戴 武

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

0 引言

船舶營運(yùn)過程中，對于從事船舶運(yùn)輸和管理的人員而言，最為關(guān)鍵和值得關(guān)心的問題就是如何避免船舶發(fā)生海上事故，提高船舶航行過程中的安全性和可靠性。因此，為了保障海上航運(yùn)生命安全，防止海洋環(huán)境污染，在航運(yùn)繁忙區(qū)域內(nèi)規(guī)定船舶航速和操作規(guī)范，為解決海事糾紛提供可靠依據(jù)，對深入研究船舶海上事故問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)海上事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)船舶主動(dòng)力裝置故障造成的船舶海上事故在各類機(jī)械故障中的占比最高。因此，從提高船舶柴油機(jī)安全性和可靠性的角度著手，提出從設(shè)計(jì)、工藝制造方面提高柴油機(jī)可靠性時(shí)應(yīng)注意的問題和方法以及利用冗余對提高船舶柴油機(jī)可靠性做出合理設(shè)想。

1 海上船舶事故類型

船舶事故的類型大致可分為：機(jī)械故障、碰撞、擱淺、觸損、火災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、沉船及其他事故[1]。通過海上事故數(shù)據(jù)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，人為原因占總數(shù)的80%。然而，人為因素帶有明顯的隨機(jī)性和不確定性，在總結(jié)事故原因、制訂預(yù)防措施方面難以有很強(qiáng)的針對性。另一方面，船舶在海上出現(xiàn)機(jī)械故障而導(dǎo)致的事故，雖然只占海上事故總數(shù)的20%左右，但因其大多為船舶機(jī)械故障導(dǎo)致，船舶管理者可以對機(jī)械故障類型進(jìn)行分類，之后通過設(shè)備檢修和機(jī)械部件維護(hù)來對其進(jìn)行預(yù)防，同時(shí)也可以制訂針對性較強(qiáng)的維護(hù)計(jì)劃和事故處理措施，來減少事故的發(fā)生。

船舶航行過程中，其機(jī)械設(shè)備在工作負(fù)荷、運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境、設(shè)計(jì)、材料、制造和安裝工藝等各種條件的共同作用下會(huì)逐漸喪失其規(guī)定功能而造成重大的船舶事故。通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出，主機(jī)事故43起，占37.4%；副機(jī)10起，占8.7%；另外發(fā)電機(jī)9起，鍋爐4起，甲板機(jī)械18起，其他設(shè)備31起[2]?？梢姡安裼蜋C(jī)故障是造成船舶海上機(jī)損事故的主要原因，其次發(fā)電柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐及甲板機(jī)械事故也占有很高的比例。

2 海上船舶故障實(shí)例分析

2.1 主機(jī)敲缸故障

敲缸是指出現(xiàn)異常聲響或敲擊聲，通常發(fā)生在柴油機(jī)運(yùn)行過程中。造成敲缸的原因可以總結(jié)為燃燒原因和機(jī)械原因兩種。由于燃燒原因造成的敲缸表現(xiàn)為尖銳的金屬敲擊聲，通常發(fā)生在上止點(diǎn)附近。由于機(jī)械原因造成的敲缸表現(xiàn)為鈍重的敲擊聲或摩擦聲，通常發(fā)生在上、下止點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)部件越過上、下止點(diǎn)以及行經(jīng)氣缸中部時(shí)。

2.1.1 燃燒敲缸的可能原因

過大的噴油器供油提前角；過低的噴油器起閥壓力；噴油器噴油過程中其噴嘴針閥在開啟位置卡死；噴油器工作過程中，其起閥彈簧斷裂或松動(dòng)；供油量過大導(dǎo)致超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；燃油發(fā)生爆燃（由于燃油燃燒質(zhì)量差）。

