舶的航线特点，制定主机沿海航行主机加车程序，在船舶安全管理体系中予以明确，监督船舶严格执行。驾驶台通知机舱主机定速航行，主机由“集控室控制”转“驾驶台控制”，此时船舶未航行到开阔水域，主机并未达到海速，“驾驶台控制”完全是依靠主机自动控制程序，水深和舵角变化的时候，自动控制存在响应滞后的情况，造成短时间内的主机超负荷运转。 沿海进江航线的船舶在“港速”到“定速”或者“定速”到“港速”时间段内，主机遥控位置应该转到集控室，轮机员根据舵角和主机参数，及时手动调节主机油门，避免主机负荷变化过快。取消主机程序负荷控制，轮机人员采用手动方式缓慢加车，延长加减速的时间，将主机自动程序的加车时间延长1倍，根据负荷变化及时调整，一般控制在1.5 h。在保证船舶航行安全的前提下，轮机长同船长共同制定主机加减速程序。进出港时，驾驶台与机舱实时联络，及时告知海况（水深变浅、顶流、渔船区等）。没有足够水深时，控制主机转速（紧急用车除外），避免主机“低转速大负荷”工况，主机加减速，严格按照体系制定的操作程序操作。 2.1.3 加强燃油和设备管理，提高主机燃烧质量加强主机HCU和HPS系统管理，按照主机说明书的检修要求进行模拟测试和拆检。保持液压系统油的清洁，及时补充HCU蓄压器氮气。加强FIVA阀的日常维护保养，FIVA故障时，要根据HCU曲线分析判断，及时查找原因，排除缺陷。主机运行时，FIVA阀工作不正常卡在喷油位置时，喷油时间增加，单位时间内汽缸内的喷油量增加，汽缸内发生“爆燃”，燃烧室的压力瞬时增加，汽缸盖承受较大的机械和热应力，容易发生裂纹故障。 内贸船舶加装的180CST燃油质量残次不齐，在加强燃油分离净化的同时，使用燃油添加剂改善燃油品质，同时对供油单元粘度计定时校验，确保工作正常。船舶使用新加装的燃油时，轮机长应该预先将信息单元中燃油的热值、密度、温度等指标值进行更新。主机运行时，MOP电脑根据燃油参数估算出主机在当前转速和负荷下使用该燃油所发出的理论功率，轮机长测量主机PERFORMANCE（性能参数），计算主机实际功率，调节补偿值，直到理论功率与实际功率相差在2%。MOP电脑计算主机使用该油品的最佳喷射提前角、最佳压缩比等参数，提高主机燃烧质量。国内加装燃油的性能和供油凭证载明的参数会有所差别，轮机长要根据主机运行的实际情况适度调节，不断总结使用经验。 正确维修保养主机喷油器，按时吊检、清洁研磨各密封面，压磅喷油器，主机运行4 000 h更换喷油器偶件，确保喷油器处于良好的技术状态。喷油定时不正确，喷油器雾化不良，燃烧质量差，容易烧蚀汽缸盖，造成汽缸盖裂纹[1]。 2.2 冷却水系统管理2.2.1 加强主机冷却水系统的维护保养由于岸上补给的自来水盐分过高，冷却水系统尽量使用造水机的蒸馏水。冷却水系统日常管理中，轮机管理人员要严格按照管理体系文件规定和主机说明书的要求，定期对冷却水进行化验，根据化验结果及时投药处理。轮机长要对主管轮机员的操作进行指导和监督，确保冷却水的各项指标在正常的范围内。船舶岸基机务主管人员监控船舶冷却水处理剂的消耗和申领情况，访船时检查管理情况，现场抽查化验情况。 主机吊缸检修时，拆检缸头水套，清洁除锈，检查内部情况，必要时着色探伤，进厂坞修时，尽量将汽缸盖送车间进行水压试验。主机完车或者机动航行时，及时调节温度调节三通阀，尽量保持主机冷却水温度在正常范围内，避免水温短时间内变化过大，主机冷却水进口温度70℃，出口温度83℃。必要时关闭缸套水冷却器的低温水，主机机动航行，负荷低的情况可以适时开启暖缸。定期定时关闭膨胀水箱补水阀，查看膨胀水箱的水位变化，及早发现主机漏水，查找漏水点，消除缺陷，确保主机运行安全 2.2.2 冷却水系统技术改造随着我国经济飞速发展，内贸运输货量突飞猛进，从事内贸运输的船舶越来越多。相比远洋船舶，沿海进江船舶，机动航行时间长，水域和航行条件复杂多变，短时间内，主机负荷变化大，主机进气温度和冷却水温的调节不及时，缸套容易低温腐蚀，汽缸盖也承受了很大热应力。为保证汽缸盖冷却水温度的稳定性，仿效超长行程柴油机，加装冷却水LDCL(Load Depend Cylinder Liner）系统，将传统的主机冷却水系统改装成汽缸盖冷却水和缸套冷却水2个独立的系统，如图1所示。缸套水的温度是根据主机负荷改变，但缸头冷却水的出口温度保持稳定，通常设定为85℃，减小热损失，减小热应力影响，避免主机负荷变化过快引起的热应力增大。 2.3 加强值班巡视，及早发现主机汽缸盖裂纹故障主机汽缸盖裂纹到裂穿是逐渐发展过程。裂穿初期，冷却水漏入气缸和燃气漏入气缸冷却水腔的现象都会发生。冷却水漏入气缸导致主机单缸排烟温度降低，主机排烟颜色发白厚重，膨胀水箱冷却水的温度和消耗量也会异常，甚至会导致主机冷却淡水的压力波动。白天航行时，轮机值班人员要按时到后部主甲板观看主机排烟颜色；晚上航行时，值班人员联系驾驶员帮忙观看主机排烟颜色；同时轮机长也要留意主机的排烟颜色变化。开航备车时，主机冲车要观察主机示功考克是否有白色的气雾冲出，清洁主机扫气箱时，从扫气口观察气缸缸壁是否有水迹，及时发现故障缺陷，及时采取处理措施，消除故障，保证船舶安全运行。3 结语传统柴油机的汽缸盖裂纹是船舶主机较为常见故障，随着金属材质及制造工艺的不断提高，制造缺陷造成的汽缸盖裂纹越来越少。但是，新型电喷柴油机的应用时间不长，设备可靠性需要经历新船型，环境、海况和航线变化的实践检验。同时，电喷柴油机发展应用离不开管理人员的实践，需要船舶管理人员不断探索积累管理经验，查找故障原因，提出管理和改进建议。船员要熟练掌握电喷柴油机说明书中的管理要点，严格按照技术规程管理维护柴油机。
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