船舶轮机主要故障与应对策略分析

何跃洋 广东省佛山航道事务中心顺德航标与测绘所

轮机一般是指将燃料转变成有用功的内燃式动力机械，可以理解为：在燃烧燃料的过程中，轮机将燃料本身具备的原始能量转化为热能。之后对热能进行灵活运用，将之转化为其他形式的能（如电能），最终定向供应其他设备。比如汽轮机是最常见的轮机，在燃烧燃料的过程中会产生热量，作用于锅炉并使其内水分汽化，在有限空间内逐渐形成压力。这种压力作用于汽轮机的叶轮并使其高速转动，可以带动发电机发电，也可以直接成为推动交通工具运行的动力。在现代船舶中，轮机的构成比较复杂，且考虑到船舶日常使用期间的成本支出问题，有可能因使用劣质燃油等原因导致船舶轮机出现故障。对技术人员而言，需要明确这些故障的产生原理，并采用针对性的方法予以解决。

1.船舶轮机的主要故障分类情况

船舶轮机发生故障时，主要表现为主机无法启动、存在拉缸现象（因各种原因导致气缸压缩压力降低且丧失动力性）、曲轴折断等现象。尽管故障表象相同，但引发原因却有很多种，首先应该做好分类工作。

1.1 基于故障直接原因的分类

（1）结构性故障。代表性情况为：船舶的轮机如果是柴油机，则气缸套上部的“凸起缘根”部分可能在设计时因忽略受力问题，或是因制造工艺不佳，最终导致该区域出现多发性裂纹，情况严重时甚至使整个缸套断裂。

（2）工艺性故障。如果因轮机安装质量不佳，导致轮机运行期间出现轴系振动、轴承发热、长时间磨损过度等情况，同样会导致轮机故障。

（3）单纯磨损性故障。轮机经过长时间使用后，如果缺乏保养，则因磨损过度会导致活塞与气缸之间的间隙越来越大，最终引发敲缸（轮机气缸内的压力升高率如果远远超过正常范围时，会出现类似金属敲击的声音）、窜气（轮机处于运转工况时，可能出现部分可燃混合气、燃烧产物等经由活塞环，从原本所处的轮机气缸内窜入曲轴箱）等故障。

（4）管理性故障。轮机经过较长时间使用后，正常情况下，需要对润滑油的性质进行检验，或是直接进行更换。但一些小型船舶管理人员可能受各种原因的影响，并未如期检验或更换润滑油，导致滑油变质之后，引起轴承合金熔化，最终引发重大故障。

1.2 基于技术性原因的分类

（1）磨损引发的故障。船舶轮机是一组机械设备，很多工件在运转期间会相互接触，由此极其容易导致运动部件磨损。随着磨损程度的累积，在某一时刻造成的运动工件性能下降程度超过最大允许范围时，便可能引起磨损性故障。如上文所述的气缸套与活塞之间裂隙过大，进而引起的敲缸、窜气等故障都属于磨损引发的故障。此外，在轮机叶片、轴承长时间转动的过程中，因磨损过度，必定令轴承间隙过大，这同样是主要的磨损故障。

（2）腐蚀性相关故障。船舶轮机在长时间应用的过程中，使用的燃油或其他燃料中含有大量化学成分。这些成分在燃烧的过程中会生成一些具有腐蚀性的物质。而某些成分相互之间发生化学反应，会对轮机造成电化学腐蚀、物理性腐蚀等。受此影响，轮机机组中的很多零部件的精度会逐渐下降，尺寸会逐渐偏离额定数值，甚至出现明显的几何形状变化。代表性故障为：柴油机的气缸套、活塞的冷却水腔等都会受到电化学腐蚀。

（3）断裂及老化性故障。轮机设备本身的制作工艺存在缺陷，如使用的材料在性质方面存在均匀性不足、生产加工过程处理不当、应用后长时间承受过大载荷、受到较为强力的撞击作用等，最终引起故障。这类故障的代表为：轮机的地脚螺栓可能因紧固程度不符合预期标准而在使用过程中突然发生断裂；另一个常见的断裂故障为：气缸盖长时间受气缸内部热应力、机械应力的周期性作用，会导致盖体陷入热疲劳和（或）机械疲劳状态，最终导致盖体出现裂纹。老化性故障方面，随着轮机设备使用时间的增加，加上受磨损、腐蚀等影响，会导致性能老化。比如轮机基座下方的活动垫块经过长时间使用后会发生老化，导致汽轮机的整体稳定性下降等。

1.3 基于性质原因的分类

上文所述的船舶轮机故障发生原因在一定程度上具有“不可避免性”，很难在使用过程中通过人为控制降低故障发生率。除此之外，如果按照性质进行划分，可进行如下分类：

（1）人为操作不当引发的故障。据武汉海事学校杨界教授的考证，船舶轮机的所有故障中，因船上操作人员或管理人员的操作不当、管理过失、安装质量不佳等因素引起的轮机故障占故障总数的80%以上。最常见的人为操作不当故障包括：①在主机滑油泵并没有开启的状态下，提前启动了轮机主机，造成的后果是轮机的轴瓦被火烧并腐蚀。②轮机轴承安装情况、位置选择等校验精度不足，导致轮机处于运转状态时出现轴系振动甚至是断裂等故障。

