G3608 發動機膨脹水箱溢流故障分析及處理

龍 劍

（西南油氣田公司蜀南氣礦塔里木油氣工程分公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

國內某天然氣處理站配置7 臺CATERPILLAR 公司的G3608型燃氣發動機組，設計處理能力2×105m3/d，功率2225 HP（1635 kW）。G3608 型燃氣發動機采用雙獨立循環冷卻水系統，主要由空冷器水箱、膨脹水箱、夾套水循環水泵、中冷水循環水泵、夾套水節溫器、中冷水節溫器、冷卻管路、風扇等組成。一套循環冷卻水系統主要是對發動機缸體、夾套、缸蓋、渦輪增壓器進行冷卻的夾套冷卻系統；另外一套循環冷卻水系統主要是對發動機機油冷卻器、壓縮空氣后冷卻器、壓縮機缸套等進行冷卻的中冷水系統，兩套冷卻水系統均接入各自的高位膨脹水箱（圖1）。

圖1 G3608 發動機雙循環冷卻系統組成

1 故障現象

由于使用年限較長，機組冷卻液空冷器換熱效果較差。更換冷卻液空冷器后，在啟機試運過程中D 機組出現發動機夾套冷卻液膨脹水箱溢流現象。檢查夾套冷卻液系統，現場就地溫度表顯示60 ℃，遠傳DCS 溫度顯示60 ℃，未到夾套水溫高聯鎖停機值。使用紅外測溫儀手動檢查夾套水進空冷器溫度63 ℃。

2 故障分析及處理方法

2.1 冷卻水系統

冷卻水系統是保障發動機平穩運行的重要輔助系統，它通過冷卻液循環帶走發動機和壓縮機運轉過程中產生的多余熱量，再通過空冷器將冷卻液攜帶的熱量與空氣進行交換，從而保證機組工作在一個適宜的溫度，保持在最佳的工作狀態。冷卻水系統的換熱效果直接關系到發動機組運行的安全性、可靠性和經濟性。

（1）夾套冷卻水系統流程：如圖1 所示，水泵位于發動機的右前側，水泵有一個由下部右前齒輪組驅動的齒輪。從空冷器水箱流出的冷卻液流入泵的進口，水泵葉輪通過旋轉將冷卻液經過彎管推向缸體側。缸體內的冷卻液在缸套的四周流動，靠近缸套的頂部的夾套較小，這種狹窄的通道能夠使冷卻液流速更快，從而更好地冷卻缸套。冷卻液通過水導向管泵入缸蓋內，冷卻液流經缸蓋內的氣門和排氣通道周圍的水道。冷卻液經由彎管流出缸蓋后流入水歧管，再經由歧管流到冷卻液出口，冷卻液流出出口后流經節溫器，當溫度到達節溫調節器開啟溫度時，冷卻液返回空冷器水箱完成一個冷卻循環。從缸體后部水套流出的冷卻液經由供水管流向渦輪增壓器，從渦輪增壓器流出的冷卻液再經由回水管返回缸體。從渦輪增壓器頂端連接一根通氣管到膨脹水箱，從接頭連出的通氣管必須筆直，且稍微向上傾斜，保證排氣通暢。通氣管的主要作用是將渦輪增壓器運轉過程中，廢氣渦輪端高溫造成的冷卻液氣體直接引入膨脹水箱，以免造成氣堵，避免增壓器因換熱不良而造成高溫損壞。

（2）中冷水系統流程：如圖1 所示，后冷卻器及機油冷卻器水套水泵從空冷器水箱將冷卻液輸送至發動機機油冷卻器，同時輸送至后冷卻器冷卻渦輪增壓器增壓后的空氣，再流經節溫調節器，當溫度達到節溫調節器開啟溫度時，冷卻液回到空冷器水箱完成一個冷卻循環。

（3）高位膨脹水箱的主要作用：①吸收膨脹作用。冷卻液流經發動機夾套吸收發動機工作時產生的大量熱量后產生大量蒸汽泡。在進入水泵循環之前，氣泡會通過通氣管進入膨脹水箱，起到氣液分離的作用。一部分水蒸氣會遇冷液化重新進入冷卻循環，另一部分水蒸氣則會因膨脹水箱空間及壓力被排出到空氣中；②釋放補償作用。冷卻液中的水蒸氣被膨脹水箱吸收，循環中的冷卻液因此減少，為彌補冷卻液的缺失以及提升冷卻水泵吸水一側的壓力，存儲在膨脹水箱中的冷卻液就會進入散熱循環，通過冷卻水泵進行循環，補充冷卻系統中因蒸發和泄漏而損失的水量，并保證冷卻水泵有足夠的吸入壓力。

