船用柴油機氣缸套穴蝕的成因及其預防措施

摘 要:缸套抗穴蝕能力的一些具體措施，并對船用柴油機氣缸套的設計、制造與維修提出一些建議，以延長氣缸套的使用壽命。

關鍵詞:用柴油機;氣缸套;穴蝕成因;預防措施

中圖分類號:TB

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)17-0349-01

船用柴油機的穴蝕是指柴油機運轉過程中，濕式氣缸套外圓表面冷卻壁上產生的不同于一般腐蝕和機械磨損的局部聚集小孔群腐蝕。

1 氣缸套穴蝕形成的主要原因

船用柴油機為提高冷卻效果，大多采用濕式氣缸套，閉式循環淡水冷卻，這種冷卻的特點是循環流動的冷卻水直接與高溫的濕式氣缸套外表面接觸而帶走熱量。造成氣缸套穴蝕的因素主要是氣缸套在活塞往復運動沖擊下產生的高頻振動和冷卻水攜帶的電解質。

1.1 氣缸套在活塞往復運動沖擊下產生的高頻振動

活塞在作往復運動的同時，還要受到側推力的作用，使活塞與缸套在橫向的貼合面不斷變化，造成活塞撞擊缸壁并引起缸壁的振動。

當活塞到達壓縮行程的上止點并繼而進行膨脹行程的同時，側推力的方向也隨即變化，并以極高的速度和能量撞擊缸壁，引起橫向振動。在活塞的撞擊下，缸壁先向外彎曲后又朝里回振，氣缸套在向外彎曲時，對周圍的冷卻水產生一個壓力波;當氣缸套朝里回振時，氣缸套外壁附近冷卻水的壓力急劇降低，壓力的降低會引起冷卻水中氣體的析出，形成氣泡，若壓力降低到該冷卻水溫度所對應的飽和蒸汽壓時，也會引起冷卻水汽化沸騰產生大量的汽泡。這些氣泡和汽泡附著在缸套表面，當氣缸套壁再次向外彎曲時，新形成的壓力波將擊破小氣泡，并使部分汽泡冷凝為水，當氣(汽)泡受到高壓沖擊而爆破時，就在破裂區附近產生高壓波，從而產生局部的液壓沖擊，使局部壓力和溫度急劇升高。在微小氣泡的中心區壓力可高達幾十兆帕，由于產生絕熱壓縮，其溫度可達幾百度。這種高壓波以極短的時間作用在很小的范圍內，對缸壁有強烈的破壞能力。這樣持續反復作用，促使材料疲勞，材料顆粒從缸套表面剝落下來，使缸套表面變得粗糙，出現蜂窩狀的小空群，造成穴蝕。

缸套振動能量的轉化、液體間摩擦和空泡破裂時產生大量的熱、缸套表面局部產生高溫使金屬達到熔化狀態以及高壓作用，造成金屬破壞，剝落后形成針孔。

1.2 冷卻水攜帶的電解質

船用柴油機循環冷卻水是未經處理的呈弱酸、弱堿或鹽溶質的弱電解質溶液，這些與金屬缸套外壁接觸的弱電解質溶液跟缸壁上的金屬和雜質(或碳)一起形成了無數的微小原電池。缸壁上的金屬顆粒為正極，雜質(或碳)為負極的原電池發生電化學反應，導致柴油機缸套電化學腐蝕。另外，在氣缸套與缸體的接觸處，由于水流緩慢，冷卻水的溫度較高，氧的溶解度較小，冷卻水中含氧濃度不同形成的氧濃差現象加速了柴油機缸套的電化學腐蝕。

2 穴蝕對柴油機所造成的影響

氣缸套穴蝕是船用中、高速柴油機普遍存在的嚴重問題。隨著柴油機的功率增加、強載度的提高和高速、輕型化，氣缸套穴蝕破壞就成為妨礙柴油機正常運轉的首要問題，嚴重地影響柴油機的工作可靠性和氣缸套的使用壽命。一般說來，船用中速和高速筒狀活塞式柴油機，特別是高速、輕型大功率柴油機，氣缸套存在不同程度的穴蝕。例如12V180、6150等高速柴油機，6300、6250等中速柴油機。有的柴油機投入運轉不久在氣缸外圓表面就出現穴蝕小孔，甚至柴油機運轉不足千小時就因缸套穴蝕穿孔而報廢，而此時缸套內圓表面尚未磨損。

3 在使用和維護中減少穴蝕的措施

3.1 降低氣缸套的振動

降低氣缸套的振動可有效地預防氣缸套的穴蝕。降低氣缸套振動的具體措施有以下四種:一要盡量減小活塞與氣缸套之間的間隙值。活塞撞擊缸壁的能量是由活塞橫擺時接觸缸壁瞬間的橫向速度與其質量所決定的，減小活塞與氣缸套之間的間隙可以大大降低撞擊時的速度和能量。二要盡量采用長活塞，以減小活塞橫擺時的傾角，減輕活塞橫擺時的傾倒，從而減小活塞的傾倒力拒，增加活塞與缸壁的接觸面積，顯著降低氣缸套的振動強度。三要增加缸套的壁厚和縮短缸套支撐間的跨距，以提高缸套的剛度。四要適當減小缸體與缸套之間的配合間隙，以減小缸套的振幅和振動頻率。

3.2 提高氣缸套抵抗穴蝕的能力

一要盡量采用金相組織嚴密、均勻且石墨形態好，含Gr，Mo等元素的多元合金鑄鐵或鍛鋼作氣缸套的材料。這些材料具有較高的機械性能、熱穩定性和抗化學腐蝕能力，能有效提高氣缸套抵抗穴蝕的能力。二要盡量降低缸套外壁的表面粗糙度，以減少缸壁表面凹痕處聚集的水蒸氣核心數量，減緩穴蝕產生的進程。三是在缸套外圓表面覆蓋保護層或強化層。采用鍍鉻、滲氮、噴陶瓷、涂環氧樹脂或涂尼龍等工藝使金屬表面與冷卻水隔開，或使缸套外圓表面強化，可有效地防止電化學腐蝕與穴蝕。

3.3 改進冷卻系統

改進柴油機冷卻系統使其有利于減緩氣缸套的穴蝕。一是要合理設計柴油機冷卻水腔，防止水流速度和冷卻水壓力發生突然的變化。柴油機設計時要求冷卻水腔內水流速度應小于2m/s，水腔寬度不小于10mm，各處均勻一致，水流暢通不形成死水區或渦流區。二是可以在冷卻水腔內安裝鋅塊，實施陰極保護，防止電化學腐蝕。三是使用經過處理的軟水，可減輕缸套的電化學腐蝕。四是在冷卻水中加入緩蝕劑，如乳化油緩蝕劑，可以在缸套外表面上形成一層較薄的連續保護膜，不僅可以防止電化學腐蝕，而且可以減輕氣泡破裂時的沖擊波對缸套的沖擊作用。五是盡量使冷卻水保持合適的溫度和必要的壓力。當柴油機的工作溫度為80-90℃、水壓為98-120kpa時，不易產生氣泡。

3.4 適當減小供油提前角

在保證動力性和經濟性的前提下，適當減小供油提前角，可減輕柴油機工作的粗暴程度，避免活塞側向撞擊力過大，從而保證柴油機平穩運轉。