深度：某轮柴油机运转中突然失常跳电，原因不简单！
某轮为一艘电力推进的50000dwt半潜船，4台主发电柴油机采用WARTSILA大功率中速柴油机，型号:W8L32.其配置的涡轮增压器为ABB；型号：TPL67-C33 。
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故障现象
某日该轮去新加坡加油航行途中，两台主发运行，NO.4主机负荷大约2760kw，柴油机和增压器转速分别为720r/min和25300r/min。各缸平均排温约450度，负荷指示72%。晚22时，NO.4主机突然各缸排烟高温报警，随后主发电柴油机随即自动减负载并解列，空载运行时转速708r/min，已达不到720r/min的额定转速，停车后再冲车检查时透平转速为0。
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故障查找
停车后对透平进行解体，当拆开透平消音器罩子后看到压气端叶轮严重磨损，继续解体拿掉压气机蜗壳后，手动盘转子感觉阻力很大，已经不能轻松盘动。把整个转子拆出后，发现废气端的涡轮叶片有7片叶片从拉紧丝孔的位置连同拉紧丝一同断裂并飞出。
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故障分析
查看2018.6.21设备检修记录，NO.4号主机透平广州厂修期间，ABB厂家更换了轴承（运时为27947 h）。对叶片清洁检查、平衡试验，均未发现问题，到透平损坏时总运时为30328 h，检修后使用2380 h。
维保记录显示：厂家更换轴承后，2018.10.21船上因排温偏高进行了透平解体检修，检查发现废气端喷嘴环上有大量的碳块卡住，使喷嘴环流道堵塞，导致换气和透平效率下降，致使排温升高。
然而该轮发生涡轮增压器废气端涡轮叶片断裂并不是首起：1号主发涡轮增压器废气端两个叶片断裂发生在运转仅25343小时；3号主发涡轮增压器废气端四个叶片在运转了28991小时也发生断裂并由于叶片断裂后的转子不平衡导致轴承损坏。三次涡轮叶片的断裂同样都发生在拉紧丝孔的位置。可以认为这类损坏事故并非偶然，另一个共同点就是由于叶片的断裂，转子轴都会产生巨大的不平衡转动，剧烈的振动导致轴承磨损，转子与蜗壳间产生严重擦刮。最终使整个涡轮增压器功能失效，主发电柴油机无法使用。
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涡轮叶片断裂原因分析
断裂的涡轮叶片由增压器厂家拿去实验室对断面进行了分析。分析结果显示，涡轮叶片的断裂是由于叶片的高周疲劳导致，断裂面能观察到清晰的疲劳特征及疲劳延伸的方向。裂纹的初始位置虽然无法完全确定但可以知道肯定位于叶片的背部，并往三个不同的方向延伸，最终导致叶片的整体断裂。
断面分析被分成四块区域，其中区域4位于拉紧丝孔左侧，属于应力折断；区域1位于拉紧丝孔右侧，有二次损伤导致的塑性变形；区域2侦测到有疲劳损伤的特征；区域3在叶片尾部同样属于应力折断。
对区域2疑似裂纹源的区域进行100倍电镜放大观察其表面形态。可以看出裂纹起源位于叶片背部，两侧往拉筋丝孔与叶片尾部延伸，中间往叶片正面延伸。裂纹延伸的形态具有疲劳断裂的特征。
疲劳失效是材质受到交变应力的作用时发生的一种失效形式。而高周疲劳则是指在受到具有交变幅度很小但交变次数非常多这种特点的交变应力时发生的疲劳损坏。由于增压器的涡轮零部件材质经过严格计算并通过了耐久性试验，能够抵御一般的交变应力的影响。叶片在早期就出现高周疲劳损坏，可以由以下单个或多个原因共同叠加造成：
