艦船發動機缸套穴蝕的分析

王 豪，馬凱文，王源升，王 軒，楊洪波

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢 430033)

穴蝕是一種常見的艦船材料腐蝕形式，對艦船部件造成極大破壞，導致部件功能下降，嚴重影響艦船的行駛安全，在一定程度上制約了艦船的戰斗性能。穴蝕現象一般發生在艦船發動機缸套以及接觸高速水流的船體、舵葉、美人架、冷卻鋼套等部件。由于艦船發動機缸套長期處于復雜多變的工作環境，因此更容易產生穴蝕。本文圍繞如何提高發動機缸套的抗穴蝕性能進行全面綜述，并對發動機缸套穴蝕研究做出評價。

1 穴蝕機理

穴蝕現象主要是由流體運動過程中氣泡形成與潰滅循環時產生的沖擊波和微射流引起的。其產生過程大致可以分為2個階段:首先流體流速增加引起局部壓力下降，當壓力低于流體飽和蒸汽壓，液體迅速汽化并形成低壓氣泡，大量氣泡隨液流一起運動;當氣泡到達壓力超過飽和蒸汽壓的區域時，蒸汽重新凝結，氣泡潰滅，同時產生幾十到幾百兆帕的沖擊波或速度達1 000 m/s的微射流并伴有聲響，使部件表面產生凹坑。

2 發動機缸套穴蝕

發動機缸套穴蝕包括空泡穴蝕、電化學腐蝕、化學腐蝕、縫隙腐蝕等腐蝕形式。缸套穴蝕有7種形狀 (深窄形、橢圓形、寬淺形、底切形、水平形、垂直形、深寬形)、3種程度 (輕微穴蝕、劇烈穴蝕、損毀性穴蝕)。主要集中在發動機左右側，缸套主軸承側推下支撐密封圈附近以及冷卻液進口、水流變向和水腔變窄處。其形式和原因在國際上尚無統一定論，但空泡穴蝕是公認的發動機汽缸套主要穴蝕形式之一。目前艦船多使用柴油發動機，因此研究柴油機缸套穴蝕具有代表性意義，本文發動機均指柴油機。

2.1 發動機缸套穴蝕機理

發動機工作時，活塞周期性運動產生周期性側推力引起缸套高頻振動，缸套外壁水腔中冷卻液呈現周期性膨脹與壓縮，伴隨高頻振動下氣泡反復的產生與潰滅，缸套發生穴蝕。這種運動引起的穴蝕就是空泡穴蝕。

此外，缸套面臨著復雜的物理化學工作環境，其穴蝕形式更加復雜。在溫度梯度、冷卻液性質、局部應力差等因素的作用下，缸套極易產生電化學腐蝕和化學腐蝕，缸套縫隙也易受冷卻液作用產生縫隙穴蝕［1］。此外，與空泡穴蝕關聯很大的沖刷腐蝕也是一種重要穴蝕形式［2］。

由此可見，發動機缸套穴蝕是極其復雜的過程:活塞周期性振動作用下，空泡穴蝕使缸套疲勞破壞，而電化學腐蝕、化學腐蝕、縫隙腐蝕、沖刷腐蝕等使穴蝕作用加劇。缸套穴蝕是一系列腐蝕作用相互影響、相互作用的結果。

2.2 影響發動機缸套穴蝕因素

2.2.1 缸套振動

1)活塞與缸套的配合間隙。活塞與缸套配合間隙影響活塞橫擺產生的沖擊能量，活塞橫向沖擊缸套的能量與橫擺加速度有關:配合間隙增大，橫擺加速度增大，缸套振動強度增大，引起冷卻液的壓力和形狀變化，形成空泡穴蝕，使缸套金屬疲勞腐蝕。

2)活塞結構。活塞結構對缸套撞擊的影響因素主要體現在活塞長徑比和活塞裙部長度與型線上。活塞長徑比越大，活塞不易傾斜，對缸套的撞擊越小;活塞裙部結構不合理，與頭部結構不協調，會造成缸套劇烈振動。

3)缸套剛度。缸套剛度受壁厚影響，壁厚增加，缸套自振頻率隨之提高，但如果壁厚過分增加會帶來增重、散熱性差等問題。

缸套剛度也受支撐形式影響，缸套一般采用“懸壁支撐”方式:上止口臺肩處與缸體配合支撐，下止口處用橡膠密封圈密封。一般來說，上下支撐跨度越大，缸套振動越強烈。此外，上下止口縫隙處極易產生強烈振動，縫隙過大或過小均易產生穴蝕。

