趙金亮 謝小波

摘要：MAN 16V32/40型雙燃料柴油機(jī)運(yùn)行中，一臺(tái)主機(jī)增壓器出現(xiàn)了劇烈震動(dòng)，在主機(jī)報(bào)警關(guān)停后，現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)主機(jī)增壓器做了一系列的檢查，確認(rèn)故障原因。通過(guò)對(duì)主機(jī)滑油壓力、溫度等參數(shù)的分析，并拆檢增壓器，發(fā)現(xiàn)故障原因主要為排氣端葉片損傷，而增壓器噴嘴環(huán)的堅(jiān)硬積碳是廢氣端葉片損壞的主要因素，同時(shí)葉片長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，其強(qiáng)度性能下降，有疲勞損傷的可能性。通過(guò)故障現(xiàn)象分析，提出了改進(jìn)措施，控制住造成主機(jī)葉片損傷的關(guān)鍵因素，保證設(shè)備穩(wěn)定和人員安全。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;高轉(zhuǎn)速;高震動(dòng);葉片損傷;措施

中圖分類號(hào)：TK44文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0278-04

Analysis of Damaged Turbine Wheel Blade with Turbochager

Zhao Jinliang1，Xie Xiaobo2

（1. CFD Operating Company， CNOOC China Ltd.， Tianjin 300452， China;

2. CNOOC Energy Technology&Services-Oil Production Services Co.， Tianjin 300452， China）

Abstract： During the operation of MAN 16V32/40 dual fuel diesel engine， one main engine supercharger vibrated violently. After the main engine was shut down by alarm， the on-site personnel conducted a series of inspections on the main engine supercharger to confirm the cause of the fault. Through the analysis of the lubricating oil pressure， temperature and other parameters of the main engine and the disassembly and inspection of the supercharger， it was found that the main cause of the fault was the damage of the blade at the exhaust end， and the hard carbon deposition of the nozzle ring of the supercharger was the main factor of the damage of the blade at the exhaust end. At the same time， the strength performance of the blade decreased after long-term operation， and there was the possibility of fatigue damage. Through the analysis of fault phenomena， improvement measures were put forward to control the key factors causing the damage of main engine blades and ensure the stability of equipment and personnel safety.

Key words： turbochager; high speed; high vibration; blade damage; measure

0 引言

某油田的動(dòng)力系統(tǒng)是由5臺(tái)MAN 16V32/40型發(fā)動(dòng)機(jī)和1臺(tái) Solar titan130型透平組成的，MAN 16V32/40發(fā)動(dòng)機(jī)是原油/柴油雙燃料主機(jī)，主機(jī)轉(zhuǎn)速750 r/min ，柴油機(jī)額定功率是7540 kW 。 MAN16V32/40型主機(jī)有2臺(tái)軸流式渦輪增壓器，型號(hào)為 NR34/S ，增壓器最大轉(zhuǎn)速26500 r/min ，用于柴油機(jī)給 A/B側(cè)進(jìn)氣增壓。在主機(jī)帶載6 MW左右時(shí)，增壓器轉(zhuǎn)速在21000 r/min左右。在近幾年的運(yùn)行中，該型號(hào)增壓器轉(zhuǎn)子反復(fù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子進(jìn)氣端、廢氣端葉片及轉(zhuǎn)子軸承損壞情況，不僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員造成很大的操作風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失。在問(wèn)題原因查找中，也未找到增壓器損壞相同故障現(xiàn)象的案例參考借鑒。由于這幾次增壓器轉(zhuǎn)子損壞前設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，突然的設(shè)備故障危害更大，而增壓器損壞

一般有外部和內(nèi)部原因兩種，本文從這兩個(gè)方面入手，希望找到故障根源。在國(guó)內(nèi)柴油機(jī)增壓器運(yùn)用比較廣泛，這些故障的查明和解決，不僅能處理棘手的問(wèn)題，同時(shí)也能為現(xiàn)在使用的柴油機(jī)公司和企業(yè)提供借鑒，通過(guò)一些措施和方法，避免設(shè)備資產(chǎn)損失及人員傷害。

1 主機(jī)增壓器工作原理、故障現(xiàn)象及檢查

動(dòng)力值班人員在日常的主機(jī)房巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)2號(hào)主機(jī) B 側(cè)增壓器突然發(fā)生進(jìn)氣氣流不穩(wěn)定，氣流出現(xiàn)流向逆反并從進(jìn)氣濾棉側(cè)反流出來(lái);增壓器振動(dòng)和噪聲瞬間增大。隨后2號(hào)主機(jī)在幾秒內(nèi)自動(dòng)緊急關(guān)停。

