RTA58型柴油机罕见故障分析与应对措施探讨

摘要：通过两起罕见的故障实例，分析事故的特殊成因，探讨老旧柴油机在活塞、高压油泵日常使用管理和维护修理方面的对应方法。

关键词：活塞 穿孔 阀座 穴蚀

RLA系列柴油机是SULZER公司于1977年在RND系列的基础上作了较大改进的产品，它很快地经RLB系列发展为RTA系列。RTA系列柴油机从上世纪八十年代初期大批量装船使用以来，作为三大主力机型之一，曾一度很受广大轮机管理人员的好评。但是，随着时间的过去，在这些近三十年的老机器上，尤其是RTA58系列，也偶尔会出现一些罕见的故障。在八十年代中后期到九十年代初建造的3～6万吨级的船中，用RTA58机型的不少。因此，出现的问题值得我们去分析和探讨。

1 活塞头穿孔

对比RND系列，从RLA系列开始进行了较大的改进，活塞头采用钻孔冷却方式。RLA系列活塞头的材料为锻钢或铸钢，（RTA系列活塞头采用锻钢）在触火面的背面采用钻孔冷却。活塞冷却水进、出水动管的安装高度相同，运转时活塞冷却空间大约注入一半的水，活塞在每一循环的运动中的加速和减速产生“鸡尾振荡效应”，热传导良好。可将活塞顶的主要温度和活塞环周围的温度保持在恰当的界限之内。然而，某轮RTA58主机却发生了活塞头穿孔。

情景：2011年12月，某轮主机正常运转中，突然机舱下层响起响亮的“哨声”，其频率与主机相同。大约10秒钟后，No.4气缸的活塞冷却水回水观察镜气孔有烟雾腾起-活塞水透气总管冒白烟雾-No.4气缸活塞回水高温报警。减速/No.4气缸单缸停油后“哨声”随之渐小直至消失，No.4缸活塞回水观察镜内有喷射性小水流流过；该缸活塞回水温度也逐渐回降至高温报警消除。

现状：缸吊缸检查，如图1。活塞头触火面光滑，无高温、高钒烧蚀的迹象。活塞头右后侧吊装螺孔旁的一个冷却钻孔穿孔。活塞解体后检查测量，穿孔近似圆形，带7mm裂缝形尾巴。圆约有φ16mm，上小下略大。钻孔内已无水垢（其他钻孔顶部有2～3mm薄水垢）。穿孔内尾巴的一侧有钢质内凸物，疑为焊疤。全部冷却钻孔清洁除垢后，测量同一圈各钻孔的深度，发现穿孔的钻孔比其他钻孔深了5～7mm。该缸两支喷油器试压及检查雾化，均正常。

档案：该轮1985年由日本住友重工建造，主机SULZER 7RTA58也为住友重工制造。2003年从国外二手购进。查备件签收单，购进后一直没有买过新活塞头，多年来有过几次活塞头翻新，其中2009年一次交修翻新2只活塞头，其中有一只是穿孔后交翻新的。这次穿孔的No.4缸活塞头是在2010年3月吊缸时换上的2009年那次2只翻新件中一只。但厂方打翻新工号码克时没有在施工单上注明哪个号码是穿孔活塞头翻新的。同一批翻新的另一只活塞头也已装机使用，故不能凭记号认定该活塞头是上次穿孔的翻新活塞头。该活塞头翻新后仅使用4100小时就出现本次穿孔事故。查最近两航次示功图测记，该缸爆压为9.7Mpa及9.8Mpa，属于正常范围。排温为328℃和322℃，与其他缸偏差正常。11月份清洁扫气箱时从扫气口拍照活塞顶无异常。活塞冷却水泵出口压力0.55Mpa，集控室活塞水压力0.47Mpa进水温度58℃，回水温度66℃，均在正常范围。分析如下：

（1）活塞头触火面烧蚀穿孔？

烧蚀首先由于活塞顶部直接与燃气和火焰接触，温度很高，尤其当喷油定时不正确、喷油器调试不良或冷却侧结垢时使顶部局部过热，温度更高；其次，由于柴油机燃用的重油中含钒、钠过多，就会在活塞顶部温度达550℃以上的部位产生高温腐蚀。同时，活塞材料过热时发生氧化、脱碳而使其化学成分变化。在以上因素综合作用下，活塞顶部金属产生层层剥落使顶部厚度逐渐减薄，出现钒腐蚀的麻点或凹坑，大小、深浅不一地于活塞顶部，这种现象称为活塞顶部烧蚀。严重时可使顶部烧穿。

