船舶主機缸套裂紋分析

摘要：通過分析燃油質量、油頭本身等技術原因和汽缸油調整不當、掃氣箱臟污等管理原因，指出產生裂紋的主要因素是局部熱疲勞，并對局部熱疲勞產生的機理進行分析，指出管理人員管理維護、操作不當也是產生故障的重要原因。

關鍵詞：主機缸套；裂紋；管理要點

1 故障現象

某輪主機型號為BW6S70MC，韓國船用柴油機廠制造。在船舶航行途中，某天主機NO3缸排煙溫度升高，冷卻水出口溫度升高，值班輪機員立即降低了主機轉速，同時加大了缸套冷卻器海水的流量，但是冷卻水出口溫度還是不變。當主機轉速降至50r/min，排氣溫度繼續上升，冷卻水出口溫度達76℃，煙囪有水霧噴出，值班輪機員立即通知輪機長，大管輪，同時通知駕駛臺停車。輪機長等下機艙檢查到NO3缸后部時，發現一道約10cm寬，自上而下的裂紋，經請示公司，立即更換了缸套，主機恢復正常運轉。

2故障原因分析

韓國現代船廠2007年造18萬噸級散裝船，主機型號為HYUNDAI-MAN BW 6S70MC，在任職期間內，該輪NO5、NO3兩個氣缸出現過主機缸套裂紋現象，且裂紋形狀與位置基本相似。

2.1機械負荷

機械負荷主要來自缸蓋安裝的預緊力與缸內高壓的氣體流動產生的機械應力，缸蓋上的鎖緊螺母按照說明書的要求，用液壓工具上緊，一般不會出現問題。再就是高壓氣體產生的機械應力，機械應力是高頻應力，與缸內的爆發壓力成正比；機械應力在剛套內會產生徑向的壓應力與切向的拉應力，主機超負荷運行，爆發壓力產生的切向拉應力就會超出缸套材質的屈服極限（材料一般抗壓不抗拉），進而導致缸套裂紋[1]。

根據上述分析，氣體力引起的機械應力與最高爆發壓力成正比，本船NO3缸發生裂紋，機械負荷過大就是原因之一。由于船舶污底嚴重，主機轉速一直控制在84RPM，同時加開鼓風機，排氣溫度達到400℃，致使主機超負荷，爆發壓力過高，這是造成此次缸套裂紋的主要原因。

2.2熱負荷

柴油機在正常的運轉中，噴油量是固定不變的，熱負荷基本是恒定的，但是由于冷卻水量不足或者冷卻水溫度高等，會使缸套的內表面溫度升高，降低材料的機械強度，產生裂紋。

NO3缸發生裂紋的另外一個原因就是熱負荷過大，經過查詢記錄，吊缸檢查，發現NO3缸已經使用4000多小時，第一道令已經磨去6mm，第二道令磨去4mm，而且彈性已經變差，致使缸套與活塞環密封變差，導致燃油泄漏，排溫過高，熱負荷過大，熱應力增加，產生缸套裂紋。

2.3熱應力

柴油機工作時缸套內表面受到燃燒氣體的加熱，而缸套的外表面受到水的冷卻，這樣缸套的內外表面就形成了溫度差，這個溫差形成缸套內外表面的徑向熱應力，熱應力與溫度差成正比。柴油機頻繁啟動、停止，缸套內外表面溫差惠發生變化，這與啟停次數、負荷加減有關。本船此次缸裂與柴油機加速太快，引起缸套內外表面溫差過大，產生過大熱應力[2]。

2.4缸套質量

本船原配缸套是瓦錫蘭的，但是修過之后現在不是原廠的，對比發現，現在的缸套與瓦錫蘭的相比冷卻鉆孔內絕緣管（為了削弱冷卻效果，減小熱應力）的長度短約短100mm，而且此部分位于缸套的頂部，這樣一來缸套頂部的熱應力就變大了[3]。同時非原廠的缸套質量與原廠的相比，在鑄造質量、材質方面還有一定的差距，也容易產生裂紋。

3.預防對策

3.1嚴格控制水溫的變化、定期化驗水質

正確控制缸套冷卻水溫度，是預防缸套產生裂紋的有效途徑。冷卻水溫度變化幅度過大以及水溫太低，都會增加缸套的熱應力，水溫過低也會加劇低溫腐蝕，所以，不論是停泊、變速、定速航行，都要對水溫進行合理的控制和調節，一般情況下水溫變化控制在3—5℃范圍，冷卻水進出口溫差一般不大于18℃。

同時要對水質定期進行化驗，嚴格控制冷卻水的各項指標，如果冷卻水處理不當，會導致局部結垢、腐蝕，也會造成局部過熱。

3.2 冷車暖缸要緩慢、正確操縱主機防止超負荷

可以采用分段提高冷卻水溫度的方法，對處在冷車狀態的主機進行暖缸。暖缸的速率要控制在冷卻水排量的10%以內。在時間來得及情況下，暖缸時間盡量延長，使暖缸溫度接近正常值，最好使暖缸溫度達到50℃以上再啟動主機，因為50℃水溫才可以抑制高溫腐蝕，這樣可以減小缸套表面的腐蝕磨損與熱應力。

正確控制主機，避免主機機械負荷和熱負荷過大，是防止缸套裂紋的重要措施。判斷當船舶在大風浪、狹窄水道、頂風頂流等外界負荷變化較大時，輪機人員要根據當時情況及時調整主機油門，避免主機超負荷。主機是否超負荷，一般用示功圖計算功率。

3.3保證燃油霧化質量、定期清掃掃氣道

保證燃油霧化質量，是減少缸套裂紋的重要途徑。根據燃油進機溫度，將燃油霧化時的粘度控制在說明書范圍內，霧化質量好，不僅可以降低缸套裂紋，還可以降低燃油的消耗。保證良好的燃燒質量，保證掃氣道和掃氣口的暢通是減少磨料磨損的有效措施。

3.4保證足夠掃氣壓力，合理控制掃氣溫度

掃氣空氣質量不足是缸套熱應力增大的一個原因，主機運行中，缸套處在一個溫度多變的環境下，所以在主機運轉過程中，要正確控制掃氣溫度，防止缸套上下部分和內外部分產生過大的溫差，掃氣溫度一般高于環境溫度3℃，控制在40℃以上最好。同時定期清洗廢氣渦輪、壓氣機、空氣濾器，掃氣箱定期放殘。

4 結束語

船上遇到缸套裂紋后，要冷靜分析原因，總之，不管是哪種情形下的裂紋，都要先觀察，然后根據現場情況冷靜判斷處理，將損失減少到最少。在保證海上安全的情況下，停車檢查處理，更換缸套是首選方案，平時做好缸套保養工作，避免裂紋產生，延長主機壽命，確保航行安全。

參考文獻：

[1]李玉根.BW長沖程柴油主機缸套裂紋與預防[J].航海技術.2011（3）：47-49

[2]滿一新.船機維修技術[M].大連：大連海事大學出版社，2006：34-37，142.

[3]黃少竹.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，2006：66-67.

[4]楊極，楊貴恒，張壽珍.內燃機氣缸套異常磨損機理及其預防對策研究[J].內燃機，2007（2）：15-18.

作者簡介：

張東方（1981--），男，工學碩士，講師，研究方向：輪機工程、船舶與海洋工程。

繆盛澤（1996-），男，南京林業大學機電學院，大三學生，研究方向：機械設計與制造。