機(jī)車(chē)?yán)鋮s水質(zhì)量分析

張國(guó)軍

（中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京機(jī)務(wù)段，北京 100010）

內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)冷卻水采用經(jīng)過(guò)凈化的軟水，以減少結(jié)垢、電化學(xué)腐蝕及氣泡穴蝕等弊病，同時(shí)可提高散熱效果、延長(zhǎng)機(jī)件的工作壽命。2020年，北京機(jī)務(wù)段漏水的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了機(jī)車(chē)質(zhì)量及運(yùn)用，根據(jù)段領(lǐng)導(dǎo)指示，對(duì)冷卻水的質(zhì)量進(jìn)行細(xì)致調(diào)查，緩解漏水問(wèn)題。

1 原因分析

1.1 機(jī)車(chē)?yán)鋮s水系統(tǒng)介紹

目前使用的柴油機(jī)一般采取的是半封閉式壓力循環(huán)的冷卻系統(tǒng)，分為高溫及低溫水系統(tǒng)。其中，高溫水系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)氣缸蓋、氣缸套、增壓器進(jìn)行冷卻，主要流經(jīng)柴油機(jī)機(jī)體水腔及增壓器水腔；低溫水系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)增壓器壓氣機(jī)吸進(jìn)來(lái)的增壓空氣及柴油機(jī)的潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻，流經(jīng)的部件有中冷器及機(jī)油熱交換器。

1.2 機(jī)車(chē)?yán)鋮s水系統(tǒng)的功能

在燃燒中，氣缸內(nèi)燃?xì)獾臏囟群芨?，處? 200～2 800 K（1 K=273.15+1 ℃），循環(huán)的平均溫度也有970～1 300 K，與高溫氣體接觸的機(jī)件將劇烈受熱，如果不及時(shí)解決高溫問(wèn)題，會(huì)造成內(nèi)燃機(jī)車(chē)功率下降，機(jī)件的磨損加劇、卡滯甚至損壞。為了保證柴油機(jī)的正常使用，必須對(duì)高溫部件進(jìn)行冷卻。

溫度過(guò)低會(huì)使燃燒室內(nèi)的柴油氧化效果降低，需要更多的柴油機(jī)提供機(jī)車(chē)所需的動(dòng)力，而且內(nèi)燃機(jī)凉的表面會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分，一些未完全燃燒的柴油會(huì)沿著氣缸壁流入油底殼，造成機(jī)油稀釋?zhuān)瑖?yán)重時(shí)會(huì)造成氣缸壁拉傷。

為保證內(nèi)燃機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及使用壽命，冷卻水系統(tǒng)起到很大的作用。所以，機(jī)車(chē)目前都使用配方水。其中，北京機(jī)務(wù)段使用的是3號(hào)配方水。

2 配方水介紹

我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車(chē)用冷卻水及其處理經(jīng)歷3個(gè)階段。

第一階段，采用軟化水加重鉻酸鉀、壓硝酸鈉等復(fù)合軟化防腐劑，防垢及防穴蝕效果良好，管系內(nèi)基本無(wú)水垢，且在金屬表面形成一層保護(hù)膜。但是，該冷卻液對(duì)機(jī)體有致癌性，會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，因此，在1972年左右停用。

第二階段，采用自來(lái)水加NL型乳化防銹油的冷卻液，操作簡(jiǎn)單，但使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)析油、析皂嚴(yán)重，缸套表面及管系內(nèi)沉積油泥，散熱器性能下降，缸套穴蝕，橡膠密封圈溶脹造成泄漏，且成本較高，因此，已于1986年停止使用。

目前，機(jī)車(chē)使用的冷卻水主要由中性水添加緩蝕劑制成，北京機(jī)務(wù)段使用的3號(hào)配方水的緩蝕劑的主要成分有硼砂、硅酸鈉、亞硝酸鈉、苯駢三氮唑，對(duì)機(jī)車(chē)防腐蝕起到一定作用。

硼砂也叫四硼酸鈉，常指四硼酸鈉的十水合物，即NaB4O7·10H2O，是一種pH緩蝕劑（pH≈9.0），對(duì)鐵有良好的緩蝕作用，主要以吸附性膜覆蓋陽(yáng)極表面，減緩金屬的電化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到緩蝕目的。

