消防泵柴油機渦輪增壓器故障診斷及處理

李朝偉

（中國石油西部管道公司新疆分公司，新疆鄯善 838202）

0 引言

依據GB 50737—2011石油儲備庫設計規范，當具備雙電源條件時，消防冷卻水和泡沫給水主泵應采用電動泵，備用泵應采用柴油機泵，因此柴油機的日常維護保養及故障處理顯得尤為重要，其完好性將大大提高油庫消防系統的可靠性。

1 渦輪增壓器結構和原理

渦輪增壓器是提高柴油機輸出功率的重要設備，其優點是于提高功率的同時還能降低燃料的消耗量，增壓會給燃燒室提供更多的空氣，使燃燒更徹底，排放更干凈，減少廢氣對大氣的污染。在不改變柴油機結構的基礎上，以重慶康明斯生產的NTAA855-G7柴油機為例，可以大幅提高功率輸出，油耗降低5%～10%，排放值降低10%以上，廣泛應用于汽車、發電、消防、船舶、工程機械和航空等領域。

目前普遍采用的一種脈沖式增壓器，增壓器主要由廢氣渦輪機和壓氣機兩部分組成。其工作原理為渦輪機與發動機排氣管相連，利用發動機排出的高能量廢氣高速進入蝸殼并推動渦輪高速運轉，渦輪帶動同軸安裝的壓氣機葉輪，壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓后經水冷和空冷進入氣缸。當柴油機轉速增加，廢氣排出的速度與渦輪的轉速同步增加，葉輪壓縮更多的空氣進入氣缸，進氣密度得以增加，可以燃燒更多的燃料，增加燃料量和調整柴油機轉速，從而可以提高發動機的功率輸出。渦輪和壓氣機葉輪軸上裝有浮動軸承，軸承的潤滑依賴于柴油機的潤滑系統，配有相應的機油濾清器和進出油管，與油底殼相通。

2 故障現象及分析

某大型原油商業儲備庫消防泡沫給水泵柴油機自2009年投產以來，一直未長時間運行，每周只是對柴油機的備用狀態進行試啟動，該6缸柴油機型號為重慶康明斯生產的NTAA855-G7。近年開始對柴油機不低于30 min的試運行，泵和消防水罐流程采取自循環方式，出現啟機5 min后渦輪增壓器蝸殼嚴重發紅，9 min左右渦輪增壓器后空氣進氣匯管壓力增加，與水箱連接的軟連接崩脫，導致柴油機低轉速停機現象。

2.1 渦輪增壓器蝸殼嚴重發紅

2.1.1 排氣溫度過高

柴油機壓縮比不對、點火正時錯誤、廢氣受到節流、柴油機的其他控制系統有問題等都能導致排煙溫度過高。

2.1.2 超載運行

排查柴油機和泵銘牌，柴油機的銘牌上僅標識備用功率為407 kW，無常用功率參數；而消防泡沫給水泵的銘牌上顯示配用功率為366 kW。柴油機組在國內是用主用功率即常用功率來標稱的，機組能夠在24 h之內連續使用的最大功率稱之為常用功率，而在某一時段內，標準是每12 h之內有1 h可在常用功率的基礎上超載10%，此時的機組功率就是最大功率，即備用功率。備用功率標定的發動機，按平均負荷率為80%計算是326 kW，低于泵的配用功率40 kW。

2.1.3 柴油機壓縮比改變

柴油機壓縮比發生改變，會引起活塞在缸內做功的過程中部分柴油隨排氣門排除，在排氣管處燃燒，溫度會驟然升高，排氣門、活塞與活塞環、活塞與缸套、活塞環與缸套的間隙變大，氣門頂桿有磨損或輕微拉缸產生。

2.2 渦輪增壓器后空氣管道軟連接崩脫

2.2.1 發動機進氣歧管壓力過大

根據康明斯發動機標定使用準則，對發動機功率使用有非常嚴格的要求，即發動機在備用功率使用情況下，不能超載運行。根據康明斯NTAA855-G7發動機性能參數列表，在備用功率情況下，發動機進氣歧管壓力為221 kPa。發動機進氣歧管壓力是發動機輸出功率主要指標，發動機進氣歧管壓力越高表示發動機輸出功率越高。現場測試當單罐噴淋時，進氣歧管壓力為220 kPa，當內部循環時為300 kPa，兩儲罐噴淋切換時為280 kPa，數據表明該機組發動機功率配置是按照單罐消防噴淋正常工作負載配置的。消防水泵內部循環及兩儲罐噴淋切換時，發動機有嚴重超載情況。

