船用柴油机起动空气管系零部件设计分析

焦 雷，王 军，李 娟

（1. 上海中船三井造船柴油机有限公司，上海 201306；2. 中船动力研究院有限公司，上海 200129；3. 上海航谊润滑油有限公司，上海 200122）

0 引 言

船用柴油机自身不能起动，必须依靠外力作用使柴油机运转起来。柴油机起动所用的外力常常包括以下几种：人力、电力、气力或液压等，船用柴油机通常采用压缩空气的起动方式，通过压缩空气作用在活塞上，推动活塞上下往复运动，依靠活塞、连杆的传递作用，最终使曲轴转动起来[1]。本文讨论了船用柴油机压缩空气起动所涉及的起动空气管系相关零部件的设计。

1 起动空气管系的设计压力

起动空气管系最大工作压力为3MPa，设计压力为3MPa，设计温度为50℃，根据CCS船级社规范关于管系等级的划分，该起动空气管系应为II级管系，因此，起动空气系统所用管子及弯头必须具有船级社检验证书。

需要特别说明的是，MAN（曼恩）公司的专利柴油机起动空气管系设计压力为3MPa，但是，根据船级社规范，“管系的设计压力是管系最高许用工作压力，应不小于管系中安全阀或溢流阀的最高设定压力”[2]，起动空气管系中爆破片的设置实际上是起到安全阀或溢流阀的作用，故实际起动空气管系设计压力应大于等于爆破片的爆破压力6MPa。MAN公司在此处采用了一个巧妙的设计，考虑到爆破片爆破的发生概率较小（起动阀泄漏时燃气冲入到起动空气管中会发生），同时，该管系的液压试验压力已经相应的提高到7MPa，所以，起动空气管系的设计压力仍采用3MPa，这在设计原理上也是合理的，同时也会节约制造成本。起动空气管系的设计温度定为50℃，管内空气温度值主要依据船级社规范“管系的设计温度应取管中流体的最高温度，但应≥50℃”而确定的。

主起动空气管中应设置放气管。可在靠近主起动阀的位置设置一个放气管，用来缓慢放掉起动结束后起动空气管中的残余空气，该放气管是常开的，见图1。MAN柴油机设计方式主要有两种：如果放气管采用φ8×1.5mm的管子，一般会在起动空气管端部和主起动阀处设置两根放气管，如果放气管采用φ20×2mm的管子，一般只有在主起动阀处设置一根放气管。而Wärtsilä（瓦锡兰）柴油机放气管上还装有一个球阀，该球阀在起动过程中处于关闭状态，起动完成后一般需要打开该阀放掉管内的残余空气或者凝水。

2 起动空气管系法兰的设计与选用

由于起动空气管系的设计压力是3MPa，因此，起动空气管系用法兰公称压力必须≥3MPa。起动空气管系法兰选用的常用标准为：GB/T9115.1 4MPa、CBM1016-81或CBM1017-81等3种标准。

GB/T9115.1标准的法兰技术条件要满足GB/T9124标准要求，因此，该标准法兰的公称压力为4MPa，在工作温度<100℃时，最高无冲击工作压力为 4MPa。而 CBM1016-81、CBM1017-81标准的法兰技术条件要满足CBM1022-81标准，根据该标准参照其铸钢法兰，在工作温度<200℃时，该法兰的最高工作压力为3MPa。而比较GB/T9115.1 RFDN-40和CBM1017-81两种标准相同公称通径的法兰发现，在材料相同时，影响法兰工作压力的主要尺寸—法兰厚度，CBM1017-81标准的法兰明显比GB/T9115.1 RFDN-40要厚，这就是说CBM1017-81标准的法兰工作压力可以比GB/T9115.1标准的法兰高。现以公称通径DN100为例，对这两种标准规格的法兰相关尺寸进行比较（见图2和表1）。由此可见，两者之间的尺寸差别。

图1 启动空气管系放气管设置

图2 CBM1017-81和GB/T9115.1标准的对焊法兰

表1 CBM1017-81和GB/T9115.1标准的对焊法兰相关尺寸比较

由于CBM1016-81、CBM1017-81标准的法兰都是根据日本工业法兰标准编制的，而根据JIS B2220法兰标准，在120℃以下时，30K法兰的最高工作压力可以达到5.1MPa，这也就从侧面说明了CBM1016-81、CBM1017-81标准的法兰最高工作压力可以比GB/T9115.1更高。因此，对于CBM1022-81的标准需要进行部分修订，以便满足设计要求，否则，采用日本图纸进行国产化设计选用相应CBM标准时，法兰设计选用就需要特别注意，以免出现设计压力未能达到原设计要求的设计错误。