2.1.2 機(jī)械敲缸的可能原因

發(fā)生氣缸上部敲缸時(shí)可考慮是氣缸套的上半部分磨損量過大形成凸臺、氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件對中不良、曲柄銷軸承兩側(cè)磨損不均或過大的氣閥間隙。四沖程柴油機(jī)發(fā)生氣缸中部敲缸時(shí)則可能是其中存在過大的活塞與氣缸套間隙或活塞銷間隙，以及氣缸套嚴(yán)重磨損的問題。發(fā)生氣缸下部及曲軸箱敲缸時(shí)要考慮十字頭軸承、十字頭滑塊與導(dǎo)板之間、連桿軸承或主軸承中的一處或幾處間隙過大，活塞或連桿等主要運(yùn)動(dòng)部件的螺栓松動(dòng)或活塞冷卻液伸縮套管受熱發(fā)生彎曲變形的問題。

事故案例：2006年2月7日02:22，SCAN FJELL號通過基爾運(yùn)河時(shí)，主機(jī)活塞故障導(dǎo)致油霧探測器動(dòng)作，主機(jī)停車。該船暫時(shí)失去了舵效，接觸到海豚，但此時(shí)未發(fā)現(xiàn)主機(jī)故障，隨后重啟主機(jī)成功。船舶繼續(xù)向港口駛?cè)?，行在易北河上主機(jī)發(fā)出敲擊聲。主機(jī)再次停車，檢查發(fā)現(xiàn)第三組氣缸和活塞上存在刮傷。隨后船被拖輪拖行至泊位，由修理團(tuán)隊(duì)進(jìn)行修理。另一起事故發(fā)生在2007年12月18日15:40，MASTER DAVIDOV號正于航行途中，其主機(jī)突然傳來了不尋常的、持續(xù)的噪音。輪機(jī)長立即將主機(jī)停車并拋錨停航，隨后被拖至比雷埃夫斯港。檢查后發(fā)現(xiàn)1、2號惰輪和凸輪軸損壞。

處理措施：柴油機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象時(shí)，不論是燃燒原因或是機(jī)械原因造成的敲缸，首先應(yīng)當(dāng)利用柴油機(jī)調(diào)速裝置在保障船舶安全的前提下，降低柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。如果通過現(xiàn)象可以判斷原因?yàn)槿紵酶?，?yīng)在停車后分別對噴油器和噴油泵進(jìn)行檢修：首先對噴油器進(jìn)行調(diào)整和試壓操作，無法修復(fù)時(shí)換新。然后對噴油泵的供油量進(jìn)行檢查，如果噴油量不合適則改變柱塞的有效行程。最后，應(yīng)確定噴油器的噴油定時(shí)準(zhǔn)確。如果通過現(xiàn)象可以判斷原因?yàn)闄C(jī)械敲缸，則應(yīng)在停車后檢查有關(guān)機(jī)件，確定受損機(jī)件后進(jìn)行調(diào)整和修理，必要時(shí)可以換新。如果在航行期間機(jī)件受損嚴(yán)重?zé)o法修復(fù)，應(yīng)當(dāng)將受損的氣缸暫時(shí)封閉，降低柴油機(jī)運(yùn)行速度，保證船舶正常航行，在進(jìn)入港口后進(jìn)行修理。

2.2 空氣壓縮機(jī)故障

高溫下分解形成的積炭自燃物發(fā)生自燃導(dǎo)致壓縮機(jī)著火爆炸。油滲入積炭和鐵銹并隨之留在排氣通道中，吸收了油的積炭沉淀物隨著排氣溫度的升高其氧化作用不斷加劇，氧化放熱過程中這些含油的積炭和鐵銹的溫度上升造成自燃。自燃有時(shí)可能在氣溫達(dá)到180～200℃或更低時(shí)發(fā)生，不一定要空氣溫度達(dá)到油的閃點(diǎn)。油在自燃過程中受熱蒸發(fā)，空氣中油的濃度不斷增大，達(dá)到一定程度會(huì)發(fā)生爆炸。本案例中壓縮機(jī)第三級壓縮發(fā)生故障導(dǎo)致排氣溫度過高，進(jìn)而使積炭沉淀物發(fā)生自燃并引起爆炸。

事故案例：2009年4月13日約12:50，馬士基NGUJIMA-YIN生產(chǎn)儲油輪 (浮式生產(chǎn)儲存和卸載)壓氣機(jī)組件發(fā)生爆炸并引發(fā)火災(zāi)，這是由于高壓壓氣機(jī)第三級壓縮發(fā)生故障而導(dǎo)致的。爆炸未造成人員傷亡，火情也很快得到了控制。