2.2.2 軟連接強度不夠，U形卡子緊固不嚴

壓氣機出口與鋼制進氣管道采用耐高溫、防火、耐磨橡膠軟連接相連，鋼制進氣管道與水箱也是采用軟連接，強度不夠或者緊固不嚴也會導致崩脫。

2.3 渦輪增壓器有異響

長時間排氣溫度過高，使渦輪葉片燒蝕變形，葉輪與轉子軸的徑向間隙過大，使得葉輪在高速重載工況下的轉速滯后于渦輪，轉速降低，達不到設計要求，使柴油機的進氣量相對減少，而高壓油泵的循環供油量并未減少，從而造成缸內混合氣過濃，后燃期延長，再加上柴油機長期處于高速重載工況，導致柴油機輸出功率不足，進一步加劇蝸殼發紅。另外，發動機處于消防泵房相對密閉的空間，冷卻系統的熱空氣無法及時排出，在室內形成循環，散熱條件差，故油溫居高不下，影響對浮動軸承的潤滑和冷卻，加快磨損，降低轉速。

3 處理方法

（1）針對廢氣收到節流，拆除柴油機排氣管道上的消音器進行檢查，發現排氣管消音器排氣下進上出，導致排氣管排氣不暢進而引起較高排氣背壓，影響發動機功率輸出。現場先用直管替換消音器，蝸殼發紅有所減弱，試驗證明有效果后，對消音器內部進行直管改造并重新安裝，降低了廢氣阻力。

（2）針對部分柴油從排氣門排出在排氣管燃燒，重新研磨全部氣門并調整氣門間隙，更換了變形的氣門頂桿，消除了氣門漏氣情況。也重新調整了噴油器，改善噴油嘴霧化不良的情況。檢查了活塞與活塞環、活塞與缸套、活塞環與缸套的間隙，均正常。

（3）針對渦輪增壓器異響，將渦輪增壓器進行了分解，發現葉輪軸向和徑向間隙過大，葉輪有擦邊現象，更換了新的增壓器。

（4）針對發動機輸出功率不足，檢查機油品質、機油濾芯、潤滑油泵及管路均正常，檢查冷卻系統發現發動機節溫器閥芯被取掉，但小循環孔未封堵，重新安裝后封堵了小循環孔，水溫明細降低。

（5）針對消防水泵內部循環及兩儲罐噴淋切換時，發動機有嚴重超載的情況，測試發現泵出口閥及回流閥全開時，泵出口壓力只有0.6 MPa，而泵的揚程是100 m，加大了泵的排量，同時發動機進氣匯管壓力達到280 kPa，說明發動機超載運行，蝸殼會嚴重發紅。減小回流閥的開度，調節泵出口壓力約為1.0 MPa，蝸殼發紅現象消失，柴油機能正常連續運行4 h以上。

4 建議

（1）維修人員在處理柴油機渦輪增壓器故障時，一定要熟悉渦輪增壓器結構和工作原理，另外要建立牢固的柴油機整體概念，每個故障現象的產生不是孤立存在，它是一個系統。

（2）渦輪增壓器是柴油機供給系的一個重要零部件，與功率非常相關。因此，在進行有關柴油機功率的故障診斷時，除了考慮柴油機壓縮比、缸頭、活塞、噴油嘴故障外，還應考慮負載及其工藝流程。另外，渦輪增壓器的正常工作依賴柴油機的潤滑系和冷卻系，故在診斷這2個系統的故障成因時也應考慮渦輪增壓器的因素。

（3）由于渦輪增壓器修復起來較困難，建議采用排除法進行故障診斷，用換修法進行維修。一定要找出損壞的原因并在排除之后再換增壓器，如果不找原因，就更換增壓器將會出現與上一臺同樣的故障。總之，分析增壓器的故障是一個系統的工作，切莫輕率了事，一換了之。