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1、基于基于 FTA 方法降低涡轮增压器失效风险的研究方法降低涡轮增压器失效风险的研究 张余庆 1 吴桂涛1 崔文彬1 仉大志1 大连海事大学轮机工程学院（116026） 摘摘 要：要： 故障树分析是一种有效的系统可靠性分析方法， 已经广泛应用在机械行业的各个领 域。通过故障树分析可以找出涡轮增压器过载的失效原因。对 A 型机的技术改进证实，所采 取的弥补措施能有效降低涡轮增压器的失效风险。 关键词：关键词：故障树分析 涡轮增压器 失效风险 可靠性技术中的故障树分析法(FTA ) 是一种用于复杂系统可靠性、安全性预测的方法。 故障树是以系统最不希望发生的事件顶事件为分析目标, 应用演绎的方法研究造
2、成顶 事件发生的各种直接与间接原因, 并用“逻辑门”将各个原因相联系, 建立起一棵倒立的树 状图形, 并指出了单元故障与系统故障之间的逻辑联系。 应用概率统计方法对故障树进行 定性分析, 可寻求顶事件发生的最小割集(即系统的薄弱环节) , 还可由底事件的发生概率 来定量评价顶事件发生的概率。 1 目前，船用大功率柴油机的绝大部分、车用柴油机的半数以上均采用了增压技术。增压 柴油机的比功率（以平均有效压力表示）较之非增压柴油机增加了 45 倍2。在经过日本 NK 船级社注册的船舶中，低速柴油机的故障报告中有许多的涡轮增压器失效事件。在已知 的各种故障模式中。 排气总管着火被认为非常严重。 因为它
3、能导致涡轮增压器过载甚至爆炸。 尽管生产厂家已经意识到这个问题， 并且已经努力寻找可以防止这种失效发生的措施， 见表 13，但是还没有迹象表明，这些失效事件发生次数正在减少。 表 1. 厂家针对降低涡轮增压器失效的建议 1.定期检查和清洗扫气箱 2.检查并清洗固定的废气管路内部 3.检查并测量活塞环和缸套的磨损 4.检查并测量活塞顶表面和活塞环槽的磨损 5.8000- 10000h 定期用标准的 O 形圈进行吊缸检查活塞顶 6.定期检查和维修燃油喷油嘴 7.系统油清洁管理 8.定期清洗空冷器和涡轮增压器 9 充足的气缸油注入率 10 假如长时间工作在低速状态下： a）调整气缸油注入率 b）控制
4、燃油温度和气缸套冷却水 c）更换燃油嘴口（在最大持续功率 50或以下） 日本 NK 船级社在 1992- 2002 年做了一次调查， 发现这种功能失效在三种机型上比较常 见，如图 13所示。在所有此类失效事件中这三种机型占 83。在本文中，分别以 A、B、 C 代表这三种机型。为了调查过载的原因和找出可以减少这种失效模式发生的措施，船级社 应用了故障树分析(FTA)技术。这是一种识别导致不希望事件发生的原因分析工具。这种方 法利用以下信息：系泊试验的数据、美国试验与材料学会（ASTM）的标准、自燃试验结果、 历史的 1 组（船舶不能操纵）和 2 组（明显的输出功率降低）试验数据。 1 图 1.