1.1MAN NR34/S主機(jī)渦輪增壓器的工作原理

柴油機(jī)增壓器運(yùn)行中，利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸上的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)吸入空氣并壓縮，壓縮后的空氣壓力增大，通過(guò)空氣冷卻器冷卻后進(jìn)入氣缸，空氣壓力和密度增大可以增加柴油主機(jī)的輸出功率。NR34/S增壓器包含一個(gè)一級(jí)徑流式廢氣葉輪和一個(gè)一級(jí)徑流式壓氣葉輪[1]，整個(gè)轉(zhuǎn)子通過(guò)2個(gè)滑動(dòng)軸承支撐。廢氣葉輪與轉(zhuǎn)子軸是整合一體的，近氣壓縮葉輪通過(guò)外部鎖緊螺母裝配到轉(zhuǎn)子軸上。

NR34/S型增壓器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在柴油機(jī)的運(yùn)行中，柴油機(jī)燃燒后的廢氣進(jìn)入排煙總管后，從①位置進(jìn)入增壓器廢氣渦輪入口，經(jīng)過(guò)廢氣渦輪入口的噴嘴環(huán)②葉片導(dǎo)向，推動(dòng)廢氣渦輪③轉(zhuǎn)動(dòng)，之后廢氣進(jìn)入尾端的排煙管⑤排到大氣中。在廢氣渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)，新鮮空氣通過(guò)進(jìn)氣濾器（6.1）、消音器（6.2）進(jìn)入進(jìn)氣渦輪⑧，通過(guò)進(jìn)氣渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮空氣，壓縮后的空氣通過(guò)擴(kuò)壓器⑨和壓氣機(jī)外殼⑩進(jìn)入進(jìn)氣管內(nèi)。增壓器轉(zhuǎn)子軸承箱里有兩個(gè)軸承支撐整個(gè)轉(zhuǎn)子，一個(gè)滑動(dòng)軸承，一個(gè)推力軸承，推力軸承靠近壓氣機(jī)葉輪側(cè)，起到定位及支撐作用。兩個(gè)軸承通過(guò)公用管線提供潤(rùn)滑油。

1.2 MAN主機(jī)增壓器故障檢查

MAN 主機(jī)停機(jī)后，首先檢查了主機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)控制盤故障記錄，如圖2所示，從主機(jī)的運(yùn)行記錄中查看，在主機(jī) A/B側(cè)排煙溫度高關(guān)停前并無(wú)其他不正常的報(bào)警，因此初步判斷為主機(jī)增壓器故障，并且在主機(jī)關(guān)停前8 s，增壓器轉(zhuǎn)速助推氣打開，說(shuō)明因?yàn)槟撤N原因，增壓器當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速降低的現(xiàn)象。隨后對(duì)主機(jī)增壓器 B 進(jìn)行了拆卸檢查，同時(shí)內(nèi)窺檢查了主機(jī)缸頭氣門。氣門及缸頭并未發(fā)現(xiàn)異常。在主機(jī)增壓器拆解中[2]，增壓器壓氣機(jī)葉片與導(dǎo)流罩之間有摩擦痕跡，葉片邊緣磨損嚴(yán)重，葉片整體無(wú)缺損，如圖3所示。檢查增壓器的軸向竄量及徑向跳動(dòng)，數(shù)值超過(guò)正常值數(shù)倍。拆除增壓器轉(zhuǎn)子后，對(duì)轉(zhuǎn)子總成進(jìn)行解體檢查發(fā)現(xiàn)：廢氣端轉(zhuǎn)子葉片邊緣都有磨損痕跡，其中一片的轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)了4 cm×6 cm左右的缺損，缺損的葉片未在后邊的排煙管中找到，如圖4所示。

檢查增壓器主軸及軸瓦，主軸的表面有磨損痕跡，浮動(dòng)軸承的外表面有磨損，推力軸承的壓氣機(jī)側(cè)的推力面磨損嚴(yán)重，另一側(cè)輕微磨損，如圖5所示。

2 主機(jī)增壓器故障原因分析及改進(jìn)措施

2.1 主機(jī) EDS曲線分析

增壓器的進(jìn)排氣葉輪及軸承都出現(xiàn)了磨損，為了排查葉輪和軸承損壞的先后順序，對(duì)主機(jī)的 EDS運(yùn)行曲線進(jìn)行分析，找出問(wèn)題的根源[3-4]。