4)使用工況。發動機轉速負荷變化，引起側推力、工作溫度、氣體壓力等因素改變并影響缸壁振動:低負荷運轉，缸套振動強度隨負荷增大而減小;超負荷運轉，缸套振動強度隨著負荷增大而很明顯增大。發動機工作過程最高燃燒壓力和壓力升高比均很大，粗暴工作會造成冷卻水溫度和壓力變化，加劇缸套穴蝕。

2.2.2 缸套材料

穴蝕主要發生在深度回火區域，起源于石墨露頭處，沿著石墨向缸套內壁擴展，當遇見碳化物時，繞過碳化物繼續向內壁擴展［3］。目前除高速大功率柴油機外，絕大部分柴油機缸套使用鑄鐵材料制作，鑄鐵缸套中石墨最易穴蝕，而球狀或分枝少的團絮狀石墨耐蝕性最好，珠光體比鐵素體更耐穴蝕。考慮到空泡潰滅機理，從某種意義上來說，金屬抗形變能力與抗穴蝕性能有關。

2.2.3 冷卻系統構造

1)水腔結構。冷卻水腔構造不合理，存在渦流區、滯流區和局部狹窄區，使得冷卻效果不佳，易產生局部高溫，導致缸套穴蝕明顯。此外，渦流區的存在使水沖擊缸套，加速穴蝕。

冷卻水腔設計要求冷卻液流速在一定范圍保持穩定，流速過快會加劇穴蝕的產生。

2)水腔厚度。受發動機結構限制，水套設計厚度較薄，冷卻液可壓縮性變小，產生的空泡不易被冷卻液吸收。另一方面，水套狹窄處溫度較高，缸套穴蝕明顯。

3)冷卻方式。開式冷卻系統直接用海水作為冷卻介質，為防止結垢，溫度一般控制在50～55℃范圍內，這一溫區有利于穴蝕發展。閉式冷卻系統用冷卻液作為冷卻介質，海水給冷卻液降溫。因此，閉式冷卻系統冷卻液的性質深刻影響缸套抗穴蝕性能。

2.2.4 冷卻液理化性質

1)溫度與壓力。冷卻液溫度是空泡形成的重要因素。實驗表明，鋼鐵和鋁等金屬材料在淡水溫度50～60℃時穴蝕嚴重［4］，隨著水溫升高，穴蝕破壞減輕。當水溫超過90℃時，穴蝕現象加劇。

冷卻液壓力與冷卻系統構造關系較大，較高壓力可抑制空泡形成，但過高壓力會造成溫度升高到高熱區加劇穴蝕。當水套空間變窄時，冷卻液流速加快、壓力減小，容易產生空泡，空泡在高壓區破裂，產生穴蝕。

2)水質。冷卻液中的溶解物一般由無機鹽離子和有機添加劑 (防凍劑、防穴蝕劑)構成，溶解物深刻影響冷卻液性能。無機鹽離子會造成缸套電化學腐蝕等一系列微觀腐蝕，水中溶解物濃度過高使冷卻水硬化，容易產生空泡。硬化的冷卻水會結垢沉積，使水腔變窄，水垢也會在復雜溫度梯度和無機鹽離子等原因作用下發生變化促進穴蝕。

3)冷卻液溶解氣體。冷卻液中溶解有部分氣體，其中部分氧化性氣體會促進缸套穴蝕，氧氣是影響較大的溶解性氣體，易引起縫隙腐蝕［1］。此外，冷卻液各處溫度不同，溶解氧濃度不同，極易形成濃差電池。

2.3 發動機缸套穴蝕預防措施

2.3.1 減輕缸套振動

1)改進活塞裝配。活塞與缸套配合間隙的選取應保證活塞工作處于最大膨脹狀態的最小間隙。良好缸套尺寸、形狀精度、珩磨網紋質量會保持穩定油膜，減輕缸套振動。增大活塞長徑比、優化活塞裙部結構，有助于減小缸套振動，適當使活塞銷偏置，也能有效控制缸套振動。

