Rolls Royce 4012型柴油機(jī)缸套穴蝕的分析

劉丹+朱萬武

摘 要：本文主要介紹了柴油機(jī)缸套穴蝕形成的主要原因及穴蝕的特征；從柴油機(jī)的工作工況、冷卻水系統(tǒng)及柴油機(jī)本身的結(jié)構(gòu)部件闡述影響穴蝕的因素；對預(yù)防缸套穴蝕提出一些建議。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；缸套穴蝕；孔洞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.052

1 概述

柴油機(jī)濕式缸套外壁與冷卻液接觸的表面被破壞成一些針狀的孔洞，這些孔洞逐漸擴(kuò)大、加深，最后形成深孔或裂紋。相對應(yīng)的，不同類別的柴油機(jī)所相對應(yīng)的特征也是不同的，但是它們對于穴蝕卻有著一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是都是出現(xiàn)在側(cè)推力較大的一邊。Rolls Royce 4012型柴油機(jī)是大尼羅河石油有限公司某油田作業(yè)區(qū)內(nèi)電站發(fā)電用的V型柴油機(jī)，缸徑325mm、沖程370mm，燃燒原油。在進(jìn)行18000H大修時(shí)，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)12個(gè)缸套中有6個(gè)穴蝕嚴(yán)重如圖1、圖2所示。

大修前測量了100%負(fù)荷時(shí)各個(gè)缸的爆壓、排氣溫度，各缸爆壓和排氣溫度偏差很大，發(fā)動機(jī)的振動也非常大。檢修中發(fā)現(xiàn)高、低溫恒溫閥閥芯腐蝕嚴(yán)重。

2 缸套穴蝕的機(jī)理

對于柴油機(jī)壁面之上所產(chǎn)生的穴蝕，所產(chǎn)生的原因有很多，都是由各個(gè)方面不同的腐蝕而作用出來的結(jié)果。

2.1 高頻振動產(chǎn)生的空泡腐蝕

隨著活塞在運(yùn)動之中不斷的變化，側(cè)推力也在不斷的進(jìn)行著變化。每當(dāng)活塞在進(jìn)行撞擊的時(shí)候，氣缸的表面壁都會進(jìn)行不同的方面改變，并且并不是一直都是往同一個(gè)方向進(jìn)行改變，而是有著一定得規(guī)律的方面改變。首先氣缸的表面壁的方面為向外，當(dāng)氣缸的表面壁向外改變的時(shí)候，使得壓力波的產(chǎn)生；接著氣缸的表面壁的方向?yàn)橄蚶?，這時(shí)候所附近的壓力有了下降，這就使得氣泡的產(chǎn)生。當(dāng)這時(shí)候壓力進(jìn)行了大規(guī)模的下降，下降到了一定程度的時(shí)候，所產(chǎn)生的氣泡會大量的在氣缸的表面壁殘留。而當(dāng)氣缸的表面壁是繼續(xù)重復(fù)之前的向外改變的時(shí)候，又會有新的壓力波產(chǎn)生，這些產(chǎn)生的新壓力波，會將之前產(chǎn)生的氣泡慢慢擊破，使得氣泡又重新的變成水。而這些氣泡在被新壓力波擊破而變?yōu)樗臅r(shí)候，會使得一部分溫度猛然升高，從而造成一部分的高溫和高氣壓。由此我們可以得到結(jié)論，這種在很短的作用力之下產(chǎn)生的高壓波并不能夠使得大范圍受到傷害。僅僅只是因?yàn)闅鉁伢E然升高，而產(chǎn)生的高溫氣壓，是并沒有很大的作用力。因此只能夠增加使用次數(shù)，多次使用才能夠使得氣缸的表面壁出現(xiàn)我們所需要的穴蝕。