主機(jī)轉(zhuǎn)速/油門刻度/功率曲線如圖6所示，在主機(jī)增壓器出現(xiàn)問(wèn)題前，主機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)無(wú)異常（圖中數(shù)據(jù)標(biāo)注從上到下，參數(shù)依次為主機(jī)轉(zhuǎn)速/油門刻度/主機(jī)功率/增壓器轉(zhuǎn)速）。在6點(diǎn)19分33秒，主機(jī)增壓器轉(zhuǎn)速（A/B 兩側(cè)）突然下降，轉(zhuǎn)速?gòu)?1000 r/min 左右下降至16000 r/min左右（A 側(cè)轉(zhuǎn)速比 B 側(cè)高400 r/min左右），并持續(xù)下降。同時(shí)主機(jī)的功率從5800 kW下降至4100 kW，并在6點(diǎn)19分41秒主機(jī)功率突降為0，即主機(jī)關(guān)停;而主機(jī)轉(zhuǎn)速在最初只是有一點(diǎn)輕微下降，在主機(jī)關(guān)斷后平緩下降為0;主機(jī)的油門為了保持轉(zhuǎn)速不變，出現(xiàn)了小幅拉升，控制系統(tǒng)為保持增壓器轉(zhuǎn)速，開啟了增壓器增速裝置保持轉(zhuǎn)速，但效果不明顯。在6點(diǎn)19分41秒主機(jī)關(guān)停，說(shuō)明增壓器最早出現(xiàn)問(wèn)題，而主機(jī)的控制系統(tǒng)做了一系列的穩(wěn)速措施，所以其他的參數(shù)數(shù)據(jù)會(huì)延遲幾秒。

主機(jī)增壓器前/后排煙溫度曲線如圖7所示（圖中從上到下，參數(shù)標(biāo)注依次為增壓器前排煙問(wèn)題/增壓器后排煙問(wèn)題），紅色為 A 側(cè)，藍(lán)色為 B 側(cè)，在曲線的前段時(shí)間內(nèi)增壓器的整個(gè)排煙溫度參數(shù)都是比較平穩(wěn)的。在6點(diǎn)19分33秒，增壓器 A/B側(cè)的前/后排煙溫度都出現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，而增壓器前的排煙溫度上升更快;在6點(diǎn)33分41秒，主機(jī)增壓器前排煙溫度高報(bào)警，并關(guān)停主機(jī)。從數(shù)據(jù)中判斷，排煙溫度的增高是因?yàn)檗D(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致排煙集聚進(jìn)而高溫關(guān)停。

TE2580增壓器軸承回油溫度曲線如圖8所示，圖中的 TE2580指示為增壓器軸承回油溫度，用于檢測(cè)增壓器軸承的狀態(tài)。從圖中可以看出，在6點(diǎn)19分38秒增壓器的藍(lán)色曲線（ B 側(cè)）出現(xiàn)上升趨勢(shì)，紅色曲線相對(duì)比較穩(wěn)定，藍(lán)色曲線上升到最高點(diǎn)后又逐步下降;因此從時(shí)間上可以大致判斷出，在6點(diǎn)19分33秒時(shí)，增壓器的葉片首先出現(xiàn)問(wèn)題，造成增壓器轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡破壞，動(dòng)平衡失效后造成轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)[5]，壓氣機(jī)葉片和廢氣端葉片與外側(cè)的導(dǎo)流罩發(fā)生了接觸摩擦，造成增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快速下降，同時(shí)轉(zhuǎn)子的不平衡進(jìn)而影響軸承的穩(wěn)定，軸承的推力軸承和浮動(dòng)軸承出現(xiàn)了損毀，造成滑油的溫度升高。

2.2 增壓器葉片斷裂問(wèn)題分析

增壓器正常維保時(shí)間為12000 h ，上次維保后運(yùn)轉(zhuǎn)了約9000 h ，維保時(shí)也對(duì)增壓器葉片進(jìn)行了探傷，未發(fā)現(xiàn)異常缺陷。增壓器轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為72000 h左右，檢查增壓器轉(zhuǎn)子尺寸參數(shù)[2]，都在數(shù)據(jù)要求范圍內(nèi);核對(duì)上次增壓器轉(zhuǎn)子安裝時(shí)的控制參數(shù)，其安裝間隙及尺寸在數(shù)據(jù)要求范圍。于是對(duì)增壓器損壞的斷裂面進(jìn)行了金相顯微鏡檢查，檢查是否有疲勞原因造成葉片脫落，從未動(dòng)平衡損壞造成增壓器軸承和進(jìn)氣葉輪的損壞。金相檢查顯示：增壓器葉片斷裂位置較平整，未見疲勞擴(kuò)展延伸裂紋，出現(xiàn)葉片斷裂較大可能為來(lái)自機(jī)體內(nèi)異物撞擊轉(zhuǎn)子葉片造成的。隨后對(duì)主機(jī)缸頭氣門及排煙管進(jìn)行了內(nèi)窺檢查，檢查是否有設(shè)備部件損壞后通過(guò)排煙管進(jìn)入增壓器轉(zhuǎn)子處，也未發(fā)現(xiàn)部件損壞痕跡。同時(shí)對(duì)排煙管進(jìn)行了拆卸清潔檢查，未發(fā)現(xiàn)物體撞擊痕跡，也未發(fā)現(xiàn)積碳掉落痕跡，同時(shí)積碳清理時(shí)，發(fā)現(xiàn)集聚在排煙管內(nèi)壁的積碳厚度4 mm 左右，但比較松軟，即便出現(xiàn)積碳掉落也不會(huì)對(duì)增壓器葉片造成損傷。