5、 运行时间超过一年的不同机型发生自燃的可能性 一、故障树分析一、故障树分析 以故障树图的方式建立系统模型，通过分析可以找出潜在的失效因素和薄弱环节，而以 后就可以很容易的为这些问题确定解决方案。 此分析过程包括五个主要步骤： 1）确定顶事件 2）深入研究故障机理 3）建造故障树 4）收集必要的可靠性数据，以备计算 5）计算顶事件发生的概率 先前的研究建立了三种主要的可导致过载的机理，这些机理可以做为故障树分析模型的 基础。这些机理是：扫气箱起火、活塞顶烧蚀和长时间在低负荷下工作，见表 23。 表 2 导致增压器过载的主要机理 扫气箱着火： 在扫气箱内积存的油可能被来自扫气口的空气引燃。 快速的
6、消耗氧气使氧气的 浓度降低，从而导致不良的燃烧。未燃烧的燃料进入扫气口处，进而引发了过载和爆炸。 活塞顶烧蚀：活塞顶烧蚀可以导致大量的未燃烧燃油进入扫气口处，引发爆炸。 长时间工作在低负荷状态下： 假如一台柴油机过长时间地工作在一定爆发压力下， 未燃烧地 燃油或过量的气缸油很可能在扫气口处积留。 当柴油机负荷升高或电闸开关闭合， 在扫气口 引发燃烧。 二、自燃二、自燃 排气总管处的高温很可能导致这一区域存在的滑油（系统油或气缸油）或燃油燃烧，即 使没有其他的点火因素。在一个低氧环境按照 ASTM 的条件进行的试验表明：船用燃油和 滑油发生自燃的温度分别为 370和 400。基于这个原因测试了进
7、入涡轮增压器的排烟温 度，以估计排气总管中的温度。 当然，失效不大可能在系泊试验时发生。而是在船舶运行若干年后易发生。并且，船舶 柴油机每天工作在 80负荷时，相当于系泊试验工作在 100的负荷。但是，这些不同不全 部是负面因素， 它也提供一种模仿老龄船舶工作状况的简单途径。 因为在 80%- 100%负荷时， 2 温差大概有 20- 40，这个范围与随船舶年龄增加，排烟温度上升 30有关。 我们也知道，排气总管中和废气中氧气的含量是一样的。NK 船级社主要针对 NOx 排放 的研究表明：在不考虑柴油机设计因素方面的影响，废气中有 15的氧气，这足够用来支 持燃烧。 三、实例分析三、实例分析
8、考虑到根本不可能从正在运行的船舶上采集废气排放的温度数据，自燃可能性的数据由 一个模仿在 100负荷时运营 12 个月的模型得出。 NK 船级社自有的数据（1992- 2002）表明，A、B、C 这三种机型在扫气箱发生故障的可 能性分别为 3、0.7和 0.3，另外两个机型的数据几乎为零。同样的数据还显示，A、B、 C 这三种机型发生活塞顶烧蚀的可能性分别为 1%、0.5%和 0.4%。同样，另外两个机型的数 据几乎为零。 综合考虑以上列出的因素，建立故障树如图 23所示。FTA 分析的数据表明，A、B 和 C 三种机型涡轮增压器发生故障的概率分别为 4、1和 0.7，其他机型则接近于零。同时
9、 得出另外一些重要结论： 1）在发生了故障的机器中，排烟温度略有上升，从而提高了滑油自燃的可能性 2）由活塞顶烧蚀导致的故障只局限在这一个气缸中，故障发生的原因与该活塞结构、材料 和在喷射时刻燃油的分布有关。 3）由于长时间在低负荷状态下运行导致失效的可能性与其他因素相比可以忽略，但在将来 的研究中应予以关注。 4）虽然研究仅局限在 NK 船级社注册的船舶上，但是包含 A 型机在内的事故发生率远远高 于其他机型。 图 2. 排气总管起火故障树分析 四、有效的解决方案四、有效的解决方案 下一步就是考虑采取何种弥补措施来减少排气总管发生爆炸危险。由于已经得知燃油自 燃是主要的失效因素，降低排气总管
10、的温度，使之低于自燃温度，应可以降低这种故障模式 的发生概率。 3 为证实这种推理， 开发了经过稍微改进的 6 缸 370mm 缸径的 A 型机。 主要的改进包括： 进气温度略有提高；改变了气缸套的进气口，使压缩比有所提高。因为燃油在更高的温度和 压力下得以燃烧，经过改进的机型在整个输出负荷范围内，燃油消耗率更低。更重要的是， 不仅如此，更高的冲程效率意味着降低了排气温度。 在改进机型中的涡轮增压器发生故障的几率是原机型的 17， 这有力的证明了降低排烟 温度是一种有效的减少故障发生的措施。NK 船级社得出这样的结论：针对原型机做出类似 的改进，可以降低涡轮增压器故障发生率一半左右，大约一年减
11、少 4 到 2 次事故。这主要是 由于低的燃油消耗率同时可以减少未燃烧的燃油在排气总管中的积存。 参考文献 1李兵，朱梅林，陈晓伟等. 模糊故障树分析法在内燃机可靠性中的应用研究.内燃机学 报，1999，17（1）P63 2孙培廷. 船舶柴油机.大连：大连海事大学出版社. 3 Eliminating the Risk of Failure. Marin Engineers Review (MER), 2006 1 Research on Eliminating the Risk of TurboChargers failure Based on FTA YuQing ZHANG GuiTao
12、WU WenBin CUI DaZhi ZHANG Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian, PRC, 116026 Abstract: Fault Tree Analysis is an effective way to analysis the systems reliability. Through the FTA process, This paper gets the causes leading to the turbochargers overload. It is highly proved that the remedies the paper suggested are well effective to eliminate the failure risk of turbocharger by the technical change on the type A engine. Key words: Fault Tree Analysis Turbocharger Failure Risk 张余庆：男。1981 年生。硕士研究生。主要方向为现代轮机管理。 4