选用突面法兰时，如果采用非金属密封垫片，法兰密封面可以根据需要加工水线，相关尺寸可以参照CBM1002-81或HG20624标准，见图3和表2。

图3 突面法兰的水线

表2 突面法兰的水线尺寸

3 起动空气管系的压力试验

MAN系列柴油机起动空气管液压试验压力为7MPa，这与正常的管系试验压力为1.5倍的设计压力有着较大的出入。究其原因发现，MAN公司在起动空气管系中设置了爆破片，其爆破压力是6MPa（因为MAN试验发现起动阀突然关闭时会对起动空气管路造成一定的冲击，这时的冲击压力可以瞬间达到5MPa，因此，MAN设置爆破片的爆破压力为6MPa），然而，在起动阀损坏（泄漏）造成大量高压燃气窜入起动空气管的情况下，为避免起动空气管损坏，要求起动空气管必须满足7MPa压力的要求，为此，MAN柴油机设定起动空气管的液压试验压力应高于爆破片的爆破压力，定为7MPa。

由于起动空气管系所用法兰的公称压力为4MPa，根据GB/T9124或ISO7005的标准要求，管法兰原则上不进行单个法兰的水压试验，当法兰安装到管道或设备上后，其水压试验压力应不得大于规定的20℃时的最高无冲击工作压力的1.5倍，并圆整到整数值，因此采用4MPa公称压力法兰的起动空气管试验压力应≤6MPa，而图纸规定液压试验的压力为7MPa，显然超过了法兰的压力试验要求，很难以标准GB/T9124或ISO7005规定作出合理的解释，只能说明MAN设计采用了牺牲法兰安全系数的方法，以达到成本较低的目的。但是这种做法从售后服务经验及高压燃气窜入起动空气管中的概率来看也是基本合理的，并且明显地降低了制造成本。

4 起动空气系统安全装置设置

根据船级社规范要求，“在通往柴油机的起动空气管路上，应设有截止止回阀或等效设施，以保护压缩空气管路不受气缸内爆炸气体的影响。对于气缸大于230mm的柴油机起动空气系统应安装爆破片或阻火器或其他等效装置。对于可直接换向的柴油机，装于每一个起动阀处，对于不可换向的柴油机则可装于起动空气总管上”[2]。

为了防止起动阀损坏时高温高压燃气窜入起动空气管中引起爆炸等不良后果，Wärtsilä柴油机每缸的起动阀进气管上设置了一个阻火器（火焰限制器见图4），阻火器又名防火器，阻火器的作用是防止外部火焰窜入存有易燃易爆气体的设备、管道内或阻止火焰在设备、管道间蔓延。在起动空气管的总管末端设置了一个安全阀，见图5，安全阀开启压力为3.3±0.2MPa。这两个装置的设置可以防止火焰的蔓延以及非正常情况下压力的释放，保护起动空气管路及设备。

MAN系列柴油机对起动空气管路设置了相应的安全措施，主要是在每缸起动阀的进气管上加装了一个爆破片（爆破压力为6MPa），如果起动空气管路中压力超过爆破片的爆破压力，爆破片就会破裂，释放高压气体。Wärtsilä和MAN两种类型的柴油机都按照要求设置了截止止回阀，即主起动阀。MAN柴油机在防爆片出口处还加设了安全罩。加设该装置的目的是如果安全罩内的爆破片因起动空气管路中压力过高而损坏，那么就需要检修或更换爆炸过的爆破片。此时，如果船上没有新的爆破片可以使用，起动柴油机时，为了防止大量压缩空气从爆破片处泄漏，则可以转动相应缸上的安全罩（见图6、7），并在更换新的爆破片后应将安全罩转回开启位置。安全罩上还加设了厚度为 0.5mm的钢板，用来罩住安全罩上的一个出气孔，便于快速判断爆破片是否已经损坏，及时获得柴油机故障信息。正常情况下该钢板是紧贴安全罩壳体，但是如果发现该钢板已经翘起，或被吹离较大的角度，则应检查爆破片是否已经损坏。

图4 阻火器

图5 安全阀

图6 安全罩正常工作位置

图7 安全罩应急位置

虽然在起动空气管路中加设了上述安全装置，但是这些措施也不能完全避免起动空气管中的着火或爆炸发生，主要原因是在起动空气管路中由于空气压缩机出来的滑油的集聚，同时伴随着起动阀的故障，着火或爆炸就可能依下列次序发生：

1) 高温高压燃气经被卡住或泄漏的起动阀渗漏，在起动空气管路中产生易燃的混合气体；

2) 混合气体可能从动力气缸处点燃；

3) 火焰通过起动阀和起动空气管蔓延；

4) 取决于压力、温度和起动空气管路中润滑油集聚量和气体量的大小，着火或爆炸就可能随之而来。

由于爆炸是以非常高的速度传递，并且冲击波产生非常高的局部压力，所以对起动空气管路具有显著的破坏作用。因此，当形成引发爆炸的条件时，安全阀或爆破片也无法阻止起动空气管路的破裂，这就必须采取以下措施更好地避免起动空气管路的破裂：