處理措施：第一是要選擇黏度、閃點(diǎn)合適，抗氧化安定性好的滑油。第二是要避免壓縮機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致排氣溫度過高，一般控制壓縮機(jī)的工作溫度低于滑油閃點(diǎn)20℃以上為宜。第三是要定期對氣道中的積油積炭進(jìn)行清除，將積炭厚度控制在3 mm以內(nèi)。第四是消除其他觸發(fā)自燃因素。避免運(yùn)動(dòng)部件異常磨損或咬死、容器與管道零部件松動(dòng)產(chǎn)生撞擊、氣閥和活塞環(huán)漏氣的情況發(fā)生，不應(yīng)采用可燃性密封材料。第五是要防止空氣中油分濃度達(dá)到爆炸濃度。由于壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)油氣集聚濃度增長較快，因此不應(yīng)當(dāng)使壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長。

2.3 舵機(jī)故障

事故案例：2009年11月26日普通貨船丹維京號在航行中舵被卡住，只能向右航行，無法回舵，隨后該船放棄原航線并錨泊，當(dāng)?shù)馗劭诎才磐陷唽⒃摯现粮劭凇Ａ硪黄鹗鹿拾l(fā)生在2011年10月4日，前往蒙哥拉港口的車輛運(yùn)載船Asian Leader（總重16201噸，于1995年建造） 與全集裝箱船Saipan Voyager（總重10774噸，于1979年建造） 以及停泊在加爾各答蘇巴斯碼頭的Mandena號相撞。三艘船都有損傷，隨后被送回碼頭修理。Asian Leading的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)了問題才導(dǎo)致此次事故發(fā)生。船只引航員引導(dǎo)船只向左轉(zhuǎn)，但是舵卡住致使船只與Mandena號相撞。

原因分析：在航行過程中，可能會(huì)發(fā)生舵機(jī)突然在滿舵的位置上停下來，然后不能回中，且有刺耳聲的情況?？赡茉蛴腥齻€(gè)：一是用于為舵機(jī)換向的控制發(fā)電側(cè)線圈損害；二是控制線路出現(xiàn)了損壞；三是舵機(jī)房或駕駛室的電位器出現(xiàn)了故障。

處理措施：出現(xiàn)這種情況時(shí)，駕駛員應(yīng)將舵機(jī)轉(zhuǎn)向備用舵機(jī)裝置，然后緊急停車，以防造成船舶事故。舵機(jī)被轉(zhuǎn)向備用舵機(jī)裝置時(shí)，如果舵機(jī)可以正常運(yùn)行，則控制線路損壞或駕駛臺、舵機(jī)房電位器故障的原因可以排除；如果測量電磁線中電阻值時(shí)發(fā)現(xiàn)與說明書相符，則可排除控制閥電磁線圈損壞的原因。如果不能回舵的同時(shí)油泵的噪聲很大，則可判定故障為舵柱軸承或舵柱卡阻導(dǎo)致。對故障成因判定結(jié)束后，及時(shí)對相應(yīng)部件進(jìn)行維修。

通過以上分析可以看出，船舶柴油機(jī)故障在各類引發(fā)海上事故的機(jī)械故障中占比最高，是船舶海上營運(yùn)過程中發(fā)生安全事故、降低船舶營運(yùn)安全性的主要原因。因此探究船舶柴油機(jī)可靠性研究背景以及提高可靠性的方法，可為減少海上事故多提供一份保障。

3 提高船舶柴油機(jī)可靠性研究

3.1 船舶柴油機(jī)設(shè)計(jì)工藝可靠性分析

在船舶柴油機(jī)的設(shè)計(jì)和工藝制造過程中，柴油機(jī)可靠性的確保和提高體現(xiàn)為柴油機(jī)內(nèi)部零部件的可靠性以及各零部件之間合適的裝配。下面列舉了柴油機(jī)在設(shè)計(jì)、工藝制造可靠性方面的典型案例，通過對案例的分析可以得出柴油機(jī)部件的常見故障形式、解決故障問題的正確思路以及具體的處理措施。

