1、主机贯穿螺栓断裂实例0 引言现代船用大型低速柴油机使用的贯穿螺栓是经过优化设计、制作精良的耐用零件。根据近年来劳氏船级社和中国远洋运输总公司的统计资料显示,船用主机的故障极少源于贯穿螺栓,国内外对此也鲜有报道。然而,一旦可靠性相对高的耐用部件失效,带来的后果将是灾难性的。本文通过对某船 HITACHI BW 6S70MC 型主机贯穿螺栓断裂事故处理和原因分析,探讨现代轮机管理中应该加强和重视的方面。1 事故的发现与应急处理某船轮机长在机舱巡检时,发现主机 NO.1 缸与 NO.2 缸之间有异常,仔细查看发现贯穿螺栓上移,初步判断为贯穿螺栓断裂。轮机长立即通知船长,要求尽快降低主机转速并驶向最近
2、的安全地带,同时向船公司汇报详情并请求技术支援。船公司与主机厂家沟通后得到的回复是目前厂家没有备件,新制造的备件需数月才能运抵船上安装。船上可立即采取的应急方案有 2 种;将主机链条箱处的贯穿螺栓暂时换至断裂的贯穿螺栓处,并对所有贯穿螺栓暂时移换至断裂的贯穿螺栓处,并对所有贯穿螺栓重新紧固(将液压扭力扳手油压表打到 900bar 进行紧固) ,带厂家制造好新零件后再补装到链条箱上,这样可以使主机全负荷运转;拆除断裂的贯穿螺栓,同时为确保主机安全,必须降低功率使用,且运行的最高爆发压力不得超过95bar。为保障船舶营运安全,轮机长决定采用第一种方案对事故进行处理。实施这种方案的困难之处在于贯穿螺
3、栓长度为9058mm。螺栓直径为 125mm,质量近 900kg,而机舱的空间太小,行车到贯穿螺栓头部之间的高度仅有 9400mm。拆换操作时,必须先将 NO.1 缸缸头及附属空气管、缸套水管、活塞冷却进油管、排气阀后的废气管、补偿管以及 NO.2 缸的启动空气管等移除,才能顺利吊出断裂的贯穿螺栓并将链条箱处的贯穿螺栓拆换至此处。轮机员参照主机厂家的技术指导意见并结合现场的实际情况,自制起吊工具,采用分步吊装的方法从贯穿螺栓头部和颈环处起吊,使问题得以妥善解决。2 事故原因分析在此次事故中,贯穿螺栓的断裂位置在螺杆下端距螺纹起始处 40mm。断裂是从疲劳源区开始的,而后向左侧扩展,扩展区呈平行
4、条纹状;裂纹延伸到断面约 2/3 处后急剧破损,顺断面呈粗糙的颗粒状表面。断裂位置和断面特征都是螺栓疲劳失效的典型特征,该处断裂部位占到所有螺栓断裂位置的 60。对于螺纹副,螺栓最先承受螺母载荷的部位受到的作用力最大,因而最易发生损坏;对于断面,在断裂开始发生后,圆柱形杆件在交变应力作用下使断裂相继向前扩展,最终因断裂处的截面面积过小,承受不起加载在其上的应力而发生瞬间断裂。该船主机已正常运行 105000h,贯穿螺栓一直工作可靠。对于质量合格且正常使用的螺栓,其断裂的重要诱因是螺纹副的松动。当作用在连接件上因振动而产生的横向动载荷超过由预紧力产生的摩擦阻力时,螺母与连接件表面就会发生相对运动
5、而松动。此外,由于螺母与连接件的微观表面实际是不平的,在预紧力的作用下接触面会产生较高的局部应力,如果作用在连接件上的外载荷过大,部分接触表面会在塑性应力作用下产生微裂纹,使之表面崩溃,也会使螺纹副松动。螺纹副松动后,作用在螺栓轴向上的载荷将产生巨大的动能,连接件质量越大、外载荷的交变周期越短、螺纹副松动的长度越长,贯穿螺栓承受的作用力就会越大。当其承受的作用力过大时,贯穿螺栓就会断裂。主机贯穿螺栓的作用是把气缸体、机架和机座连接在一起,它承担着整机结构件的全部安装应力。在主机运转时,主机的结构部件承受着气体力以及运动部件惯性力的作用,还受到轴系的振动力、温度不均引起的热应力、动力输出的倾覆力
