Rolls Royce 4012型柴油機缸套穴蝕的分析

劉丹+朱萬武

摘 要：本文主要介紹了柴油機缸套穴蝕形成的主要原因及穴蝕的特征；從柴油機的工作工況、冷卻水系統及柴油機本身的結構部件闡述影響穴蝕的因素；對預防缸套穴蝕提出一些建議。

關鍵詞：柴油機；缸套穴蝕；孔洞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.052

1 概述

柴油機濕式缸套外壁與冷卻液接觸的表面被破壞成一些針狀的孔洞，這些孔洞逐漸擴大、加深，最后形成深孔或裂紋。相對應的，不同類別的柴油機所相對應的特征也是不同的，但是它們對于穴蝕卻有著一個共同的特點，那就是都是出現在側推力較大的一邊。Rolls Royce 4012型柴油機是大尼羅河石油有限公司某油田作業區內電站發電用的V型柴油機，缸徑325mm、沖程370mm，燃燒原油。在進行18000H大修時，發現柴油機12個缸套中有6個穴蝕嚴重如圖1、圖2所示。

大修前測量了100%負荷時各個缸的爆壓、排氣溫度，各缸爆壓和排氣溫度偏差很大，發動機的振動也非常大。檢修中發現高、低溫恒溫閥閥芯腐蝕嚴重。

2 缸套穴蝕的機理

對于柴油機壁面之上所產生的穴蝕，所產生的原因有很多，都是由各個方面不同的腐蝕而作用出來的結果。

2.1 高頻振動產生的空泡腐蝕

隨著活塞在運動之中不斷的變化，側推力也在不斷的進行著變化。每當活塞在進行撞擊的時候，氣缸的表面壁都會進行不同的方面改變，并且并不是一直都是往同一個方向進行改變，而是有著一定得規律的方面改變。首先氣缸的表面壁的方面為向外，當氣缸的表面壁向外改變的時候，使得壓力波的產生；接著氣缸的表面壁的方向為向里，這時候所附近的壓力有了下降，這就使得氣泡的產生。當這時候壓力進行了大規模的下降，下降到了一定程度的時候，所產生的氣泡會大量的在氣缸的表面壁殘留。而當氣缸的表面壁是繼續重復之前的向外改變的時候，又會有新的壓力波產生，這些產生的新壓力波，會將之前產生的氣泡慢慢擊破，使得氣泡又重新的變成水。而這些氣泡在被新壓力波擊破而變為水的時候，會使得一部分溫度猛然升高，從而造成一部分的高溫和高氣壓。由此我們可以得到結論，這種在很短的作用力之下產生的高壓波并不能夠使得大范圍受到傷害。僅僅只是因為氣溫驟然升高，而產生的高溫氣壓，是并沒有很大的作用力。因此只能夠增加使用次數，多次使用才能夠使得氣缸的表面壁出現我們所需要的穴蝕。

2.2 電化學腐蝕

任何種類的水中，都含有一定的雜質，并不是百分百無雜質。而冷卻水中也含有很多的雜質。在這些雜質的存在下，就會受到化學反應的不同程度的腐蝕。缸套一般由鐵和石墨組成的鑄鋼制成，發電化學反應時，電極會發生不同程度的反應，通過失去或者得到電子的多少，從而形成了陽極和陰極兩個電極。而這些因為化學反應而受到的不同程度的腐蝕，不僅僅和冷卻水中的雜質有聯系，同時也有著其他的影響因素。比如說水溫以及等等其他的因素。

3 柴油機穴蝕產生的因素

3.1 缸套材質

氣缸的套子，并不是有一般的普通材料而制作而成的，而是由特質的特殊材料制作而成的。這一特殊材料主要包括了機械性很低的石墨以及鐵組成，為了彌補石墨這一材料本身所帶有的缺陷，所以還使用鑄鋼這一特殊材料來進行搭配。正是因為鑄鋼這一材料在石墨的縫隙之中所產生的作用，而使得石墨能夠將作用力更加集中地使用出來。而另一方面，為了能夠使得氣缸的套子達到一定的高溫狀態，這就十分容易造成氣缸的被破壞，從而針孔才會出現。

3.2 活塞、缸套的結構形式

活塞在氣缸之中也是十分重要的，也會產生十分重要的影響。而活塞于氣缸的接觸，也對氣缸的套子產生著一定的作用。當活塞的長短有著一定的變化的時候，氣缸之中的震動也會隨之而降低。這就告訴我們，活塞的長度要合理適當。而另一個影響震動的原因，就是氣缸的套子的厚度，震動的次數會隨著缸壁的增厚而明顯下降。但是氣缸的表面壁也不能夠十分厚重，這樣也會造成不良的后果。由此我們可以得出結論，缸壁的厚度為0.06D（D為氣缸的直徑）。