但是，No.4活塞头整个触火面光滑，就连穿孔的周围也无烧蚀的痕迹。穿孔明显的圆形带尾巴，上小下略大，这也与烧蚀现象不符，烧蚀穿孔应该是上大下小，不可能有那样的尾巴，而且也不可能—下子穿那么大的孔。

（2）钻孔面腐蚀穿孔？

有一个疑点是该钻孔的深度是同一圈钻孔中最深的。本来同一圈的钻孔深度应该大致相同，但它却比其他钻孔深了5～7mm。从触火面向内测量，该孔的壁厚约为8～11mm。（有一侧有内凸金属，该侧最厚，为11mm。）

为何该钻孔比其他钻孔深？从水侧电化学腐蚀角度来考虑，也无法证明它是电化学腐蚀所致。

当金属与电解质溶液接触时，由于腐蚀电池作用而引起的金属腐蚀，叫做电化学腐蚀。电化学腐蚀是最普遍最常见的腐蚀，其对金属性能的危害也较化学腐蚀大。金属在大气、海水、土壤及酸、碱和盐溶液中都能发生电化学腐蚀。电化学腐蚀破坏是船机零件的一种主要故障模式。其中，局部电化学腐蚀的点状腐蚀是对设备破坏最大的腐蚀形态之一，它使金属表面局部区域被腐蚀呈小而深的圆孔，严重的可将设备腐蚀穿孔而导致泄漏。钢铁、铝、钛和不锈钢都会受到点状腐蚀（孔蚀）。

局部电化学腐蚀除了点状腐蚀之外，还有晶间腐蚀等其他多种形式。其中，晶间腐蚀发生在晶界或邻近区域，使晶粒之间结合力下降或丧失。因其不易发现，容易产生突然破坏，造成很大危害。还有，腐蚀疲劳，金属在交变应力和腐蚀介质共同作用下引起裂纹和断裂，腐蚀疲劳的危害性也极大。

点状腐蚀应该有腐蚀的疤痕。但检查该钻孔顶部尚存的弧面，无腐蚀疤痕。其他钻孔有薄水垢，但清洁后检查，也无明显的腐蚀痕迹。一下子出现2cm2这样大的孔，从水腐蚀角度来解说也难信服。况且该轮活塞冷却水长期坚持化验和使用白灵801冷却水处理剂投药处理，水质没有疑问，不致产生严重的孔蚀。这样，不得不把怀疑的目标转到穿孔活塞头翻新这方面来。

（3）穿孔活塞头翻新不当引起再穿孔？

查1990年以前的交通部部颁《柴油机修理标准》，大型低速柴油机活塞头修理仅包括活塞环槽的形状、尺寸恢复，吊环孔螺纹的修复和触火面轻度烧蚀后的修理，没有涉及到活塞头穿孔的维修规范。现在的轮机修理文献中对活塞顶部烧蚀修理的论述是：当活塞顶部最大烧蚀厚度超过说明书规定值或使活塞顶部厚度减至设计厚度一半时，应将活塞报废。九十年代以后，随着部件翻新厂家的快速增加，活塞头穿孔也在翻新修理的范围内，但翻新的工艺及质量检查手段却很难得到严格的规范。

在厚壁工件焊接中，应有一套严谨的要求。比如，焊条的选择有严格的要求；焊接时需有特殊工艺（正火处理工件、整个焊接过程不得中断一次完成、焊后马上作保温一等温退火热处理等），以降低焊接边缘处的冷脆性，降低晶间腐蚀，保证焊件质量。另外，同一区域焊修次数越多，材料的疲劳强度下降越大，因而活塞头翻新的次数也需要考虑。再则，若是穿孔活塞的修理，其检验仅用着色探伤是无法确切探出其修理部位的缺陷的，要用超声波探伤复查。这个要求对一些小厂来说是无法提供的。

若穿孔活塞翻新无规范，则最简单的施工方法是在顶面把原穿孔直接焊补或者割大一定尺寸后镶块焊补，然后磨光整形，孔内焊疤用钻头或磨具修平（这样造成孔变深了），再用着色探伤检查合格交货。

综上所述，此次活塞头穿孔应是上次穿孔的活塞头经上述最简单的翻新工艺翻新，装机使用4100小时后，在晶间腐蚀、腐蚀疲劳等共同作用下得出的结果。对策如下：

（1）现场应急处理：当出现哨声并活塞回水高温报警时，立即报告驾驶台并尽快减速及作单缸停油操作。然后打开扫气箱放残阀放出残水。不要求马上停车，但必须尽快作故障缸单缸停油，否则，穿孔喷进的燃气沿着进水管反冲，很可能造成相邻气缸也出现断流、高温。另外，高温燃气反冲时间长了’其高温很可能造成活塞冷却水伸缩管上密封件损坏、管子弯曲变形等，加大了损失及检修范围。如近岸，可封缸减速后开往较适合的海区抛锚检修。

