8L21/31柴油机冷却水系统故障分析与排除

8L21/31柴油机冷却水系统故障分析与排除

关文振  陈龙 王庆瑞  张成

中国卫星海上测控部  江苏江阴  214431

摘要:本文针对某船在试航过程中，8L21/31柴油机（右主机）的冷却水系统故障进行了介绍，并就该故障机理进行分析探讨，介绍其排查与解决过程，最终认定该柴油机装配了不正确的低温水恒温阀箱体是导致该故障的原因。

关键词：8L21/31柴油机  冷却水系统 低温水恒温阀箱体

0 引言

为保证柴油机正常运行，必须对柴油机的受热部件进行冷却降低热应力，如缸头、缸套、活塞等，对滑油进行冷却保证正常润滑，对增压空气进行冷却等，为此形成了柴油机冷却系统。大中型柴油机大都采用水冷，根据柴油机的用途不同，其内部和外部冷却水系统的配置亦有不同，但冷却水系统的工作原理大致相同，分为传统的海淡水冷却系统和目前较为流行的中央冷却水（高低温水）系统两大类。

MAN公司的8L21/31柴油机采用的是中央冷却水（高低温水）系统，为闭式冷却系统，冷却介质为淡水，淡水流过柴油机冷却水腔冷却机器后经中央冷却器舷外水冷却后回流至机器完成一次循环，具有淡水进机温度相对海水可以适当提高，冷却水温差小，柴油机受热部件温度比较稳定的优点。

1 故障现象

2021年7月17日，某船右主机在试航过程中，车令进五时出现高温水进空冷器高温报警及高低温水温度波动的故障，具体现象为：

（1）高温水进空冷器高温报警

高温水进空冷器高温报警设定值为80℃；在主机达到进五工况时，高温水进空冷器温度出现异常波动并达到报警值，发生报警。

（2）高低温水温度波动

高温水恒温阀感温范围为77～85℃，低温水恒温阀感温范围为29～41℃；在主机前进五高负荷时，高温水进空冷器温度波动范围在73～83℃，低温水进机温度波动范围在36～40.5℃；波动频率在1次/2～3分钟，超出水温标准波动允许量3℃。

2 8L21/31柴油机冷却水系统

8L21/31柴油机冷却水系统图如图1所示。

图1 冷却水系统图

在机体内部，有高温冷却水和低温冷却水两路循环，分别在高、低温水泵的作用下，流过高温侧空冷器、高温汽缸和高温温控阀；低温侧空冷器、滑油冷却器和低温温控阀，在高温温控阀和低温温控阀处按照事先设定的温度值控制下，部分或是全部进入中央冷却器进行混流，然后流到低温进机口，重新进入机体进行循环。

淡水在柴油机内部主要通过前端箱和气缸单元内部的内腔流动。前端箱上有所对应的管道接口，以及对高温水和低温水系统进行控制的温控阀。

3 故障分析与排除

3.1故障分析

3.1.1建立冷却水系统故障树

建立冷却水系统故障树，如下图2所示：

图2冷却水系统故障树

3.1.2故障定位

根据冷却水系统布置及其工作原理，确认故障点可能存在以下3处：

（1）冷却水流经机器内部零部件。查看右主机的空冷器和高压气缸所有参数，如高、低温冷却水进机压力，气缸排温，滑油压力与温度等，未发现异常；用点温枪测量高温水进空冷器和低温水进机温度，与监控系统显示温度变化趋势一致，相差不大；检查主机滑油冷却器，未发现渗漏等异常现象。

（2）冷却水系统外部管路与零部件。对外部冷却水管路的阀门、软管、法兰连接处等进行检查，各仪表显示参数均在合理范围内，并与左主机数字相差不大，未发现有漏点等其他异常；检查膨胀水箱，温度正常，产生气泡均匀，与左主机相比无明显异常；检查中央冷却器，未发现渗漏、脏堵等异常现象。

（3）内部管路与零部件。互换左右主机高、低温水温控阀阀芯，问题仍然存在；互换左、右主机高、低温水恒温阀箱体，右主机问题消失，左主机出现高低温水温度波动及高温水进空冷器温度报警的问题。

由此确认，可以将故障定位在主机高、低温水阀箱体，经过进一步的检查发现互换后左主机的低温水恒温阀箱与右主机的低温水恒温阀箱存在差异，实物如图3和图4所示。零件图纸如图5和图6所示。

图3 单系统箱体（Z2174047-9.0a）

图4 双系统箱体（L21P-175-01-02）

图5 单系统低温水恒温阀箱图纸（零件号：Z2174047-9.0.a）

图6 双系统低温恒温阀箱图纸（零件号：L21P-175-01-02）

该差异中的腔体正是该型主机低温水向高温水补水的通道，单系统箱体（零件号：Z2174047-9.0a）是有腔体口，双系统箱体（零件号：L21P-175-01-02）没有该腔体口，无法满足高低温冷却水混流模式运行。

3.2故障排除

通过故障分析，可以确认故障点为低温水恒温阀箱，将右主机低温水恒温阀箱更换为单系统恒温阀箱体，进行系泊试验，并于7月24至28日进行5天的试航复核验证，试航过程中，高低温水温度恢复正常，故障排除。

