卡特彼勒G3600系列发动机顶部（缸头）大修间隔时间分析
作者：王功辉
来源：《科技创新导报》 2014年第35期
王功辉
(中国石油管道公司中原输油气分公司枣庄维抢修队 山东枣庄 277100)
摘 要：该文通过对国内长输天然管道引进运行的陕西榆林压气站，天津大港地下储气库等站场的美国卡特彼勒（caterpillar）G3600型大型往复式天然气压缩机组发动机顶部（缸头）大修时的实际拆解测量数据和厂家提供的《caterpillar（卡特彼勒）操作和保养手册（G3600系列发动机）》中所规定的标准技术数据进行详细的对比，探讨了延长卡特彼勒（caterpillar）G3600型发动机顶部（缸头）大修时间间隔的可行性。
关键词：卡特彼勒 发动机 压缩机 缸头大修
中图分类号：TE9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)12(b)-0004-02
近些年，随着民用和工业对天然气需求量的陡增，天然气长输管道的建设正在如火如荼进行中。离心式压缩机、往复式压缩机这两种大型天然气压缩机组在天然气管道、储气系统得到广泛的应用。离心式压缩机机组以其能达到较大排量的特性，广泛用于干线输气管道。而往复式压缩机机组，虽然排量受到局限但是却能够轻松达到较高的压缩比，正是这个特性，如今很大部分地下储气库注气都采用了往复式压缩机组，如：陕京管道大港的多个储气库、西气东输的储气库等都使用了大型天然气发动机驱动的往复式压缩机组。
无论使用何种型号的压缩机组，都需要定期对它们进行维护。制造商和运行单位对此都有明确的要求。天然气发动机驱动的往复式压缩机组由于结构复杂故障率高等缺点更是需要定期维护维修。
下面以天然气往复式压缩机典型驱动机械卡特彼勒（caterpillar）G3600型天然气发动机为例，就天然气发动机顶部（缸头）大修间隔时间做出分析。
按照《caterpillar（卡特彼勒）操作和保养手册（G3600系列发动机）》的要求，G3600系列发动机大修理是分别按照顶部（缸头）、机体分步进行大修理的，顶部大修时间一般为发动机工作25000 h，每进行三次顶部大修理（内容包括：涡轮增压器，气缸盖等相关部分的大修）进行一次机体大修（内容包括：缸筒活塞；曲轴连杆机构；配气机构；以及冷却系统；润滑系统等相关部分大修）。
G3616型发动机部分参数如下：
发动机为单缸独立气缸头；
转速：900~1000 rpm；
燃料:天然气，根据燃料介质的不同可适当缩短大修理间隔时间；
气缸数：V 16缸；
每个缸的阀数：进气阀：2只；排气阀：2只；注气阀：1只；
气缸排量：339.3 L(20700cu in)；
缸径：300 mm(11.8inch)；
冲程：300 mm(11.8inch)；
压缩比：9.5：1；
压缩比：10.5：1（根据燃料气介质不同出厂前调整）；
燃烧方式：火花塞点火；
阀门间隙；
进气阀：0.5 mm(0.020inch)；
排气阀：1.27 mm(0.050inch)；
注气阀：0.64 mm(0.025inch)；
气门导管内径：16.03 mm；
气门杆直径：15.98 mm；
进排气门角度：20.25°；
气门导管与气门杆间隙：0.32 mm；
气门与气门座接触面的宽度：3 mm；
注气门导管内径：9.502 mm；
注气门杆直径：9.441 mm；
注气门导管与气门杆间隙：0.061 mm；
注气门角度：44.75；
气门头与缸盖平面最大深度：2.0 mm；
气门内弹簧；
测试受力长度：79.3 mm；
测试力：361±36 N；
测试后自由长度：107 mm；
气门外弹簧；
测试受力长度：84.9 mm；
测试力：758.9±76 N；
测试后自由长度：114.0 mm；
2006年9月，陕京管道榆林压气站和大港储气库使用的卡特彼勒（caterpillar）G3612型发动机/压缩机组和G3616型发动机/压缩机组都达到了《caterpillar（卡特彼勒）操作和保养手册（G3600系列发动机）》规定的运行25000 h发动机顶部大修理时间。我们对陕京输气管道榆林压气站和大港储气库等多台卡特皮勒（caterpillar）G3600系列机组顶部（缸头）进行了大修理工作。