3.3 活塞與缸套之間的配合間隙

對于活塞以及氣缸的套子之間，也是有著一定的聯系。活塞所產生的沖擊力，也是有著一定外在因素所決定的，而活塞所產生的沖擊力越大的時候，那么氣缸的表面壁，就十分容易產生穴蝕。

3.4 缸套的支承形式和止口的配合間隙

氣缸套與機架接兩觸點之間的距離越大，活塞運動使缸套產生的振動也越大。氣缸套與機架之間的安裝配合間隙也是氣缸產生穴蝕的因數。一般情況下，缸套安裝在機架中的變形量不超過設計數值極限，缸套與機架之間的安裝間隙盡量取小值。這樣就可以減少缸套的振動和空泡腐蝕。

3.5 冷卻水系統冷卻方式和冷卻水溫度

冷卻水的溫度也對氣缸的套子之中的穴蝕有著一定的影響。通過大量的調查研究，我們可以得出，最適合的溫度是在四十攝氏度到六十攝氏度之間。而當不是在這個溫度范圍之中的時候，隨著冷卻水溫度升高穴蝕程度增加，在此之間，我們可以知道，穴蝕最嚴重。而超過這個范圍之后，穴蝕的嚴重程度也會隨著溫度的變化而產生變化，當溫度到達沸點時，缸套壁面處產生過多的蒸汽泡將嚴重影響熱的傳遞。冷卻水溫度太低會引起燃燒不良、積碳、燃油消耗增加。開式冷卻中的海水作為冷媒直接接觸缸套表面，很容易產生電化腐蝕和化學腐蝕。閉式冷卻系統中冷卻水中添加防腐的添加劑是十分重要的。

3.6 冷卻水腔的容量和布置形式

冷卻水的設置十分重要，不論是夾層還是水腔。如果冷卻水的設計不夠合理完善，那么會造成不同程度上的后果，從而使得穴蝕的出現。

3.7 柴油機的負荷及轉速

柴油機不同的改變，都會使得氣缸的內部條件因素而發生隨之變化而產生的變化。而這些隨之產生的變化，正是使得氣缸的套子之中產出的穴蝕變的十分復雜。這些穴蝕并不會僅僅只是停留在原貌，而是會隨著活塞沖擊氣缸的套子，而隨之產生相對應的增加。

4 防止缸套穴蝕的措施

①大尼羅河石油有限公司某油田作業區內電站發電用的Rolls Royce 4012型柴油機是定速發電用機，通過現場試驗監測到的振動數據，柴油機負荷在75%及以下運行時，隨著負荷的增大，振動增大不是很明顯，當負荷達到80%時及以上時，柴油機的振動明顯加大，考慮到負荷增大缸套穴蝕的加劇，將柴油機的負荷控制在75%以下負荷運行；②根據維修前現場測得的爆壓數值和排氣溫度數據，各缸的排氣溫度和爆壓相差較大，各缸的負荷不均勻，通過調整柴油機的各缸的高壓油泵的噴油定時，使各缸的排氣溫度和爆壓均勻，提高原油進機的溫度，定期更換噴油器的噴油嘴，改善燃油的霧化狀況，通過上述方式使柴油機降獲得較柔和的工作過程，從而降低缸套的振動強度，減少穴蝕的損壞；③選用新型材料或在缸套外壁鍍鉻、滲氮、涂陶瓷材料，以提高材料抗穴蝕能力；④控制油、水溫度，不使油、水工作溫度過低，以保證活塞與缸套有合適的配合間隙；⑤在冷卻水腔中安鋅塊的目的是為了實施陰極保護，防止電化學腐蝕。⑥由于該型柴油機每個缸套下面都有一個可拆裝的缸套附件與機架通過螺絲連接在一起，如果安裝質量不好，會造成活塞銷軸線相對活塞中心線的偏移量加大，嚴重時缸套附件與機架連接處漏水，在維修安裝時控制好缸套附件的安裝質量，保證活塞的側推力只是處在適合的位置，由此而進行改變，從而延長缸套穴蝕的時間。⑦在柴油機到膨脹水箱的管路中加節流板，排除缸套中的氣泡，定期維修高溫水恒溫閥，保證缸套內水的溫度在75～90℃之間，使用清潔的軟水，及時清除活塞與缸套間的水垢，避免水道變窄，在冷卻水中加水添加劑，添加劑能在氣缸的表面壁產生一層薄膜來進行氣缸的安全保護作用，這就很好的做到了防御各種腐蝕方式的腐蝕。

參考文獻：

[1]劉彥輝.柴油機缸套穴蝕問題的探討[J].腐蝕與防護，2011.

[2]席敬波，周烈，魯大鵬.船舶柴油機缸套穴蝕產生原因分析及預防措施[J].科協論壇，2009（01）：12.

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