硅酸鹽是鋁和鋁合金的特效緩蝕劑，可以有效降低鋁泵發(fā)生氣穴腐蝕的概率，對(duì)鋼鐵和有色金屬有一定的防護(hù)作用，是一種沉淀膜型緩蝕劑（保護(hù)膜分為氧化膜、沉淀膜、吸附膜），對(duì)pH不敏感，在pH高或低時(shí)都能在多數(shù)黑色或者有色金屬表面形成較堅(jiān)硬的硅質(zhì)保護(hù)膜。當(dāng)硅膜厚度為200～500 μm時(shí)，對(duì)黑色和有色金屬均有良好的緩蝕作用。

亞硝酸鈉是氧化膜型緩蝕劑，具有良好的防止鑄鐵氣缸襯里點(diǎn)蝕性能，多用于重負(fù)荷冷卻液，為鈍化性和吸附性兼顧的陽(yáng)極型緩蝕劑，能減緩陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，由于亞硝酸根離子吸附在黑色金屬上并占據(jù)了晶格中最活潑的位置，降低了反應(yīng)強(qiáng)度，使金屬處于鈍化狀態(tài)，是鑄鐵、碳鋼的特效緩蝕劑。

苯駢三氮唑（C6H5N3）是鋼及其合金的良好緩蝕劑，不但可與這些金屬生成穩(wěn)定的絡(luò)合保護(hù)膜，減慢金屬腐蝕速度，還可以減少因銅腐蝕形成的銅離子在鑄鋁和焊錫及鋼鐵等金屬中二次析出而造成的電偶腐蝕。

2.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

在長(zhǎng)時(shí)間使用機(jī)車(chē)的過(guò)程中，機(jī)車(chē)漏水的故障率比較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年，北京機(jī)務(wù)段共更換冷卻單節(jié)105組，更換DF7型機(jī)車(chē)缸套37組。針對(duì)如此嚴(yán)重的漏水情況，北京機(jī)務(wù)段組織專(zhuān)業(yè)人員從源頭進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)冷卻水有大量不合格現(xiàn)象。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)月期間，北京機(jī)務(wù)段機(jī)車(chē)?yán)鋮s水不合格率達(dá)79.30%，不合格冷卻水出現(xiàn)硬度不合格20臺(tái)次，占比87.00%；總離子濃度不合格14臺(tái)次，占比61.00%；外觀不合格11臺(tái)次，占比48.00%，屬?lài)?yán)重異常情況。針對(duì)此現(xiàn)象，從制水環(huán)節(jié)至換水過(guò)程進(jìn)行深入調(diào)查，發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）制作環(huán)節(jié)：化驗(yàn)制水間制出的樣品存在不合格問(wèn)題。（2）換水環(huán)節(jié)：對(duì)一臺(tái)外觀檢查渾濁的機(jī)車(chē)進(jìn)行換水試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次換水后，該車(chē)的冷卻水才勉強(qiáng)清晰，經(jīng)過(guò)化驗(yàn)仍然不合格。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析

（1）現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)制水箱體內(nèi)有大量雜質(zhì)，且外部環(huán)境比較差，導(dǎo)致成品配方水混入雜質(zhì)，造成冷卻水不合格。

（2）根據(jù)實(shí)際情況中出現(xiàn)多次換水而冷卻水仍然不合格的問(wèn)題，北京機(jī)務(wù)段進(jìn)行了深入分析。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：DF11G型機(jī)車(chē)實(shí)際放水量約820 L，上水量約1 000 L，車(chē)上大約有280 L的不合格冷卻水無(wú)法放凈，DF7型機(jī)車(chē)實(shí)際放水量約550 L，實(shí)際水量約800 L。

無(wú)法放凈的原因如下：

①柴油機(jī)機(jī)體：包括缸套水腔、氣缸蓋、中冷器及部分管路無(wú)法排放干凈，原因?yàn)椋菏紫?，機(jī)體各個(gè)部件為不規(guī)則部件，放水時(shí)冷卻水肯定會(huì)有部分殘留；其次，柴油機(jī)機(jī)體缸套冷卻水腔在輸出端有兩根放水管，但是由于多次發(fā)生管路漏水問(wèn)題，按照《關(guān)于對(duì)280柴油機(jī)排水管改造的通知》（京技通[2012]23號(hào)）文件規(guī)定，已經(jīng)改為死堵，所以北京機(jī)務(wù)段配屬機(jī)車(chē)的柴油機(jī)沒(méi)有機(jī)體放水管，導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)冷卻水不能徹底放凈。