對(duì)其他主機(jī)增壓器進(jìn)行狀態(tài)檢查[6-7]，在檢查增壓器廢氣端的噴嘴環(huán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)個(gè)別主機(jī)增壓器的噴嘴環(huán)根部有堅(jiān)硬的積碳，這些積碳與排煙管內(nèi)的積碳完全不一樣，這些積碳堅(jiān)硬，形狀不規(guī)則，附著在噴嘴環(huán)縫隙處，粘合力比較強(qiáng)，而這么堅(jiān)硬的積碳如果出現(xiàn)掉落，在增壓器高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是足以對(duì)葉片產(chǎn)生損傷的。隨后對(duì)積碳進(jìn)行了化驗(yàn)分析，同時(shí)對(duì)主機(jī)的燃油進(jìn)行化驗(yàn)分析。查找積碳在這個(gè)位置集聚的原因。如圖9～11所示，積碳的物質(zhì)分析為鈣和硫，分別占比為41.31%、12.8%，燃油化驗(yàn)成分碳含量為0.261，硫含量超標(biāo)，為4.31 mgKOH/G。

2.3 葉片故障后的改進(jìn)措施

增壓器噴嘴環(huán)的堅(jiān)硬積碳是廢氣端葉片損壞的主要因素，同時(shí)葉片的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，葉片的強(qiáng)度性能下降，有疲勞損傷的可能性。為保證增壓器的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，采取以下措施。

（1） 首先原油作為燃料油，需要篩選燃油，運(yùn)用技術(shù)手段或者改變流程工藝等辦法降低酸值降低燃油雜質(zhì)及硫類物質(zhì)含量，提升燃油品質(zhì)，降低積碳的產(chǎn)生。

（2） 在操作方面，減少低載荷下主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間[8]，提升主機(jī)功率，降低積碳產(chǎn)生和集聚。利用主機(jī)增壓器原有的管線，將增壓器廢氣端轉(zhuǎn)子水洗納入日常維護(hù)中，定期對(duì)增壓器廢氣端進(jìn)行水洗，確保動(dòng)力渦輪的清潔，在積碳積聚前能清理掉，防止大塊積碳脫落損傷葉片。

（3） 在增壓器維保時(shí)，增加增壓器動(dòng)平衡檢測(cè)工藝，消除增壓器轉(zhuǎn)子長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后的葉片不平衡問(wèn)題。將原有增壓器的12000 h維保中間，增加一次6000 h增壓器清潔，主要觀察增壓器噴嘴環(huán)處的積碳狀態(tài)，在出現(xiàn)積碳后及時(shí)清理。

（4） 對(duì)比2號(hào)主機(jī) A/B側(cè)增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)曲線，B 側(cè)增壓器轉(zhuǎn)速低于 A 側(cè)400 r/min左右，分析為噴嘴環(huán)出現(xiàn)積碳后，通過(guò)增壓器轉(zhuǎn)子的氣量受到減少，影響到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。在以后主機(jī)運(yùn)行時(shí)，觀察同樣工況下，各主機(jī)增壓器參數(shù)對(duì)比，如果出現(xiàn)了400 r/min左右的轉(zhuǎn)速差異，盡量停機(jī)檢查，評(píng)估增壓器的狀態(tài)，避免增壓器的損壞。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上措施的實(shí)施，提高了主機(jī)增壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性，避免增壓器問(wèn)題的出現(xiàn)。這些措施，也可以借鑒推廣，對(duì)其他發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器設(shè)備的運(yùn)行維保起到提示作用。

主機(jī)增壓器是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的重要部件，其穩(wěn)定及性能將極大地影響發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。同時(shí)增壓器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果出現(xiàn)動(dòng)平衡失效，極可能對(duì)設(shè)備乃至現(xiàn)場(chǎng)操作人員造成傷害。關(guān)注設(shè)備運(yùn)行中的參數(shù)變化，分析設(shè)備問(wèn)題后的影響因素，做好應(yīng)對(duì)措施，就能減少設(shè)備故障，避免人身傷害。

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第一作者簡(jiǎn)介：趙金亮（1982-），男，河北石家莊人，大學(xué)本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)楹Ｉ嫌吞镌O(shè)備維保及管理。

（編輯：王智圣）