6、以及螺旋桨的轴向推力等多种复杂外载荷的共同作用。长时间在如此恶劣的环境下运转,运动部件的磨损、不平衡的惯性力等都会导致部件变形。事故应急处理之后对主机进行全面检查,发现 NO.1 缸与 NO.2缸之间的拐挡差超出界限,这就是事故发生的根本原因。轴瓦的磨损、活塞连杆组件与飞轮运动时的惯性振动等共同作用,使曲轴发生变形。曲轴变形使主机各项复杂合力之间的平衡条件被打破,随之产生很大的附加应力和振动加剧。强烈的振动与高幅值应力同时作用在机架和底座上,承受拉伸应力的贯穿螺栓最终因承受超过其设计作用应力而发生断裂。3 轮机管理启示目前,远洋船舶朝着大型化、智能化、专业化的方向发展,无人值班机舱在船舶上得到
7、实现。这种工作模式节省人力并降低劳动强度,在很大程度上能减少机损事故的发生。然而轮机设备不可能达到完全的可靠,其工作的可靠性还是要依靠轮机管理人员的参与。国际海事组织(IMO)对近年来发生的海上事故的统计数据表明,船舶事故中超过 80的比例是由人为因素导致的。因此,现代轮机管理必须把人与机舱的紧密联系作为研究重点并采取有效的应对措施,才能确保船舶轮机设备的安全可靠。造成事故的人为因素可分为 2 类:一类是轮机管理人员的技术与管理水平;另一类是轮机管理人员的工作态度与责任心。按照国际船舶安全运营和防止污染管理规则建立的船舶安全管理体系,在一定程度上减少因“人为失误”造成的船舶轮机事故的发生,其宗
8、旨是通过建立体系文件规范工作过程和程序,使技术与操作得到保证来达到船舶安全的目标。这种安全管理体系以高级船员的承诺为基础,但对高级船员的工作态度和责任心所起到的作用认识明显不到位。在本次事故中,贯穿螺栓严格按照厂家的指导方法进行管理,断裂时距上次紧固的时间还不到 5000h(厂家推荐每间隔 8000h 上紧 1 次);拐挡差也是执行体系文件的规定,每3 个阅测量 1 次,最近 1 次的测量值也未超标。该船在轮机管理工作中不存在违反规范的行为,然而事故却发生了。按照目前的管理模式,在轮机管理中甚至发生为达到规定的目标而使用各种手段篡改数据,以致于机电设备运行的实际情况失控。这些都说明对工作态度和
9、责任心认识不足的管理模式存在不可避免所有事故发生的缺陷。IMO 出台并于 2012 年 1 月 1 日生效的海员培训、发证和值班标准国际公约(STCW)马尼拉修正案注意到这种管理模式的缺陷,相应地提出以设备运行状况为质量、将机舱作为系统管理、全员参与的管理模式,以更好地满足现代轮机管理的需求。它更加重视轮机管理中人为因素中非技术方面的作用。大事故极少有 1 个原因引起,而是由许多因素像链条一样,当各个环节连接在一起时才会发生。在船舶轮机管理中遇到设备或部件发生故障时,轮机管理人员所能做的就是尽最大努力截断当前事故链环节并排除故障。如何做到这点,这与 ERM(机舱资源管理)中最重要的情景意识密切
10、相关。情景意识指轮机管理人员在特定环境条件下保证轮机设备和系统安全运行所需的全部因素的清醒认识,能够准确感知周围情况的变化及影响,并考虑和预测即将面临的局面,使用合适的方法阻止事故的发生。就本次事故而言,若轮机长发现贯穿螺栓异常后,稍有紧张慌乱的应激情景意识,就不能做出最有效的截断事故链环节的选择,在船舶特定的状况下后果不堪设想,直接关系到全船的安危,因此情景意识的重要性不言而喻。4 结束语船舶轮机设备日趋复杂,对轮机管理人员技术水平、操作技能的高要求也已通过广大船员接受高等专业教育和按照STCW 相关发证要求对船员进行不间断继续职业教育的途径得以解决。然而,人为因素造成的事故中,80以上与人的技术水平、工作态度、敬业精神等相关。因而,现代轮机工程管理更应重视轮机员的工作态度和责任心,充分调动一切积极因素,激发轮机管理人员对工作的热情,养成对工作认真负责、一丝不苟的作风,从而保障机舱设备的安全可靠。