4 机理分析

两箱体的差异，造成低温水向高温水的供水水路发生改变，8L21/31柴油机冷却水系统装配单系统低温水恒温阀箱和双系统恒温阀箱的系统图见图7和图8。

图7 装配单系统低温水恒温阀箱的冷却水系统图（正确布置）

图8装配双系统低温水恒温阀箱的冷却水系统图（错误布置）

装配单系统低温水恒温阀箱时，低温水向高温水的补水通道在低温水冷却完滑油之后，水温较高，与高温水温差较小，不会造成高温水温度大幅降低，也就不会引起恒温阀调节过快，保证了高温水温度在一个较为稳定的范围内；当错误装配为双系统低温水恒温阀箱时，低温水向高温水的补水来源变成了低温水恒温阀之后，为进机前低温水，主机在前进五高负荷运行时，主机高、低温水热负荷高、热交换量大，高温水直接吸入进机前低温水，因该处水温较低（约32℃）将导致高温水温度大幅降低，恒温阀芯快速调节，致使高、低温水进空冷器的温度上下波动，并触发报警。

由此，问题可以归结为右主机错误安装了双系统低温水恒温阀箱，导致低温水系统向高温水系统补水的补水口发生了变化，导致无法向主机高温水系统补充合适流量和温度的低温冷却水，从而引起右主机在高负荷时出现高、低温水温度波动和高温水进空冷器高温报警问题。

5管理归零

针对某船8L21/31右主机（机号：21002）安装错误的低温水恒温阀箱体的问题，围绕该主机产品生产过程从管理制度和质量体系等多方面展开调查。

5.1设计过程

检查某船右主机（机号：21002）项目设计配套文件，低温水恒温阀箱体零件号为Z2174047-9.0a，且该箱体有低温水向高温水补水的腔体口。经检查，设计图号，专利图纸，设计状态无变更，设计符合要求。

5.2生产配套过程

检查某船右主机（机号：21002）低温水恒温阀箱体厂内的出入库记录。低温水恒温阀箱体（零件号Z2174047-9.0a）在系统内出、入库记录正常，即从柴油机厂家发到船厂仓库的低温水恒温阀箱体和从船厂仓库进入到装配现场的箱体都是符合设计要求的箱体。

但从实际装机的情况来看，出入库记录上相同零件号的低温水恒温阀箱体装配后却出现了两种状态，左机零件号为Z2174047-9.0a，右机零件号为L21P-175-01-02。进一步的检查发现，由于同期进行装配的某拖船主机为高低温冷却水双循环系统，配套使用零件号为L21P-175-01-02的低温水恒温阀箱体（也就是右机装配错误的箱体）。生产集配按项目配送至装试车间，虽然两种箱体有零件号区分，但由于两种箱体的外形一样，在派送至装配工位时，装试车间配送人员出现差错，将一件本该配给某拖船右主机（机号：20128）的低温水恒温阀箱配给了该船右主机（机号：21002）。由于两种恒温阀箱对外接口也是一模一样，所以工人安装时没有发现异常。

5.3台架试验过程

在台架实验时连接水力测功机，进行了怠速、25%额定负荷、50%额定负荷、75%额定负荷、90%额定负荷、100%额定负荷、110%额定负荷的负荷实验，检查右主机（机号：21002）的台架试验报告，在各个负荷点下，高低温水水温记录正常，也未有高低温水水温波动的记录；高温水进空冷器温度（高温水进机温度）正常，也未出现高温报警的情况；详见下图9。

图9 右主机（机号：21002）台架试验记录

进一步检查台架试验时间为2021年1月，气温较低且低温水温度较低（低温水进机温度为23℃），虽然低温水恒温阀箱装错，但在当时试验工况下，高低温水的波动范围较小，也没有出现高温水进空冷器高温报警的情况，试验检验人员也未发现问题。

5.4综合分析

综上，在某船8L21/31右主机（机号：21002）集配过程中，将本应该配套的低温水恒温阀箱体（零件号Z2174047-9.0a）却配套给了某拖船右主机（机号：20128），该船却配套了错误的低温水恒温阀箱体（零件号L21P-175-01-02），由于两种低温水恒温阀箱体的外形尺寸和安装尺寸一样，也未能在装配时及时发现，导致某船8L21/31右主机在试航过程中，进五时出现高温水进空冷器高温报警和高低温水温度波动问题。

通过以上调查发现存在以下问题：

（1）装试车间配送人员箱体配送错误，是造成问题的直接原因；

（2）质量检验人员未能发现装机箱体的差异，未能有效履行质量监督职能，间接导致问题发生；

（3）交验检验人员未能发现台架试验数据的差异，未能有效履行质量监督职能，间接导致问题发生。

6结束语

冷却水系统是柴油机正常运行的重要保障，虽然整个构造比较简单，但故障的发现与排除同样非常考验管理人员的智慧。本文综合机器方面和管理方面分别论述了此次故障的原因所在，为我们轮机管理人员和柴油机生产制造及装配人员提供了宝贵的经验。对于船舶故障，既要认真排查，分析机理，更要深入思考故障背后的原因，汲取教训，总结经验，规范管理，完成闭环。

参考文献：

[1]《L21/31主机中文使用说明书》中船动力有限公司  2021.01

[2]《L21/31主机完工资料》  中船动力有限公司  2021.11

[3]《船艇柴油机构造与原理》  解放军出版社  主编：熊锐  2007.08