（2）日常管理：严格来说，如果日常管理到位，就不会出现活塞头烧蚀穿孔或腐蚀穿孔，也就不需要考虑穿孔活塞头的修理问题。因此，应从源头抓起，预防为主。

①密切注意热工检测和分析，确保不超热负荷和机械负荷。

②喷油器定期检查雾化质量，保证雾化质量良好。

③切实做好活塞冷却水化验及投药处理工作，确保水质良好。注意观察检查水耗量的变化，如有异常，要及时查找原因并消除。

④定期检查活塞冷却水泵，确保水压正常；定期检查冷却水立管密封件及根部弯位清洁除垢，保证冷却水量正常。

⑤活塞冷却水柜上面的浮油每班要检查清除。定期清洁水柜底部残渣，至少要每半年一次。这样不仅对泵和活塞冷却水伸缩管及管系有好处，而且对活塞水冷却器也有好处。

⑥冷却水进口温度要控制好，不要偏高。

⑦尽量少用微速，以免“鸡尾振荡效应”减弱，造成冷却不足。

⑧扫气箱清洁检查时从扫气口检查活塞顶状况，最好能拍照对比。

（3）规范修理：

①活塞定期解体检查并清除冷却钻孔里水垢，保证冷却效果。同时更换密封胶圈，防止老化失效。按说明书要求时间，或每两个吊缸期（约16000小时）解体一次。备用的活塞头要做好防锈处理。

②建立每缸活塞头档案，以便跟踪。

③必须翻新修理时，选择信誉好的厂家。尽量不要用“补差换修”的方式，以免换了别人的穿孔翻新件。穿孔活塞头最好不要修理，作报废处理。

④定购新活塞头时需注明高度尺寸，因为RTA58活塞头后期的有改进，高度比老式的高10mm。并且活塞弹性连接螺栓安装螺孔没有锁定螺丝孔，连接螺栓是与之相配的专用螺栓，不能混用。

2 高压油泵本体与出油阀安装面两之结合面蚀穿

阀与阀座密封面磨损是常见的事，因为这是一对摩擦副。高压油泵本体与出油阀的安装面两者之间是静止不动的一对固定件，这个接触面出现油蚀穿透性凹坑是罕见的。这个罕见的故障同样在RTA58出现了。

情景：上述某轮2012年6月满载南下航行中，在相同的转速下，主机负荷指示从原来的6.7格增大到6.8格，到湛江外锚地前增大到6.9格。由于这个航次遇上台风，在南澳稍作避风就开航，风浪比较大。船到湛江外锚地时台风刚登陆不久，当时认为台风后托潮，主机负荷稍大些也应是正常的。在湛江卸货后期压水盘车检查螺旋桨，未发现异物。卸货后开航北上，发现情况不对：这时海况已恢复正常，但主机负荷指示仍然比以前高。检查对比燃油进机压力、温度和粘度，和以前相同，排除了油温过高，密度、粘度降低造成偏差的可能。测取各缸手拉示功图，发现#2、#7缸爆压仅有8.9Mpa和9.1Mpa，明显低于平均值9.8Mpa。并且#2、#7缸示功图也显示出燃烧过程短和有滞后迹象。检查油泵柱塞及进、回油阀推杆，密封性正常。对比燃油消耗率，虽然负荷指示大了（机旁操纵台侧机械式负荷指针和调试器上负荷指针和集控室显示相同），但燃油消耗却没有明显增加。把#2、#7缸油量调大到爆压9.5Mpa使用，开始负荷指示略有回降，但慢慢又回升，抵锚地前负荷指示已到7.1。

在锚地拆检#2、#7缸喷油器，上航次新来的大管轮把他在航行途中调试好的4支喷油器（按说明书启阀压力取30+0.5Mpa调）装在#2缸和#7缸。备车进港时发现#2缸不发火，并听到油管有明显的液击声音；#7缸排温偏低报警。意识到是喷油压力调得过高，临时就地把#7缸喷油器调压螺丝调松半圈，排温回升。把#2缸两喷油器调压螺丝分别调松一圈，油管液击声音减弱，排温也起来了。靠码头后，针对#2缸高压油管的液击现象，认为可能是高压油泵出油阀有问题，遂拆检#2缸高压油泵出油阀。

RTA系列高压油泵每两缸为一组，是回油阀式高压油泵，每缸有出油阀、进油阀和回油阀各1只，阀与阀体以一对偶件的形式装在本体上，分别对应于柱塞、进油阀推杆和回油阀推杆。阀体用螺管压紧在安装面上，外面再装压盖密封。拆装压紧螺管有一把专用工具，但说明书上没有标明拆装力矩。

