往復(fù)式發(fā)動機(jī)氣蝕問題淺析

吳振宙 林煥明 梁旻 趙凱峰 譚洪偉 廖志文 全光上

摘要：對于往復(fù)式發(fā)動機(jī)而言，氣蝕是一個較常見的現(xiàn)象，氣蝕通常發(fā)生在發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)的相關(guān)組件表面。氣蝕會對我們的設(shè)備產(chǎn)生不同程度的負(fù)面影響，氣蝕無法完全避免。我們需要做的是接受它的存在并且熟悉它，了解他的產(chǎn)生機(jī)制以及預(yù)防措施，從而使得我們的設(shè)備在運(yùn)營周期內(nèi)盡量減少因氣蝕而造成的損失。本文將結(jié)合瓦克夏 275GL+發(fā)動機(jī)的實(shí)際案例，對氣蝕的定義、產(chǎn)生原因、表現(xiàn)特征、氣蝕的危害、氣蝕的預(yù)防以及一些現(xiàn)場的整改方案等進(jìn)行分析與梳理。

關(guān)鍵詞：往復(fù)式發(fā)動機(jī);氣蝕;流體;振動;壓力;金屬疲勞

引言：

中石油某壓氣站投產(chǎn)八年有余，壓縮機(jī)組累計運(yùn)行已超過30000小時。在壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)營過程中，動力端設(shè)備瓦克夏275GL+發(fā)動機(jī)出現(xiàn)過多次因發(fā)動機(jī)內(nèi)部零件失效損壞而引起的故障。雖然發(fā)動機(jī)顯示出了不同故障現(xiàn)象：如排煙管冒白煙、氣缸缸溫低不點(diǎn)火、膨脹水箱水位上漲等等，但經(jīng)過檢查最終發(fā)現(xiàn)這些故障現(xiàn)象背后都存在著相同的根源：氣蝕（Cavitation）。

1、氣蝕的定義

氣蝕（Cavitation）又稱空蝕，是固體表面與液體在持續(xù)性的相對運(yùn)動過程中，因金屬材料疲勞所產(chǎn)生的表面損傷，液體在高速流動和壓力變化條件下，與液體接觸的金屬表面上發(fā)生穴狀腐蝕破壞的現(xiàn)象。

當(dāng)液體在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸汽壓力時，將在固體表面附近形成氣泡。另外，溶解在液體中的氣體也可能析出而形成氣泡。隨后，當(dāng)氣泡流動到液體壓力超過氣泡壓力的地方時，氣泡便潰滅，氣泡潰滅瞬間會對金屬表面產(chǎn)生巨大沖擊力（如右圖所示），實(shí)驗表明這種沖擊力可高達(dá)60000-200000 psi。固體表面長期經(jīng)受這種沖擊力的反復(fù)作用，材料發(fā)生疲勞、脫落、表面出現(xiàn)小凹坑，進(jìn)而發(fā)展成海綿狀，嚴(yán)重時其實(shí)可在表面形成大片的凹坑。

氣蝕在機(jī)械行業(yè)是一種非常常見的物理現(xiàn)象，通常發(fā)生在冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)中，如水泵零件、水輪機(jī)葉片和船舶螺旋槳等表面。

2、氣蝕的特征及危害

2.1氣蝕的特征

汽蝕初期，表現(xiàn)為金屬表面出現(xiàn)麻點(diǎn)，繼而表面呈現(xiàn)海綿狀、溝槽狀、蜂窩狀、魚鱗狀等痕跡;嚴(yán)重時可造成金屬表面穿孔、甚至葉輪破裂，釀成嚴(yán)重事故。許多研究結(jié)果表明氣蝕表面產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，氣泡爆破時流體的微射流沖擊使材料表面產(chǎn)生氣蝕針孔，隨后在針孔壁處萌生裂紋，裂紋以疲勞方式向內(nèi)部擴(kuò)展，最后趨于平行表面方向擴(kuò)展，當(dāng)幾個裂紋相連按時造成表層小塊剝落，上述過程反復(fù)進(jìn)行，使表層材料不斷剝落。氣蝕微觀表面凹凸不平，布滿氣蝕坑及裂紋，宏觀呈海綿狀形貌，有時產(chǎn)生針孔和麻點(diǎn)等。掃描電鏡下有時可觀察到疲勞輝紋，由此，氣蝕被認(rèn)為是一種疲勞破壞，而疲勞輝紋是疲勞斷裂的重要特征。

2.2氣蝕的危害

2.2.1、降低系統(tǒng)性能。

汽蝕的葉輪會使泵的流量、揚(yáng)程和效率明顯下降，進(jìn)而造成發(fā)動機(jī)高溫等問題

2.2.2、損壞部件。

當(dāng)氣蝕發(fā)生在金屬密封面時，會使得密封部件失效，造成缸頭、缸套、缸體等部件泄漏;在潤滑系統(tǒng)中可能使曲軸的軸瓦表面出現(xiàn)脫層等問題。若不能及時發(fā)現(xiàn)可能會造成更嚴(yán)重的次生損壞，如機(jī)油乳化失效、發(fā)動機(jī)頂缸、甚至發(fā)動機(jī)抱瓦等嚴(yán)重后果。

2.2.3、產(chǎn)生噪音及振動

氣泡潰滅時，液體質(zhì)點(diǎn)互相撞擊，同時也撞擊金屬表面，產(chǎn)生各種頻率的噪聲，同時引起機(jī)組振動，嚴(yán)重時可能引起機(jī)組共振。