1）喷嘴环的脏堵：由于喷嘴环的一部分流通气道被大块的积碳碳粒堵塞，废气气流无法正常平稳而又均匀地通过喷嘴环的流道，导致废气的脉冲出现忽高忽低，忽强忽弱的状态。这些气流的不稳定流动及不平衡的废气脉冲会对涡轮叶片产生极大的影响，涡轮叶片会受其影响会产生应激性的振动，这样相当于涡轮叶片长期处在一个交变幅度很小，交变次数很多的交变应力影响下；加上该电力推进的柴油机为重载应用，涡轮叶片本身已经承受着很重的载荷，两种条件叠加导致了叶片提前发生损坏。而拉紧丝孔的区域又是叶片的应力集中区域，因此叶片会最先从该位置发生断裂。
2）透平解体叶片清洁方式问题：查看设备检修记录刚开始有一段时间船上不从进气端拆出转子，而是拆除涡轮端废气进气管，将喷嘴环拿下，用气动针枪来击打涡轮叶片来清洁积碳，不当的机械清洁方式会对叶片造成一定的损害，尤其是涡轮叶片拉紧丝孔的最薄弱的地方。一方面会激发叶片的裂纹延伸，另一方面会造成叶片的几何形状发生轻微形变而使材质强度降低。
3）主机排烟管由于长时间运转及不良燃烧形成较厚的结碳：一旦主发电柴油机运转震动导致结碳松脱，并随着气流快速行进到喷嘴环再冲击到高速旋转的叶片上，反复击打叶片，便会导致涡轮叶片断裂。由于这方面一直没有引起重视，该轮所有柴油机的排烟管从来都没有拆下清洁过，结碳非常严重，从每次拆下透平喷嘴环时都会有大量的炭块卡在上面可以说明问题。同类型船的柴油机，虽然还没有发生叶片断裂事故，但在清洁排烟管和透平进气管时，均发现结碳厚达8.5mm-10mm不等，体积约12升，重量达到了24公斤（运时12000-14000小时左右）。且排烟管上的结碳很硬，不会轻易碎裂，还发现不少排烟管内有明显的炭块脱落痕迹。可想而知，如果有较多的颗粒较大炭块由于震动脱落随着气流穿过喷嘴环冲击到高速运转的（转速达到25000转/分）透平叶片上，尤其在叶片的顶端时会产生非常大的冲击力。该型透平废气端叶片对外段外径为359mm，当透平转速在25000rpm时叶片顶端的线速度达到了0.359x3.14x25000/60=469.69m/s。
4）透平废气端水洗若是负荷没有降到说明书的要求，透平进口温度过高也会造成涡轮叶片因承受较大的热应力而发生损坏。
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采取措施
1）严格按照说明书指导要求来维护保养，解体透平时，叶片清洁严禁使用冲击和敲打方式，可以将转子总成吊起，废气端叶片向下，同喷嘴环一起浸泡在加入洗衣粉的半截大油桶中约3-4小时（可能的话可以浸泡一晚，第二天清洁），叶片上的炭就会很容易清除。进气端叶片只要用湿布就可以擦除，禁止用其它金属物体和钢丝刷清洁。
2）定期清除排烟管和透平进口管处的积碳。根据拆出排烟管的情况，建议每12000小时就必须清洁排烟管和透平废气进口管，一来可以保护透平免遭大颗粒炭块的冲击，大大延长叶片的使用寿命，同时可以避免炭块堵住喷嘴环，增加透平解体的间隔时间。
3）严格按照说明书要求用淡水冲洗透平废气端，冲洗前需要将负荷卸掉待涡前温度下降到说明书要求后，保持该冷却状态约10-15分钟后，再进行冲洗。避免叶片由于冷水进入，温差太大使叶片受到巨大热应力而发生断裂；冲洗完成后需要继续保持低负荷运行10-15分钟使透平充分干燥后再加负荷。冲洗水的水量须严格控制，对于底部未接泄放管的增压器来说，大量的冲洗水会积在壳体里，除涡轮叶片损坏以外，喷嘴环，壳体都会出现裂纹。如果冲洗装置无法正常使用，必须缩短透平解体进行机械清洁的间隔时间。
4）根据说明书要求，运转时保持良好的滑油压力和温度，解体透平时要清洁滑油进口（内有节流板）和油压检测口（由于检测口小，容易脏堵，传感器会检测不到油压导致透平失压停机）。防止透平失油，导致轴承损坏。
5）按照说明书要求，考虑叶片的疲劳寿命，适时更换叶片。
只有高效的涡轮增压器，才能有柴油机良好的经济性可言，涡轮增压器的良好工作需要管理者的细心管理呵护。良好的维护保养工作既可以延长设备零部件的使用寿命，提高涡轮增压器的效率，也可以大幅降低管理成本(这个型号的转子总成要近100万元人民币）。
本文素材来自王鹏飞和李波二位资深轮机长。
中远海运船员广州分公司 高级轮机长 张玉龙 2020.5.21