3.1.1 機(jī)油泵故障問題

機(jī)油泵故障是由于潤滑和配合不良導(dǎo)致的，其中包括軸與軸承、鍵與鍵槽的配合不良、機(jī)油泵外殼體存在微小裂紋或裝配不良等。針對以上原因?qū)C(jī)油泵進(jìn)行潤滑和零件配合方面的改進(jìn)，收效甚微。隨后將機(jī)油泵轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子軸間的連接由鍵連接改為兩者過盈配合，從而徹底解決了問題。改進(jìn)后機(jī)油泵故障率大幅下降。

3.1.2 油泵和輸油泵的密封問題

柴油機(jī)的油泵和輸油泵密封性差會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)冷起動(dòng)困難，然而僅僅對油泵和輸油泵進(jìn)行改造并進(jìn)一步提高其密封性能，無法有效改善柴油機(jī)冷起動(dòng)困難的問題。研究分析后發(fā)現(xiàn)，在柴油機(jī)設(shè)計(jì)過程中通過在高于柴油機(jī)位置處增設(shè)柴油沉淀器來解決柴油機(jī)冷起動(dòng)困難問題，可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的快速起動(dòng)。

3.1.3 起動(dòng)電機(jī)故障問題

起動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行過程中的故障率較高，發(fā)生故障后難以完全修復(fù)。究其原因是起動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間過長。減少起動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間和起動(dòng)電機(jī)吸鐵開關(guān)的受熱量是降低其故障率的關(guān)鍵。由此提出相應(yīng)的處理措施：首先，應(yīng)確保柴油機(jī)上的起動(dòng)按鈕安全可靠，避免因起動(dòng)按鈕無法斷開致使起動(dòng)時(shí)間過長，導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)在超速狀態(tài)下發(fā)生損壞；其次，由于柴油機(jī)起動(dòng)過程中起動(dòng)電機(jī)與燃油系統(tǒng)配合工作，因此只有保證燃油系統(tǒng)的可靠性，才能避免因?yàn)槿加拖到y(tǒng)出現(xiàn)故障致使起動(dòng)時(shí)間過長；最后，柴油機(jī)工作過程中應(yīng)保持其排氣正常，吸鐵開關(guān)和排氣管之間適當(dāng)間隔，從而降低吸鐵開關(guān)受排氣管輻射熱而燒壞的幾率。

3.1.4 連桿發(fā)生斷裂問題

船用柴油機(jī)在工作過程中可能會(huì)出現(xiàn)連桿斷裂現(xiàn)象。在對柴油機(jī)進(jìn)行拆檢的過程中發(fā)現(xiàn)，連桿斷裂敲打機(jī)體的位置大多在連桿大頭螺釘?shù)撞恳约芭c連桿大頭連接的桿身根部。連桿斷裂是由于連桿大頭上的螺釘孔底部由絞孔造成的尖角處應(yīng)力集中導(dǎo)致的。在工藝加工方面的問題在于加工連桿時(shí)對連桿大頭上的螺釘孔先鉆孔而后攻絲，因此引起了連桿在使用過程中孔部出現(xiàn)應(yīng)力集中。加工工藝改善后連桿斷裂問題得到了有效的解決。

3.1.5 空壓泵連接法蘭根部裂紋

船用柴油機(jī)在工作過程中，可能會(huì)出現(xiàn)其空壓泵連接法蘭根部裂紋并漏油的現(xiàn)象。加工時(shí)留下的法蘭根部尖角產(chǎn)生應(yīng)力集中[3]，受振動(dòng)會(huì)造成裂紋出現(xiàn)。再加工過程中可將法蘭根部的尖角改為圓角。改進(jìn)后柴油機(jī)空壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，其連接法蘭根部不再出現(xiàn)裂紋。