2.2 電化學(xué)腐蝕

任何種類的水中，都含有一定的雜質(zhì)，并不是百分百無雜質(zhì)。而冷卻水中也含有很多的雜質(zhì)。在這些雜質(zhì)的存在下，就會受到化學(xué)反應(yīng)的不同程度的腐蝕。缸套一般由鐵和石墨組成的鑄鋼制成，發(fā)電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，電極會發(fā)生不同程度的反應(yīng)，通過失去或者得到電子的多少，從而形成了陽極和陰極兩個(gè)電極。而這些因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)而受到的不同程度的腐蝕，不僅僅和冷卻水中的雜質(zhì)有聯(lián)系，同時(shí)也有著其他的影響因素。比如說水溫以及等等其他的因素。

3 柴油機(jī)穴蝕產(chǎn)生的因素

3.1 缸套材質(zhì)

氣缸的套子，并不是有一般的普通材料而制作而成的，而是由特質(zhì)的特殊材料制作而成的。這一特殊材料主要包括了機(jī)械性很低的石墨以及鐵組成，為了彌補(bǔ)石墨這一材料本身所帶有的缺陷，所以還使用鑄鋼這一特殊材料來進(jìn)行搭配。正是因?yàn)殍T鋼這一材料在石墨的縫隙之中所產(chǎn)生的作用，而使得石墨能夠?qū)⒆饔昧Ω蛹械厥褂贸鰜?。而另一方面，為了能夠使得氣缸的套子達(dá)到一定的高溫狀態(tài)，這就十分容易造成氣缸的被破壞，從而針孔才會出現(xiàn)。

3.2 活塞、缸套的結(jié)構(gòu)形式

活塞在氣缸之中也是十分重要的，也會產(chǎn)生十分重要的影響。而活塞于氣缸的接觸，也對氣缸的套子產(chǎn)生著一定的作用。當(dāng)活塞的長短有著一定的變化的時(shí)候，氣缸之中的震動也會隨之而降低。這就告訴我們，活塞的長度要合理適當(dāng)。而另一個(gè)影響震動的原因，就是氣缸的套子的厚度，震動的次數(shù)會隨著缸壁的增厚而明顯下降。但是氣缸的表面壁也不能夠十分厚重，這樣也會造成不良的后果。由此我們可以得出結(jié)論，缸壁的厚度為0.06D（D為氣缸的直徑）。

3.3 活塞與缸套之間的配合間隙

對于活塞以及氣缸的套子之間，也是有著一定的聯(lián)系?；钊a(chǎn)生的沖擊力，也是有著一定外在因素所決定的，而活塞所產(chǎn)生的沖擊力越大的時(shí)候，那么氣缸的表面壁，就十分容易產(chǎn)生穴蝕。

3.4 缸套的支承形式和止口的配合間隙

氣缸套與機(jī)架接兩觸點(diǎn)之間的距離越大，活塞運(yùn)動使缸套產(chǎn)生的振動也越大。氣缸套與機(jī)架之間的安裝配合間隙也是氣缸產(chǎn)生穴蝕的因數(shù)。一般情況下，缸套安裝在機(jī)架中的變形量不超過設(shè)計(jì)數(shù)值極限，缸套與機(jī)架之間的安裝間隙盡量取小值。這樣就可以減少缸套的振動和空泡腐蝕。

3.5 冷卻水系統(tǒng)冷卻方式和冷卻水溫度

冷卻水的溫度也對氣缸的套子之中的穴蝕有著一定的影響。通過大量的調(diào)查研究，我們可以得出，最適合的溫度是在四十?dāng)z氏度到六十?dāng)z氏度之間。而當(dāng)不是在這個(gè)溫度范圍之中的時(shí)候，隨著冷卻水溫度升高穴蝕程度增加，在此之間，我們可以知道，穴蝕最嚴(yán)重。而超過這個(gè)范圍之后，穴蝕的嚴(yán)重程度也會隨著溫度的變化而產(chǎn)生變化，當(dāng)溫度到達(dá)沸點(diǎn)時(shí)，缸套壁面處產(chǎn)生過多的蒸汽泡將嚴(yán)重影響熱的傳遞。冷卻水溫度太低會引起燃燒不良、積碳、燃油消耗增加。開式冷卻中的海水作為冷媒直接接觸缸套表面，很容易產(chǎn)生電化腐蝕和化學(xué)腐蝕。閉式冷卻系統(tǒng)中冷卻水中添加防腐的添加劑是十分重要的。