②冷卻夾角：由于內(nèi)燃機(jī)車(chē)的冷卻單節(jié)的走向?yàn)樯咝?，且冷卻夾角最底部沒(méi)有放水管，單節(jié)底部的水無(wú)法放凈。

③增壓器改型：由于前期280型柴油機(jī)所用VTC254-13型水冷增壓器已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)型為T(mén)PR56-F型油冷增壓器，水冷增壓器的排水管上部有排氣管，在上水及放水過(guò)程中可以充分排氣，更大程度地滿(mǎn)足上水及放水量要求。

（3）配件質(zhì)量問(wèn)題。目前，北京機(jī)務(wù)段漏水比較嚴(yán)重的是內(nèi)燃機(jī)車(chē)的冷卻單節(jié)及DF7型缸套。

首先，分析散熱器（冷卻單節(jié)）問(wèn)題。散熱器由上下鑄鋼連接箱、紫銅管板、散熱片及扁銅散熱器等組成。北京機(jī)務(wù)段積極與戚墅堰等廠(chǎng)家及大連通鐵公司進(jìn)行溝通，對(duì)3個(gè)泄漏的冷卻單節(jié)進(jìn)行切割檢查，發(fā)現(xiàn)冷卻單節(jié)的泄漏點(diǎn)均在高溫部分（DF11型機(jī)車(chē)單節(jié)為雙流道單節(jié)，外部的5排管路為中冷管路，內(nèi)部的3排管路為高溫管路）。冷卻單節(jié)的扁擴(kuò)圓處有明顯雜質(zhì)，其中還有一粒尖銳狀雜質(zhì)，經(jīng)分解發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)為泥沙混合物。根據(jù)對(duì)泄漏銅管的解剖，確認(rèn)是異物引起的電化學(xué)腐蝕泄漏。原因?yàn)楫愇锔街诠鼙谏?，?huì)造成沉積物下的金屬和沉積物形成氧濃差腐蝕原電池，導(dǎo)致局部管壁遭受腐蝕損傷。由于冷卻單節(jié)內(nèi)部散熱器為紫銅片，且3號(hào)配方水中的苯駢三氮唑主要負(fù)責(zé)保護(hù)銅穴蝕，經(jīng)過(guò)戚墅堰廠(chǎng)家的長(zhǎng)時(shí)間使用，發(fā)現(xiàn)3號(hào)配方冷卻液中黃銅保護(hù)劑苯駢三氮唑的濃度對(duì)銅管表面保護(hù)膜的形成非常重要，建議在緩蝕劑中提高該成分的濃度。

其次，分析DF7型缸套問(wèn)題。缸套分為干式及濕式兩種。其中，DF7型機(jī)車(chē)使用的是濕式氣缸套，內(nèi)層是氣缸套，與活塞、活塞環(huán)、氣缸蓋（缸頭）組合構(gòu)成燃燒室；外層是水套，厚度為7 mm（DF11缸套厚度為23～28 mm）。所以，在長(zhǎng)期穴蝕下，水套極易造成穴蝕漏水。柴油機(jī)工作時(shí)，水套內(nèi)冷卻水在活塞側(cè)壓力下產(chǎn)生高頻振動(dòng)，使冷卻水中的空氣或氣體均以氣泡形式分離出來(lái)，當(dāng)壓力和溫度升高到一定值時(shí)，這些氣泡發(fā)生崩潰（類(lèi)似爆破的形式），產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力波，猛烈沖擊和剝蝕水套內(nèi)壁。這一過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，使水套內(nèi)壁層產(chǎn)生疲勞剝落，久而久之產(chǎn)生蜂窩狀小孔，小孔擴(kuò)大、加深，直至破壞和穿透。采用分體冷卻的柴油機(jī)，由于內(nèi)層氣缸套與外層水套之間的水腔狹小，水溫升高快，水套內(nèi)壁形成的穴蝕更多，穴蝕程度更加明顯。