3.2 冗余控制系統(tǒng)可靠性

3.2.1 冗余度定義

冗余度譯自英文詞“redundancy”，即為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械或設(shè)備安全運(yùn)行所考慮的多余的一個(gè)量，其目的是在發(fā)生故障時(shí)仍能保障儀器、設(shè)備或某項(xiàng)工作正常運(yùn)轉(zhuǎn)。冗余可以分為三種類型：信息冗余、時(shí)間冗余和器件冗余[4]。本文研究的重點(diǎn)是柴油機(jī)的冗余度，即器件冗余。船用柴油機(jī)的冗余度是指在柴油機(jī)內(nèi)部組件發(fā)生故障失效，或由于惡劣天氣影響導(dǎo)致柴油機(jī)部分功能喪失時(shí)，由另一臺備用柴油機(jī)或其他可以實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)的動(dòng)力機(jī)械來確保船舶安全航行的能力。現(xiàn)在的船舶大多數(shù)僅裝有一臺柴油機(jī)作為船舶推進(jìn)裝置，當(dāng)發(fā)生柴油機(jī)內(nèi)部零件故障，或惡劣天氣影響導(dǎo)致主柴油機(jī)故障停車時(shí)，船舶就會(huì)失去航行能力，影響船舶海上安全。因此，主機(jī)應(yīng)當(dāng)保持足夠的冗余度。

3.2.2 柴油機(jī)冗余系統(tǒng)設(shè)想

互為備用的兩臺柴油機(jī)，工作能力和運(yùn)行參數(shù)應(yīng)完全一致，在船舶航行過程中推進(jìn)船舶運(yùn)行，確保船舶安全。在輪機(jī)管理人員及船舶自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下，使其中一臺柴油機(jī)處于工作狀態(tài)，另一臺柴油機(jī)則應(yīng)處于備用狀態(tài)。備用柴油機(jī)可以隨時(shí)無障礙起動(dòng)并向推進(jìn)系統(tǒng)輸出功率，以此保證工作/備用狀態(tài)的無擾動(dòng)切換。工作狀態(tài)下的柴油機(jī)起著為船舶航行提供推進(jìn)動(dòng)力、保障船舶在海上安全航行的決定性作用，兩臺柴油機(jī)互為備用的關(guān)鍵在于當(dāng)處于工作狀態(tài)的柴油機(jī)發(fā)生故障停車時(shí)迅速起動(dòng)備用柴油機(jī)，可保證船舶航行能力[5]。發(fā)現(xiàn)故障迅速起動(dòng)備用柴油機(jī)也就是為了實(shí)現(xiàn)冗余系統(tǒng)的無擾動(dòng)切換。

以上設(shè)想屬于被動(dòng)冗余的方式，最終目的是通過冗余控制系統(tǒng)的可靠性。在本文中即通過設(shè)置備用柴油機(jī)或并聯(lián)柴油機(jī)提高柴油機(jī)系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而提高船舶海上航行過程中的安全性，保障船上人員、財(cái)產(chǎn)安全。隨著航運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展，船舶海上事故的數(shù)量不斷增加，事故造成的危害不斷加重，提高船舶海上安全性越來越受到人們的關(guān)注。因此，對柴油機(jī)系統(tǒng)的冗余性改進(jìn)，將會(huì)是未來船舶建造的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。

4 結(jié)語

通過對機(jī)械故障造成的船舶海上事故原因分析，我們應(yīng)該認(rèn)識到：機(jī)械故障復(fù)雜多樣，并且會(huì)隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增長而不可避免地發(fā)生。此外，在對大量海上事故數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和分析的過程中不難發(fā)現(xiàn)，船舶主推進(jìn)裝置故障是造成船舶機(jī)損事故的主要原因，提高船用柴油機(jī)的安全性、可靠性對實(shí)現(xiàn)船舶安全航行、保護(hù)海洋環(huán)境具有重要意義。在對船用柴油機(jī)可靠性的探究過程中我們發(fā)現(xiàn)，船用柴油機(jī)的可靠性不僅僅依賴于其設(shè)計(jì)和工藝制造的過程，也可以通過設(shè)置備用柴油機(jī)或其他備用推進(jìn)裝置建立柴油機(jī)冗余系統(tǒng)，構(gòu)建利用冗余思想來提高船用柴油機(jī)可靠性，確保船舶安全航行的新思路。