某中速大功率柴油機氣閥燒蝕原因分析和驗證

青島淄柴博洋柴油機股份有限公司 李 良 孫記樹 劉美慶 李福海

柴油機是船舶的心臟，氣閥是柴油機的重要零部件之一，一旦漏氣，將影響柴油機的正常運轉，現代柴油機的強化程度較高，本文研究的中速大功率船用柴油機，氣缸直徑為330mm，四沖程，活塞行程為440mm，最高爆發壓力可達17.5MPa，燃燒發火溫度瞬間達到1800℃，一旦閥線局部漏氣，在高溫、高壓燃氣吹蝕下，很快就可將閥面吹蝕，作為船舶推進用柴油機，就需停機檢修，或者被迫單缸停油，封缸運行，影響極其惡劣。

問題簡述

某公司反饋其三艘船上的主機均出現了氣閥燒蝕問題，引起了我們高度重視。前后經多次上船驗證及檢查，發現氣閥主要存在以下兩種情況：

1、排氣閥錐面出現燒蝕且燒蝕的材料已經被熔化吹走，如圖1所示。

圖1 排氣閥錐面燒蝕拆檢圖

2、進氣閥錐面上出現燒蝕且燒蝕的材料已經被熔化吹走，如圖2所示。

圖2 進氣閥錐面燒蝕拆檢圖

據該公司反饋，該公司的船作為遠洋漁業運輸船，作業區域為南太平洋，從港口開往漁場的過程中，柴油機運轉非常良好，各項參數非常平穩，載魚后回港，整個回港大約需要50～60天左右，一般船運行30天后會出現氣閥燒蝕，且氣閥燒蝕前，沒有任何征兆，均為突發性氣閥燒蝕。

氣閥燒蝕原因分析

氣閥的工作性質和條件決定了造成氣閥燒蝕的原因很多。氣閥直接與高溫高壓的燃氣接觸，若燃油較為劣質，含有大量的釩、鈉、硫等元素，這些元素燃燒形成的氧化物和鹽很容易造成“高溫腐蝕”；排氣閥還須承受很高的機械負荷、燃燒過程所產生的爆發壓力及落座時的撞擊而形成的沖擊性交變載荷，易造成氣閥密封面彈性、塑性變形；氣閥的材料以及與氣閥工作相關零部件的工作狀況也可能是氣閥燒蝕的重要因素之一。

1、氣閥材料

發生氣閥燒蝕質量問題，首先考慮的是氣閥材質是否滿足設計要求，本進氣閥和排氣閥圖紙要求材料和機械性能如表1所示。經檢測，進、排氣閥的材料均滿足設計要求。

表1 進、排氣閥材料性能

2、閥線情況和燒蝕情況

從現場燒蝕情況看，柴油機進氣閥和排氣閥均有燒蝕情況，進、排氣閥的閥線上均有麻點。初步推理得出：閥面上覆蓋雜質，氣閥高速落下，并在轉閥器作用下將雜質碾碎吹掉，雜質過多后，墊在閥面上的雜質連成線甚至連成片，造成此處漏氣，在高溫高壓燃氣吹蝕下，迅速將閥面吹掉，如圖3、圖4所示。

圖3 氣閥燒蝕麻點狀態圖

圖4 氣閥燒蝕小缺口狀態圖

由此得出進入燃燒室的空氣中可能存在大量雜質，基于以上初步判斷，在該公司其中一艘船的柴油機上，我們對進氣道各個零部件進行了拆檢，檢查進氣道情況，發現：

（1）機體進氣腔內壁銹蝕嚴重，有大塊的缺失，如圖5所示。

圖5 進氣腔內部情況

（2）進氣腔內蓋板表面銹蝕嚴重，如圖6所示。

圖6 氣室蓋拆檢圖

（3）中冷后接管銹蝕嚴重，如圖7所示，放水閥已徹底被銹塊堵死。

圖7 中冷后接管拆檢圖

圖8 氣缸蓋進氣接管拆檢圖

拆檢的情況也印證了雜質進入進氣道，落在閥面上，最終造成氣閥燒蝕。

3、進氣道各部件腐蝕原因分析

由上述情況看出，進氣道相關零部件銹蝕和腐蝕，形成銹塊，銹塊等雜質落入閥面最終導致了氣閥燒蝕。探究氣閥燒蝕的原因時，重要的一點就是探究進氣道相關零部件腐蝕的原因。

金屬材料受周圍介質的作用而損壞，稱為金屬腐蝕。金屬的銹蝕是常見的腐蝕形態。腐蝕時，在金屬的界面上，發生了化學或電化學作用，使金屬轉為氧化狀態，從根本上說，就是金屬單質被氧化成化合物。腐蝕與下列條件有直接關系：