1) 在柴油机正常运行期间排空起动空气管路中的空气，所以起动空气管路应有常开的放气管；如为带球阀的放气管，起动完成后需要排空，确保管内无压力；

2) 建议使用无油润滑空气压缩机。

柴油机运转中，如果一个起动阀出现故障或泄漏，则相应的起动空气管会发烫，在这种情况下，可以用手检查确认是否发烫来判断起动阀的故障。如果在起动阀的进气管上喷涂一段示温涂层，通过示温涂层的颜色变化及时观察发现哪一缸的起动阀故障，以便采取措施，见图8。

图8 示温涂层

5 爆破片厚度计算

爆破片是压力容器、管道的重要安全装置。它能在规定的温度和压力下爆破，释放压力，保障生命和财产的安全。按照结构型式分类，爆破片主要有3种，即平板型、正拱型和反拱型。平板型爆破片的综合性能较差，主要用于低压和超低压工况，尤其是大型料仓。正拱型和反拱型的应用场合较多。传统的正拱型爆破片，其工作原理是利用材料的拉伸强度来控制爆破压力，爆破片的拱出方向与压力作用方向一致，反拱形正好相反。MAN系列柴油机设计的爆破片为平板型爆破片。

根据《压力容器安全监察规程》附件8中公式计算爆破片的厚度，即S=PBD/K[3,4]

式中：S——爆破片初始厚度，cm；PB——爆破片设计时确定的爆破压力，MPa；D——爆破片夹紧直径，mm；K——系数。

《压力容器安全监察规程》还指出，上式适用于平板型、正拱型爆破片，对于铜材料，温度<200℃，可取K=7.7×103～8.8×103，如材料经过完全退火，片厚较薄，K应取较小值，此处K可以取K=7.7×103。随即可计算出爆破片的厚度，以某机型爆破片为例，该爆破片图纸设计厚度为0.4mm，爆破压力为6MPa，爆破片夹紧直径为51mm。以上数据代入公式中可以得出：

S=PB D/K=6×51/7.7×103=0.0397403cm=0.397403mm

通过该公式计算的厚度与图纸设计厚度非常吻合。爆破片厚度的其他计算方法也可以参照参考文献[4]。

由于相同材料不同批次可能会产生一定的强度差别，同时根据实际生产情况发现，完全按照厚度为0.4mm制造的爆破片爆破压力会与6MPa存在较大的差距，故实际生产中往往是以厚度尺寸为参考，主要通过试验保证爆破压力的数值（厚度可以存在一些偏差）。

6 起动阀安装

根据起动阀安装图纸（见图9），起动阀必须按照以下4个步骤拧紧：

1) 用手拧紧螺母直到手不能再拧紧为止，此时作为拧紧角度的初始位置；

2) 至少分 3步采用扳手分别拧紧两螺母，直到最终拧紧角度为40°；

3) 松开螺母，用手再拧紧螺母，直到手拧不动为止，此时的位置作为拧紧角度的初始位置；

4) 至少分 3步采用扳手分别拧紧两螺母，最终拧紧角度为60°。

通过以上4步就可确保两螺柱螺母的预紧，并且均匀牢固，才能够满足要求[5]。

图9 起动阀的安装

7 结 语

1) 起动空气管系为II级管系需要船级社检验证书，实际选用起动空气管一般按照410 I级管采购；

2) 为了保证设计要求和降低制造成本，起动空气管法兰可以选用GB/T9119 RFDN-40、CBM1016-81或CBM1017-81 3种标准的20号钢或16Mn材料的锻钢带颈法兰；

3) JIS标准的30K法兰实际承受的压力可以超过GB/T9119或ISO7005标准的4MPa的法兰，因此，设计选用法兰时需要特别注意；

4) 起动空气管压力试验为7MPa，超过法兰试验压力标准规定，该试验压力值得探讨；

5) 对于气缸大于230mm的柴油机起动空气系统应安装爆破片或阻火器或其他等效装置；

6) 爆破片的厚度可以按照《压力容器监察规程》中的计算公式进行设计，但必须根据每批爆破片的材料进行实际试验最终确定；

7) 起动阀安装螺柱螺母应均匀拧紧，为此应分4步均匀紧固。

[1] 船用柴油机设计手册编委会. 船用柴油机设计手册[M]. 北京：国防工业出版社，1979.

[2] CCS船级社规范[S]. 2009版.

[3] 压力容器安全监察规程[S]. 国家劳动总局，1981.

[4] 邱清宇，吴泽炜. 一起爆破片事故分析[J]. 化工设备与管道，1994 (1).

[5] 王 军. 浅谈螺栓、螺柱、螺母的相关设计与安装规范化[J]. 上海标准化，2010 (9).