3.6 冷卻水腔的容量和布置形式

冷卻水的設(shè)置十分重要，不論是夾層還是水腔。如果冷卻水的設(shè)計(jì)不夠合理完善，那么會造成不同程度上的后果，從而使得穴蝕的出現(xiàn)。

3.7 柴油機(jī)的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速

柴油機(jī)不同的改變，都會使得氣缸的內(nèi)部條件因素而發(fā)生隨之變化而產(chǎn)生的變化。而這些隨之產(chǎn)生的變化，正是使得氣缸的套子之中產(chǎn)出的穴蝕變的十分復(fù)雜。這些穴蝕并不會僅僅只是停留在原貌，而是會隨著活塞沖擊氣缸的套子，而隨之產(chǎn)生相對應(yīng)的增加。

4 防止缸套穴蝕的措施

①大尼羅河石油有限公司某油田作業(yè)區(qū)內(nèi)電站發(fā)電用的Rolls Royce 4012型柴油機(jī)是定速發(fā)電用機(jī)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測到的振動數(shù)據(jù)，柴油機(jī)負(fù)荷在75%及以下運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)荷的增大，振動增大不是很明顯，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到80%時(shí)及以上時(shí)，柴油機(jī)的振動明顯加大，考慮到負(fù)荷增大缸套穴蝕的加劇，將柴油機(jī)的負(fù)荷控制在75%以下負(fù)荷運(yùn)行；②根據(jù)維修前現(xiàn)場測得的爆壓數(shù)值和排氣溫度數(shù)據(jù)，各缸的排氣溫度和爆壓相差較大，各缸的負(fù)荷不均勻，通過調(diào)整柴油機(jī)的各缸的高壓油泵的噴油定時(shí)，使各缸的排氣溫度和爆壓均勻，提高原油進(jìn)機(jī)的溫度，定期更換噴油器的噴油嘴，改善燃油的霧化狀況，通過上述方式使柴油機(jī)降獲得較柔和的工作過程，從而降低缸套的振動強(qiáng)度，減少穴蝕的損壞；③選用新型材料或在缸套外壁鍍鉻、滲氮、涂陶瓷材料，以提高材料抗穴蝕能力；④控制油、水溫度，不使油、水工作溫度過低，以保證活塞與缸套有合適的配合間隙；⑤在冷卻水腔中安鋅塊的目的是為了實(shí)施陰極保護(hù)，防止電化學(xué)腐蝕。⑥由于該型柴油機(jī)每個(gè)缸套下面都有一個(gè)可拆裝的缸套附件與機(jī)架通過螺絲連接在一起，如果安裝質(zhì)量不好，會造成活塞銷軸線相對活塞中心線的偏移量加大，嚴(yán)重時(shí)缸套附件與機(jī)架連接處漏水，在維修安裝時(shí)控制好缸套附件的安裝質(zhì)量，保證活塞的側(cè)推力只是處在適合的位置，由此而進(jìn)行改變，從而延長缸套穴蝕的時(shí)間。⑦在柴油機(jī)到膨脹水箱的管路中加節(jié)流板，排除缸套中的氣泡，定期維修高溫水恒溫閥，保證缸套內(nèi)水的溫度在75～90℃之間，使用清潔的軟水，及時(shí)清除活塞與缸套間的水垢，避免水道變窄，在冷卻水中加水添加劑，添加劑能在氣缸的表面壁產(chǎn)生一層薄膜來進(jìn)行氣缸的安全保護(hù)作用，這就很好的做到了防御各種腐蝕方式的腐蝕。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉彥輝.柴油機(jī)缸套穴蝕問題的探討[J].腐蝕與防護(hù)，2011.

[2]席敬波，周烈，魯大鵬.船舶柴油機(jī)缸套穴蝕產(chǎn)生原因分析及預(yù)防措施[J].科協(xié)論壇，2009（01）：12.

[3]陳建.柴油機(jī)缸套穴蝕產(chǎn)生的機(jī)理[J].上海：上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2000.