经过多次拆解发动机的进排气系统、点火系统及配气机构等，未发现超出技术标准数据要求的情况。使用专用液压工具将16个气缸盖分别拆下分解清洗。对于两台涡轮增压器的维修是按照维护和保养手册要求进行积碳清理的；驱动端涡轮和被驱动端涡轮轴向以及径向间隙使用百分表检测及调整。涡轮增压器由于主被动涡轮是高速转动部件需要专业动平衡实验。经外委动平衡实验合格后，整体符合《caterpillar（卡特彼勒）操作和保养手册（G3600系列发动机）》规定的技术要求。
对于缸盖及安装在缸盖的各部件完全按照技术规范中的要求进行了检测，其结果分别为以下几方面。
目视检测缸盖进排气门其表面积存积碳呈浅褐大部分厚度在1mm左右，其活塞顶部稍厚；进排气门与气门座口的接触宽度在2.5~3mm之间；个别气缸上进排气门有少许麻点，经做密封试验无泄漏情况；汽缸盖平面的平整度完好；这说明了发动机气缸密封良好；
使用测量器具测量结果：L1至L8，R1至R8所有16个气缸64只进排气门与气门导管的间隙均在维护和保养手册要求之间（0.3~3.5mm）；各气缸内外气门弹簧自由长度相差极小且无断裂；按照技术手册测
试内外气门弹簧受力长度均能在内弹簧：361±36 N；外弹簧：758±76 N的范围内；对每个气缸盖逐个进行压力测试(测试压力：450 kPa)没有泄露。以上数据说明了气门弹簧状态良好；
G3600型燃气发动机是卡特彼勒（caterpillar）公司新型号低空燃比（空燃比在20:1左右）发动机其预燃室与缸盖有2 mm宽铜垫圈连接安装时需要仔细清除污物防止冷却水漏入气缸内。
在维修过的多台卡特彼勒（caterpillar）G3600系列发动机中发现此系列发动机机组整体质量可靠性非常好，在运行25000 h的第一次顶部大修内容中，配气机构中的气门摇臂轴与铜套的磨损；气门导管与气门杆之间的磨损；内外气门弹簧的长度，弹力变化值都很小，均在维护和保养手册中给定的配合间隙范围以内。在维修前对机油消耗值，检查气缸压力也都是在规定值（240~250 psi）以内。
笔者认为多台机组技术状况良好，与运行状况有极大关系。首先，G3600系列发动机工作转速在1000 rpm以下，机组的工作负荷比较恒定，且负荷相对较轻，没有冲击性负荷。其次，上游来的燃料气洁净且该发动机为低空燃比发动机，所以缸内积碳较少。再次，对于润滑油的使用，陕京管道机组运行部门也是严格按照卡特彼勒厂家维护和保养手册的建议使用的硫酸化灰比例在0.40~0.60百分比之间的大型天然气发动机机油。除此之外，还有一个重要原因也不能排除在外：运行单位严格按照维护和保养手册的规定进行了各级维护保养。
大修发动机 基于以上G3600机组的第一次发动机顶部大修理时各系统运行状况和各部分测量参数良好、配合间隙
适当的现状。建议延长Caterpillar厂家规定的运行25000 h发动机顶部大修的时间。在延长第一次顶部大修间隔时间运行过程中，在二、三级保养过程中检查测定气缸压力，以压力检测值为基础分析机组内部工作情况，并以此来判断是否需要缸头大修。使用工业内窥镜检查缸内的积碳积存情况以及进排气门的使用状况，确定是否需要清理积碳。
在国际发动机检测方面，有利用超声波检测来测定进排气门的密封技术的相关报道，我认为这样会使优良的大型往复式压缩机得到更合理的保养，在发挥更大使用效能的同时节省大量的维修资金。
参考文献
[1] caterpillar(卡特彼勒)操作和保养手册(G3600系列发动机)，美国， caterpillar(卡特彼勒)，2004.
[2] caterpillar(卡特彼勒)G3600系列发动机系统运行测试与调整，美国， caterpillar(卡特彼勒)，2004.
[3] 王新晴.内燃机修理[M].国防工业出版社，2008.
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