船用柴油机曲轴箱防爆阀防爆性能研究

中国船级社 张兴东

台州赛特流体控制有限公司 李建基

船用柴油机运行故障或连续高负荷运转，导致曲轴箱内局部过热，高温热源造成曲轴箱内润滑油汽化，形成油雾。当曲轴箱内油雾浓度达到爆炸极限且出现点火源时，发生爆炸。爆炸往往导致柴油机、机舱重大损坏，甚至造成人员伤亡，后果十分严重。因此，中国船级社《钢质海船入级规范》规定气缸直径大于等于200mm或曲轴箱总容积大于等于0.6m3的柴油机应按照相关规定安装曲轴箱防爆阀。

由于数值模拟研究具有成本低、效率高的特点，被广泛应用于防爆阀的阻燃和降压性能研究。对于曲轴箱防爆阀的实验研究还较少，因此本次通过满足IACS UR M66《曲轴箱防爆阀的型式实验程序》的实验系统，对曲轴箱防爆阀的阻燃和降压性能进行实验分析。

防爆阀结构组成及工作原理

曲轴箱防爆阀主要由阀瓣、锥形弹簧、内阻燃片、外阻燃片、阀座和阀盖组成，内、外阻燃片均设计为多凸台迷宫式结构（如图1）。当船用柴油机曲轴箱内发生爆炸时，曲轴箱内气体压力大于防爆阀的开启额定压力，阀瓣被顶开。火焰迅速进入阻燃片迷宫式通道中，被分割为多股细小火焰，增大了火焰与阻燃片的接触面积，进而加强了传热效果，使火焰温度迅速下降到淬熄温度以下。同时，多股高压气流在阻燃片中传播，气流之间、气流与阻燃片之间相互碰撞，使得压力迅速下降。当曲轴箱内压力低于曲轴箱防爆阀的额定压力，在锥形弹簧作用下，阀瓣迅速关闭，有效避免空气二次进入曲轴箱，引发二次爆炸。

图1 曲轴箱防爆阀、内阻燃片、外阻燃片结构与实物对比图

实验装置及工况

1、实验装置

为了探究曲轴箱防爆阀阻燃和降压性能，搭建了曲轴箱防爆阀实验装置，该实验装置满足IACS UR M66《曲轴箱防爆阀的型式实验程序》要求。实验装置包括：实验容器、配气系统、高能点火器、数据采集系统、控制柜和操纵台六部分（如图2）。

图2 实验系统图

实验容器容积为1.42m3，尺寸为φ1000×2000mm。配气系统主要由实验用校准气体、甲烷、压缩空气、甲烷浓度分析电磁阀、甲烷混合器、控制和操纵部分等组成。甲烷混合器用来将容器中的甲烷和空气充分混合。高能点火器点火能量为20J。数据采集系统包括压力传感器、位于操纵台的数据收集卡、录像机和热敏相机。压力传感器采用AX14-DS200型号传感器，监测压力为-1×105-9×105kPa。操纵台通过控制柜操控实验装置的配气、点火、数据采集等功能。

2、 实验工况

为了探究曲轴箱防爆阀阻燃和降压性能，制定两种实验工况。工况1：采用厚度为0.05mm的聚乙烯薄膜，封住容器法兰端口，进行空爆实验；工况2：将曲轴箱防爆阀安装在容器法兰端，曲轴箱防爆阀采用FBD135A型防爆阀，阀瓣开启压力18±10%kPa，流通面积143cm3。工况1和工况2，均在实验容器中配备体积分数为9.5%的甲烷和空气混合气体。每种实验工况进行3次实验，爆炸压力取3次实验平均值。

实验中，工况2第一次实验，应用厚度为0.05mm的聚乙烯薄膜，薄膜直径应为实验容器法兰端，环形平板直径的3倍且容积不小于实验容器30%的塑料袋包裹住防爆阀及平板。开始实验前，应排出塑料袋中空气，该要求可清晰观察到是否有火焰窜出防爆阀。

实验结果分析

工况1与工况2的实验压力随时间变化（见图3）。工况1爆炸压力随时间变化呈现先增大后减小的趋势，最大爆炸压力167.81kPa。时间4s后，爆炸压力逐渐为0，这是由于爆炸时，容器法兰端口聚乙烯薄膜破碎，容器内与大气相通，爆炸完后空气二次进入容器中导致。工况2爆炸压力随时间变化，同样呈现先增大后减小的趋势，最大爆炸压力为432.66kPa。工况2的爆炸压力是工况1的2.58倍，这是因为曲轴箱防爆阀起到一定的节流作用造成。时间5.8s后，爆炸压力逐渐降为负压。这是由于当容器内压力低于曲轴箱防爆阀的额定压力，在锥形弹簧作用下，阀瓣迅速关闭，容器内成为封闭空间，容器内持续呈现负压，有效避免空气二次进入容器，引发二次爆炸。

图3 工况1、工况2爆炸压力随时间的变化关系

工况1和工况2的火焰对比图（如图4）。工况1，点火器动作后，高温火焰从实验容器法兰端口处喷射而出。工况2，无火焰从防爆阀窜出，这是因为火焰经过阻燃片后，经过与阻燃片传热作用，火焰温度迅速降到淬熄温度以下。

图4 工况1、工况2爆炸火焰随时间的变化关系

实验结果表明：实验用防爆阀具有较好的阻燃和降压性能。当实验容器内压力低于曲轴箱的额定压力时，防爆阀的阀瓣能迅速关闭，并保持良好的气密性，曲轴箱内保持负压，有效避免空气二次进入容器引发二次爆炸。安装曲轴箱防爆阀后，因为防爆阀的节流作用，会造成曲轴箱内爆炸压力较未安装防爆阀时增大，为了保障柴油机的零部件不被损坏，压力的增大程度应被关注。本文对曲轴箱防爆阀的设计、维护保养具有指导作用。