此外，改善曲軸平衡，提高活塞連桿組裝配質量，避免傾斜、偏缸等不當裝配，適當減小供油提前角，減輕活塞對缸套的側向撞擊。

2)增加缸套剛度。適當增加缸套壁厚，采用不等厚缸壁結構，有利于增加剛度，減少缸套振動。現代柴油機結構日益緊湊，壁厚有減小趨勢［5］，因此采用不等厚缸壁結構比較合理。

在考慮冷卻水腔的基礎上優化支撐形式，縮小上下止口跨距，也可以采用增加輔助支撐方式提高缸套剛度。適當減小上下止口處縫隙，確保缸套不會失圓變形，也可以使用適合的缸套定位環帶與機體配合，或者裝橡膠密封圈以減輕缸套振動。

3)保持良好工況。控制發動機工作負荷，避免長時間處于低負荷或超負荷工作;選擇油品好的潤滑油和柴油，避免發動機粗暴工作;精確調整噴油器供油行程，使各缸噴油量均勻，減小各缸互相干涉，減輕整機復合振動。

2.3.2 提高缸套材料抗穴蝕性能

1)增強材料抗穴蝕性。改變缸套傳統鑄鐵材質，使用形態好、金相組織均勻致密的多元合金鑄鐵材質，如:采用耐穴蝕性能好的銅合金以及石墨梯度分布的貝氏體缸套對鑄鐵材料加工工藝進行改進。此外，還可以提高鑄鐵材料密度使穴蝕破壞強度下降。

2)改進缸套外表面性質。穴蝕總是始于缸套外表面，因此外表面穴蝕對缸套壽命影響較大［6］。采用鍍鉻、滲氮、磷化、淬火等熱處理方式，等離子束快速熔凝技術、激光束處理技術、多元共滲技術、拋光擠壓表面技術，陶瓷等材料作為鍍層等方法，均能提高缸套表面光潔度，生成表面強化層，改善缸套外表面性能，減少穴蝕。

3)在缸套外壁涂敷保護層或強化層。在缸套外壁涂敷膠黏劑涂料作為保護層或強化層，可有效隔絕冷卻液，塑性吸收空泡沖擊，提升缸套抗穴蝕能力。環氧酚醛樹脂、氯丁橡膠、人造樹脂、尼龍等材料都是常用的膠黏劑涂料，此外還有HGCR多功能防穴蝕涂料。

4)采用電化學方法防穴蝕。采用外加電流陰極保護法抑制鑄鐵穴蝕，其防蝕效果與穴蝕中電化學腐蝕所占比重有關。郭玉山等人探究了采用外加電流陰極保護法抑制鑄鐵穴蝕的機理和保護效果，實驗結果表明，保護電位對穴蝕的防護機理是通過極化作用來抑制金屬試件的電化學腐蝕，與此同時，保護電位也會使金屬試件表面產生氫氣，形成“氫氣墊”保護金屬試件。穴蝕初期存在最大保護電位使得試件保護率最大化，穴蝕中后期電位越負保護率越高。

2.3.3 優化冷卻系統構造

合理設計冷卻水腔結構，減小消除渦流區、滯流區和局部狹窄區，采用切向進水結構，避免對缸套造成直接沖擊，產生空泡。

合理設計冷卻水腔壁厚，一般來說直接鑄造形成的水腔要比加工的水腔厚一些，應防止冷卻水腔寬度小于10 mm，必要情況下及時清除水垢，避免冷卻水腔變窄。

防止空氣從水泵進水口側進入冷卻系統，保持冷卻系統密封，必要時應設置除氣功能。閉式冷卻系統應充分考慮到海水滲漏到冷卻液的可能。

采用切向導流裝置或帶螺旋形水套體，控制冷卻液流向，使冷卻液沿缸套外壁切線方向通暢地螺旋上升，以免冷卻水方向突變。

2.3.4 改善冷卻液使用性能

1)控制冷卻液溫度與壓力。控制冷卻液溫度，避開溫熱區、高熱區。閉式冷卻系統一般控制在80～95℃。壓力上升有助于防止穴蝕發生。

2)改進冷卻液特性。

(1)添加無機緩蝕劑:以亞硝酸鹽和硼酸鹽為主要成分，亞硝酸鹽具有防銹、防垢雙重作用;硼酸鹽可提高冷卻液pH值，有利于保護膜的形成。

(2)添加乳化防銹油:一般由有機防銹添加劑、乳化劑和基礎油3部分組成，使缸套表面生成油膜，具有潤滑、隔絕、減振作用，常用NL型，通常添加量為淡水量的0.75%。

(3)添加輔助添加劑 (如SCA，又稱DCA添加劑):將缸套、水套壁上組織較疏松的鐵銹(Fe2O3、Fe3O4與水的結合物)轉化為致密的Fe3O5;此外針對重負荷發動機，可使用高級有機酸型冷卻液、緩蝕阻垢劑HH－36等添加劑。