3 問(wèn)題整治及措施

（1）針對(duì)制水環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題，北京機(jī)務(wù)段及時(shí)清理制水及冷卻水的儲(chǔ)水罐，并要求每月定期進(jìn)行清理，保證內(nèi)部清潔，要求制水師傅在每次制水后將水樣送至化驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)，合格后才能正常上車(chē)使用；對(duì)于制水間儲(chǔ)水罐內(nèi)部的蒸汽加熱管路銹蝕殘缺問(wèn)題，北京機(jī)務(wù)段及時(shí)聯(lián)系設(shè)備部門(mén)進(jìn)行修理，經(jīng)過(guò)近一個(gè)月的整治，該問(wèn)題已經(jīng)解決。

（2）針對(duì)冷卻單節(jié)泄漏問(wèn)題，技術(shù)科積極與中車(chē)戚墅堰公司進(jìn)行溝通，統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)時(shí)間使用的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)提高苯駢三氮唑濃度的機(jī)車(chē)?yán)鋮s單節(jié)泄漏的比例遠(yuǎn)低于普通的3號(hào)配方水。所以，建議改進(jìn)3號(hào)配方水。

（3）針對(duì)DF7型缸套頻繁泄漏問(wèn)題，根據(jù)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析：自2020年1月開(kāi)始，共有19臺(tái)機(jī)車(chē)更換缸套45組次。其中，中修后機(jī)車(chē)15臺(tái)，共更換缸套34組次，大修后機(jī)車(chē)4臺(tái)，共更換11組次。

從數(shù)據(jù)分析，首先，中修后機(jī)車(chē)更換34組，大修后機(jī)車(chē)更換11組，可見(jiàn)中修工藝水平比較低。其次，缸套更換數(shù)據(jù)沒(méi)有重復(fù)，說(shuō)明缸套更換一次后可以維持一個(gè)中修；但是目前大修和中修的范圍要求只對(duì)缸套進(jìn)行檢查（穴蝕深度不超過(guò) 2 mm），配件不更新，造成配件沒(méi)有使用壽命管理，在使用過(guò)程中大量配件漏水，所以建議中修或者大修更新配件。

（4）自2016年開(kāi)始，北京機(jī)務(wù)段連續(xù)發(fā)生DF11G型機(jī)車(chē)大修回段后水箱漲水問(wèn)題，具體情況為：正常加水至水箱溢水管溢水后，關(guān)閉上水閥，啟動(dòng)柴油機(jī)，水位下降約1/4，提手柄至1 000 r/min時(shí)，水位下降至1/2以下，回手柄時(shí)水位恢復(fù)并從水箱溢水閥及水箱自動(dòng)排氣孔處溢水。此問(wèn)題反復(fù)試驗(yàn)多次發(fā)生，經(jīng)過(guò)對(duì)水箱的上水管及冷卻單節(jié)的拆解發(fā)現(xiàn)，水管路及單節(jié)內(nèi)部均有大量的水垢，導(dǎo)致上水時(shí)水位不是實(shí)水位。在柴油機(jī)啟動(dòng)、冷卻水開(kāi)始循環(huán)后，水位下降，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速減慢，機(jī)體內(nèi)部的水帶著未排凈的氣體循環(huán)到水箱內(nèi)，導(dǎo)致故障。根據(jù)此現(xiàn)象，北京機(jī)務(wù)段對(duì)準(zhǔn)備上水環(huán)節(jié)進(jìn)行了細(xì)化，要求在上水過(guò)程中將全部排氣閥打開(kāi)，當(dāng)水位至膨脹水箱的2/3位置時(shí)，啟動(dòng)柴油機(jī)，繼續(xù)上水至水箱溢水管出水，且保證冷卻期間排氣閥排水流暢無(wú)氣塞，將上水閥關(guān)閉。

4 結(jié)語(yǔ)

冷卻水是內(nèi)燃機(jī)車(chē)的主要冷卻媒介，通過(guò)冷卻保證柴油機(jī)的爆發(fā)、配件的質(zhì)量、機(jī)車(chē)的運(yùn)行等。經(jīng)過(guò)近一年的調(diào)查及整治，北京機(jī)務(wù)段2021年近半年的時(shí)間漏水問(wèn)題得到了明顯的改善，機(jī)車(chē)質(zhì)量得到了保證。