2.2 使用排除法排查故障成因

（1）檢查膨脹水箱溢流時，夾套水實際溫度是否已真實達到沸點。通過檢查就地溫度表顯示、遠傳顯示、手動紅外測溫檢測，實際水溫只有60 ℃左右，遠低于夾套水沸點，故排除此故障成因。

（2）投運空冷器時未對系統進行排空，使冷卻水系統內存有大量空氣造成氣堵，最終從膨脹水箱處溢流。實際在設備空轉時，該夾套水系統放空閥處于打開狀態，直至系統中空氣排盡即泄氣閥有冷卻水溢出時，才關閉此放空閥（圖2）。維修人員在加注冷卻水時均按照操作規程從廠家指定加注口加注，該加注口位置較低，加注過程中冷卻水由低至高，避免加注過程中產生氣堵。故排除此故障成因。

圖2 放空閥

（3）夾套水系統中通氣管堵塞，使系統中水蒸氣無法及時通過膨脹水箱逸散口排除，從而造成冷卻水從膨脹水箱溢流。膨脹水箱通氣管堵塞，會嚴重影響冷卻系統的正常工作。首先，當發動機冷車加注冷卻液時，由于通氣管堵塞會造成發動機水套和空冷器水箱中的空氣不能及時排出，使冷卻液不能注滿整個系統，看似膨脹水箱中冷卻液已經加滿，實際上發動機水套和散熱器中處于半空狀態，造成冷卻液不能正常循環，發動機溫度上升很快，經常發生冷卻水系統“開鍋”、噴水，但又補充不了多少冷卻液的故障現象。其次，發動機雖然已經注滿冷卻液，但在使用中由于通氣管發生堵塞，在發動機運行過程中，隨著冷卻液溫度的逐漸升高，會產生一些蒸氣，如果這些蒸氣聚集在散熱器上方會妨礙冷卻液的流動并影響散熱效果；如果這些蒸氣聚集在節溫器前方則會使節溫器脫離冷卻液，節溫器主閥門不能隨著冷卻液溫度的升高而及時打開，形成氣阻造成冷卻液大循環不能有效進行，因此發動機經常會出現溫度過高現象。蒸汽的聚集還會排擠冷卻液，形成膨脹水箱溢流情況。該空冷器為新投運空冷器，若管束在制造過程中，清潔不徹底，管束內異物堵塞通氣管，使水蒸氣無法排除，也會造成溢流。維修人員將各處通氣管線連接彎頭（圖3）拆開仔細檢查，通過壓縮空氣對通氣管路進行吹掃，管路暢通未發現通氣管內有異物，故排除此故障成因。

圖3 通氣管線連接彎頭

（4）夾套水系統加注冷卻水過多，機組運行過程中水溫增加、體積增大，造成溢流。核實實際冷卻液加注量和膨脹水箱液位計顯示均在規定范圍內，故排除此故障成因。

（5）夾套水冷卻系統中某一節點存在串氣，高壓氣體大量進入冷卻水系統，造成膨脹水箱溢流。排查夾套水循環系統的每個節點：①檢查發動機缸套外壁有無水漬，若缸套存在裂紋，缸套內氣體也會進入冷卻水系統，同時冷卻水也會進入曲軸箱，在污染機油的同時造成冷卻液異常消耗，檢查未見異常；②檢查發動機汽缸蓋，驗證汽缸蓋冷卻水系統是否存在串氣點。檢查時發現動力4#缸火花塞表面濕潤，打開缸蓋凡爾蓋，發現預燃室總成固定螺栓斷裂（圖4），導致該節點出現縫隙，使汽缸蓋預燃室冷卻夾套水循環系統與氣缸內空氣與燃料氣的混合氣連通，混合氣從此處串入夾套水系統，從而出現膨脹水箱溢流現象。

圖4 預燃室固定螺栓斷裂

找到疑似故障成因后，立即更換預燃室總成固定螺栓。更換完畢后啟運機組，機組在試運和負載階段各項參數顯示均正常，發動機膨脹水箱未出現冷卻液溢流現象，故障排除。

2.3 預燃室固定螺栓斷裂原因分析

圖5 預燃室固定螺栓

3 結論