(4)添加防蝕劑 (如乳化劑):降低表面張力，減少空泡穴蝕;降低導電性，減少電化學腐蝕。

(5)采用軟水、凈化水可減輕穴蝕:硬度超過2.5 mg/L當量時，就有生成水垢的危險，冷卻液硬度一般控制在0.2 mg/L當量以下，軟水的穴蝕速度比硬水慢幾十倍。

2.4 發動機缸套穴蝕處理方法

對于穴蝕不太嚴重的缸套，可以采取轉位法，使缸套相對原來位置旋轉一定角度后繼續安裝使用。不同機型、不同穴蝕程度旋轉角度不同。對穴蝕部位也可以采取電焊修復法。但電焊修復容易使補焊部位產生形變且操作復雜，對于某些缸套結構實施困難。為克服傳統鑄鐵焊修復方法的不利因素，可采用膠黏劑修補法。常用膠黏劑有氯丁橡膠、聚苯乙烯、環氧樹脂填料和聚氯乙烯等。此外，還可采取熱固性塑料修補、金屬噴涂修補、等離子電弧噴涂等方法進行修補。

3 發動機缸套穴蝕的數值計算分析

發動機缸套的流體力學數值計算分析是一種重要的穴蝕研究方法。杜慧勇［4］等利用計算流體力學 (CFD)對發動機缸套的穴蝕進行強度和表征分析。在引發發動機缸套穴蝕的壁面振動條件下，通過對不同的入口流速、流場溫度下冷卻水套內部流體流動特性及空化特性的三維模型構建來達到模擬發動機缸套穴蝕。穴蝕試驗證明，該三維模型有效。寧寧［7］等也采用了相同的三維模型構建的方法對發動機缸套穴蝕進行模擬，依據這一模擬結果解釋了穴蝕產生的原因，并提出了預防措施。這一研究方法通過建立三維模型模擬穴蝕條件進行計算表征，有效地改進了單維、靜態的傳統穴蝕研究方法，從多維、動態的角度對發動機缸套的穴蝕進行了較為全面的解釋。模型計算的結果與實驗條件吻合，說明該種模型準確有效。

4 結束語

艦船發動機缸套的穴蝕是一個復雜的物理化學過程，對穴蝕的評價和預防處理還存在著較大的探索和研究空間。艦船部件運轉過程以及其穴蝕機理的復雜性制約著穴蝕的研究。目前，關于穴蝕的研究還存在以下2個需要進一步解決的問題。

1)從穴蝕的發生機理上看，穴蝕是以空泡穴蝕為主，電化學腐蝕、化學腐蝕等穴蝕形式為補充的一種腐蝕。現階段對穴蝕的研究以空泡穴蝕為主，沒有構建起綜合各種穴蝕形式的研究，微觀層面對各種穴蝕形式相互關聯的研究還沒有展開。

2)從穴蝕的表征手段來看，處于工作狀態的發動機很難作為檢測和表征穴蝕的儀器，實驗室主要是通過超聲磁致伸縮裝置引發空泡穴蝕，進而觀察穴蝕部件的失重和表面小孔性質來表征穴蝕。這一單維、靜態的表征手段無法準確地反映出在艦船發動機缸套多維、動態的復雜工作條件下材料的抗穴蝕性能，制約著對防穴蝕材料性能的評價。

針對穴蝕研究存在的上述2方面問題，如何提出新技術、新方法對現有的研究手段進行改進顯得尤為迫切。采用流體力學計算模型模擬等研究方法動態表征穴蝕過程是當前一種較為新穎的研究方法，未來穴蝕的研究手段將會在單維、靜態的基礎上，逐步向著多維、動態的方向發展。