2.3氣蝕案例

2.3.1 圖2、圖3、圖4是往復(fù)式發(fā)動機(jī)較常見的幾種氣蝕損傷示例

2.3.2 瓦克夏275GL+氣蝕案例

在中石油某壓氣站的實(shí)際案例中，由于瓦克夏275GL+發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的特性，目前發(fā)現(xiàn)的氣蝕問題主要在集中在缸頭沉孔與火花塞外襯套所接觸的密封面，如圖5所示：火花塞襯套外部為夾套水冷卻腔室，該接觸面靠金屬墊片與缸頭沉孔密封，安裝時涂抹密封膠。圖6、圖7、圖8為現(xiàn)場的氣蝕問題實(shí)拍。

3、氣蝕的發(fā)現(xiàn)

通常情況下，在往復(fù)式發(fā)動機(jī)的日常運(yùn)營過程中，氣蝕不容易被發(fā)現(xiàn)。往復(fù)式發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)往往是密封的，從外部難以發(fā)現(xiàn)氣蝕情況，需要通過定期檢查易出現(xiàn)氣蝕的部位，如水泵葉輪、火花塞襯套密封面、缸套、缸頭密封面等。另外，當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)某些特定的故障現(xiàn)象，比如發(fā)現(xiàn)有冷卻液泄漏或冷卻系統(tǒng)異常竄氣時，我們需要排查是否存在氣蝕的問題。比如：

①發(fā)動機(jī)排煙管異常冒白煙：表明燃燒室或排煙管有積水，需排查是否因氣蝕引起的缸套、火花塞襯套及缸頭密封面漏水

②發(fā)動機(jī)機(jī)油乳化：表明機(jī)油里面異常進(jìn)入了大量的水，需排查是否由氣蝕引起的部件密封失效

③膨脹水箱水位異常升高或降低：

當(dāng)水位異常升高時：表明有異常氣體進(jìn)入冷卻系統(tǒng)且未被及時排出，需要檢查是否由火花塞襯套及缸頭密封面氣蝕失效造成的異常竄氣。

當(dāng)水位異常降低時：需排查是否有因氣蝕引起的冷卻系統(tǒng)密封部件失效甚至穿孔等問題，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻液泄漏

在中石油某壓氣站的實(shí)際案例中正是技術(shù)人員在巡檢過程中及時發(fā)現(xiàn)了排煙管冒白煙及膨脹水箱水位上升的異常情況，通過進(jìn)一步檢查確定了是由氣蝕引起缸頭沉孔與火花塞外襯套密封面失效而出現(xiàn)的竄氣及漏水。避免了造成更嚴(yán)重的次生事故損壞。

4、氣蝕的預(yù)防

氣蝕的預(yù)防主要可以通過以下幾個方面進(jìn)行

4.1、提高金屬表面硬度：在易發(fā)生氣蝕的部位使用抗氣蝕的材料，瓦克夏實(shí)驗數(shù)據(jù)表明在大孔徑的缸套表面鍍上0.08mm的鉻合金層即可減少50%的氣蝕。

4.2、減少氣阻：通過優(yōu)化冷卻液流動通道的幾何形狀、改變管道直徑、優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的排氣通道等方式都可以有效減少氣蝕的發(fā)生

4.3、提高冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的壓力：通過升高膨脹水箱高度等方式，增壓水泵入口的靜態(tài)壓力，可以提高整個冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的壓力，也能降低氣蝕發(fā)生的趨勢

4.4、其它方式包括：冷卻水系統(tǒng)添加抑制劑;減少冷卻水系統(tǒng)雜志顆粒物;提高金屬表面光潔度等等。

5、現(xiàn)場施工改造

通過對預(yù)防氣蝕的幾項主要要素進(jìn)行分析，在不能改變機(jī)組的設(shè)計、材料、生產(chǎn)工藝的前提下。可以通過增加冷卻水循環(huán)系統(tǒng)壓力以及優(yōu)化排氣等措施來減少產(chǎn)生氣蝕的趨勢。因此在中石油某壓氣站的現(xiàn)場進(jìn)行了以下兩個方面的改造;

5.1、優(yōu)化散熱水箱排氣通道

該壓氣站在設(shè)計施工時，機(jī)組冷卻系統(tǒng)的水箱部分采用的是安裝排氣閥的方式來排氣的。隨著機(jī)組運(yùn)行時間的增加，部分排氣閥出現(xiàn)故障無法正常排出冷卻系統(tǒng)內(nèi)多余的氣體，大量無法排出的氣體留存在冷卻水系統(tǒng)中，無疑會增加氣蝕的風(fēng)險。因此，根據(jù)現(xiàn)場情況以及瓦克夏廠家安裝手冊要求（圖9），將散熱水箱的排氣閥拆除，直接通過透氣管將散熱水箱與膨脹水箱相連進(jìn)行排氣。圖10、圖11為改造前后對比圖。

2、提高膨脹水箱高度

通過提高膨脹水箱高度，可以增壓水泵入口的靜態(tài)水壓力，以此提高整個冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的工作壓力。從而達(dá)到降低氣蝕發(fā)生趨勢的目的。圖12、圖13為膨脹水箱改造前后的位置對比圖。

參考資料：

[1]瓦克夏發(fā)動機(jī)安裝手冊 《1091-11-installation-chapters_rev》 CHAPTER 5 COOLING SYSTEMS

[2]瓦克夏 GET 手冊 CHAPTER 2 COOLING SYSTEMS

[3]瓦克夏275GL+ Training Materials CHAPTER 1 Engine Design Features Program

[4]水利電力出版社 《水泵氣蝕與防治》

[5]機(jī)械工業(yè)出版社《流體機(jī)械原理》