（2）自然故障。有一些船舶长期在较为恶劣的水域环境中作业。受恶劣自然环境的影响，轮机机组整体结构、部分材料会逐渐发生恶性变化，最终引起多种故障。这类自然故障还可以进行进一步分类。比如轮机的正常磨损、老化等均会呈现出一定的自然规律，根据使用时间、自然环境等可以大致判断对应故障的发生几率。如果轮机机组设备的整体结构设计、制作材料本身存在缺陷，则在恶劣自然环境下，故障的发生会脱离正常规律，极有可能在无任何征兆下突然发生。引发这类突发性故障的根本原因在于：多种不利的自然因素以及某种作用（如撞击）突然出现并共同作用于轮机设备时，产生的作用力超过了设备能够承受的极限值，进而使故障突然发生。比如轮机螺旋桨桨叶折断、轮机主机突然停车、轮机舵机的转舵控制系统突然失灵等。

2.应对船舶轮机主要故障的有效策略

2.1 船舶轮机故障形成原因和故障发生前的征兆

除了少数突发性故障之外，绝大多数船舶轮机故障的发生都具有一定的规律性，只要理清内因机理，掌握故障发生前的某些征兆，便可以实现对故障进行提前预判，进而做好防范措施。

2.1.1 故障形成的内因机理

①包含磨损、腐蚀、设备疲劳等自然因素是不可避免的。这类因素会令轮机机组设备中的某些零部件在尺寸、质量、外部形态等方面出现变化，届时会导致轮机的工作状态偏离正常运行模式，最终引发故障。

②轮机使用过程中并没有严格遵照相关规程进行操作，甚至因各种原因出现违规操作，最终引发故障。最常见的情况是，轮机主机处于备车状态时，船上人员并没有对轮机主机进行充分的润滑，且没有及时检查并更换机油，最终造成机油数量不符合相关标准，甚至出现机油变质，最终导致轮机主机、气缸等设备内部的流通阻力大幅度增加，最终引发机械故障。

③轮机的日常维护过程中，由于对很多工件的维修质量不高，最终会引发故障。比如按照正常要求，轮机设备的定期维护必须依次经过分解、清洗、检验、修理、装配共计6个环节，每一个环节都对应特定的技术要求。

总体而言，船舶轮机维修人员必须掌握轮机发生故障的内因，之后制定针对性的处理方案，可在很大程度上降低故障发生率。

2.1.2 故障出现前的征兆

除了内因之外，对一些故障出现前呈现出的征兆进行全面了解，可提前做好准备，或是在故障突然发生时能够在第一时间判断出故障生成的原因，并进行针对性处理。代表性的故障发生前兆表现为：①轮机的工作状态突然出现异常，比如轮机主机的转速在短时间内迅速增加或是减少，熄火后无法再次启动，润滑油泵出口处的压力在无任何工况变化的情况下骤然降低等。②设备在运转过程中出现前所未见的非正常声响。造成这类异常声响的原因包含敲缸故障、轴套松动故障、增压器处于异常工况等。无论是否确认故障类型，技术人员都应立刻停止船舶轮机主机运行，之后进行检查（如果故障程度较轻，可不完全停车，而是降低轮机转动速度），决不能予以忽略。③轮机排烟的颜色发生异常变化，比如发黑、发蓝、发白等。三种异常颜色变化对应的故障分别为有部分润滑油窜到气缸、燃料燃烧不完全、燃料（特指油料）中混入了水。

2.2 船舶轮机主要故障的模式和故障发生规律

故障模式的分布特点与故障分类相关，本段不再赘述，只围绕故障的发生规律进行分析。船舶轮机属于一般性质的机械设备，故障发生率与时间相互相应，可以形成多种寿命特征曲线。具体如下：

（1）轮机零部件的常见故障率曲线。如图1所示，零部件的故障发生率曲线整体呈现出“浴盆”形态。具体而言：轮机设备刚刚装在船舶之后，初期运行时，由于零部件之间的熟悉程度不高，相互之间需要经过一段时间的适应，故早期故障发生率较高。经过一段时间的应用之后，几乎所有零部件之间已经彼此适应，相互之间的配合也渐入佳境，故如果船舶运行时没有遭遇突发情况，故障发生率整体较低。随着使用期限的大幅度增加，零部件的磨损日益严重，故障发生率会逐渐增加。早期发生的故障多由轮机整体设计和零部件制造存在缺陷而引发，此时发现故障需立刻更换零部件。中期偶发故障时应该明确故障成因并进行针对性解决，后期故障处理与前期一样，需要更换磨损严重的零部件。

图1 船舶轮机零部件寿命-故障曲线图

（2）其他故障率曲线。轮机使用期间，还存在5种较为常见的故障率曲线，如图2所示，从a到e对应的情况分别为：①故障率维持恒定会略微增加，有明显磨损期。②故障率增长缓慢，无明显磨损期。③故障率出厂时较低，但会经过一段时间的急速增加，之后会进入缓慢增长期，无明显磨损期。④故障率全周期内恒定，零部件质量极好，仅仅会因偶然因素引发故障。⑤设备初期有较高故障率，之后会急速下降，最后进入恒定缓慢增长的状态，无明显磨损期。

图2 船舶轮机整体运行其他故障率曲线

3.结语

对船舶轮机维修人员来说，需要掌握轮机多种零部件的故障率变化情况，结合各类型故障的发生内因，在故障发生时及时判断故障成因，并通过更换零部件的方式迅速排除故障，使船舶在行驶过程中依然维持正常工况，避免陷入危险境地。