（1）相對濕度

相對濕度越高，金屬表面水膜越高，空氣中的氧透過水膜到金屬表面。相對濕度達到一定數值時，腐蝕速度會大幅度上升，這個數值為臨界相對濕度，鋼的臨界相對濕度為70%。

（2）溫度

溫度與濕度有直接關系，干燥的環境下，溫度再高也很難銹蝕，而在濕度達到臨界相對濕度后，溫度每增加10℃，銹蝕速度可提高2倍。

（3）空氣中其他雜質

當空氣中含有二氧化硫、硫化氫等酸性氣體時，酸性氣體與水分結合形成液態酸，更加加重金屬腐蝕。

由此可見，提高進氣道各相關零部件的防腐蝕能力，優化柴油機進氣溫度，以及降低進氣腔內相對濕度是改善氣閥燒蝕的著力點。

改進措施

通過上述原因分析，有針對性地對其進行改進，以改善氣閥燒蝕情況。

1、提高進氣道相關零部件的防腐蝕能力

進氣道相關零部件及其防銹處理要求（如表2所示），就目前國內噴漆條件來說，存在噴漆不勻，易脫落及附著力不強等缺點。在濕度較高的環境下，燃料油中的硫燃燒生成酸性氣體二氧化硫(SO)，在催化劑的作用下進一步氧化生成三氧化硫（SO），與水蒸汽結合形成液酸（HSO/HSO），會對進氣道零部件表面進行腐蝕，腐蝕后的銹質進入氣閥閥面引起氣閥燒蝕，而較大的銹塊，堆積在進氣腔及中冷后接管下部，堵塞了放水閥，使濕度更高，加速了零部件腐蝕。

表2 進氣道相關零部件防銹處理對比

對于機體進氣道，更改其處理方式如下：

（1）內面及外表面的噴涂

所用涂料為長期暴露型環氧鐵紅防銹底漆，色調為鐵紅色。一次噴涂的必要涂膜厚度為15～25μm。

（2）進氣腔等噴涂

噴漆前應徹底清除兩個進氣腔內的夾砂、鐵銹等雜物。

低溫側（進氣腔A）使用環氧樹脂終飾層涂料，色調為白色。噴涂方法分為兩次噴涂，必要涂膜厚度為35～45μm。

高溫側（進氣腔B）要使用max280℃的耐熱涂料，色調為銀灰色。噴涂方法為一次噴涂，必要涂膜厚度為15～25μm。

更改處理工藝，進行噴塑處理后的中冷后接管，如圖9所示。更改處理工藝，進行噴塑處理后的進氣接管，如圖10所示。

圖9 中冷后接管噴塑圖

圖10 進氣接管噴塑圖

2、中冷后的空氣溫度優化

由上文中氣閥燒蝕的原因分析可知，溫度對濕度以及零部件的腐蝕速度有著很大關系，將柴油機進氣腔溫控閥調節溫度由原≤35℃調整為≤45℃，此溫度既能保證進氣量，又能保持空氣干燥，減少了冷凝水的量，有效控制了金屬零部件的腐蝕，降低了由于空氣濕潤而引發的積碳黏著，以及酸性水份的形成。

裝船驗證

將改進后的進氣道各個零部件更換到原氣閥燒蝕的柴油機上，并調整中冷后進氣溫度為≤45℃，有效地改善了此船氣閥燒蝕現象。

此船經過1年多的航行后，公司對其進行了回訪和拆檢，從拆檢結果看，此船上的柴油機運行了5000小時之后未再發生氣閥燒蝕現象，柴油機在控制中冷后的溫度后（45℃左右），氣道冷凝水明顯減少；對氣室蓋進行拆檢，如圖11所示，與未進行噴塑處理時的氣室蓋對比，明顯發現，改進處理后的氣室蓋未有銹蝕現象發生。

圖11 氣室蓋內、外表面情況

本文通過某中速大功率船用柴油機裝船使用的實際情況，對氣閥燒蝕原因進行了全面分析和逐步排查，提出了氣閥燒蝕的主要原因是進氣道相關零部件銹蝕和腐蝕，形成的銹塊等雜質落入閥面，氣閥高速落下并在轉閥器作用下將雜質碾碎吹掉，雜質過多后，墊在閥面上的雜質連成線甚至連成片，造成漏氣，在高溫高壓燃氣吹蝕下，迅速將漏氣部位閥面吹掉，最終導致氣閥燒蝕；實施了本文提到的改進措施，并經實船驗證后，氣閥燒蝕問題基本得到了解決，可為解決同類柴油機氣閥燒蝕問題提供較好的參考價值。

同時為了更好地避免氣閥燒蝕問題產生，還可采用棘輪式轉閥器，經過驗證，棘輪式轉閥器能有效的防止氣閥偏磨及異物的堆積，提高氣閥使用壽命。