当拆卸#2缸出油阀压紧螺管时，凭以往经验，发现该螺管已经自行返松了。以往大约要用500Nm的扭力才能旋松，现在不用200Nm力就松出了。弹簧是好的；拉出阀及阀体，一个令人吃凉的画面出现在眼前：阀体的安装面上出现一闪亮的穿透性凹坑（如图2）；清洁本体安装面后检查，上面也有一条宽2mm径向穿透性凹槽。

随后，#7缸高压油泵检查，在回油阀阀体与本体安装面上也出现类似的情况。

负荷指示变大的原因找到了：由于出油阀本体与油泵本体安装面在圆周上有间隙，柱塞的排油一部分经间隙，通过穿透的凹坑泄流回到柱塞顶上来。因此，实际上这些缸的喷油量是减小了，为维持给定转速，调试器把整体油门拉大，负荷指示就大了。

同样，因为这么严重的内漏，使得该缸高压油泵的排出压力已达不到新换喷油器的启阀压力，该缸不喷油发火，油却随着柱塞下行经凹坑倒喷回进油腔，如此往复，在油管中产生液击现象。当后来调低了启阀压力后，才得以喷油发火，液击也随之减弱。

档案：该主机2011年8月曾按循环检修计划校对过油泵定时，但没有拉出出油阀等检查，压紧螺管也没检查。2008年修船期间，全部高压油泵交厂修解体研磨本体安装面和各阀体安装平面。工程完工单上标列是“解体，清洁检查。全部上磨床研磨至良好后装复”。之后，没有解体检修记录。

分析是什么原因造成这些凹坑呢？

（1）波动穴蚀？燃油系统喷油时处于高压状态，喷油终了系统内油压骤然下降，高压燃油流动时产生和传递压力波。在喷油终了时，某些部位会产生负压力波，并导致气泡发生，气泡随后又在正压力波作用下破灭，产生穴蚀破坏。出油阀的安装平面是工件的结合面，又在喷油嘴到油泵柱塞的最末端，此处最易产生负压力波，最易受到波动穴蚀的影响。久如久之，就会出现洞穴。

（2）高压油的冲蚀？如果2008年的厂修质量存在问题，比如缺陷没有彻底消除，仍存有肉眼看不见的缺陷；或者装配工作不仔细，工件清洁不彻底；又或者没有按配对研磨安装，那么安装面就可能不是无缝隙贴合；若压紧螺管没拧紧等等，都可能给高压油流冲过，造成油流冲蚀。

（3）压紧螺管金属疲劳？压紧螺管结果27年使用，因其结构较薄弱，可能会产生疲劳。但当时仔细检查过螺纹（包括本体上螺纹），核对过螺管伸长量，没发现问题。装复后使用1500小时后检查，无返松迹象。至于为何拆检时那么松？还需要更长时间去观察检查。

对策如下：

（1）日常管理方面：

①定期检查各油阀的压紧螺管的紧固度。如发现有返松现象，应拆出螺管检查，必要时换新螺管。若螺管松了，相应的油阀也应拉出清洁检查。如有缺陷，尽早修理消除。拆检进、回油阀的压紧螺管时最好把相应的推杆转车到下方，以便安装。

②若出现负荷指示无故增大而油耗率增加不明显时，除了注意检查喷油器循环阀外，还应根据爆压和排温的状况，决定是否检查油阀与本体的安装面。

③尽可能减少使用低速运行，因为低速运行时波动穴蚀较严重。

④对于老旧柴油机，喷油器启阀压力不要使用上限值。建议使用下限值。并且，油头试验台压力表也要注意校验。

（2）厂修时：

①若本体上的安装平面有凹痕，研磨时不但要消除凹痕，还要向下研磨一定的深度，以消除肉眼看不见的缺陷。精研后蓝油检查验收力求全面贴合，绝不能有空隙。

②压紧螺管的检查应全面、仔细，包括本体上的螺牙。上紧力矩必须保证。

③装配前各部件必须彻底清洁干净，对研的部件必须按记号装配，不得调乱。

罕见的事故也有其发生的内因和外因。旧机器部件发生故障的内因和外因比新机都要多一些复杂一些。只要我们管理者能及早的研究问题，分析问题，解决问题，及时切断事故链，就能让旧机器平稳的运转，完成我们赋予它们的使命。

参考文献：

[1]国外造船工业编辑部编，国外大功率柴油机手册[M]，第一版北京，人民交通出版社，1979年2月，498～508

[2]顾卓明，江彦桥，轮机维护与修理[M]，第1版，北京；人民交通出版社，2008年2月，35～173