艦船發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕的分析

王 豪，馬凱文，王源升，王 軒，楊洪波

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

穴蝕是一種常見的艦船材料腐蝕形式，對(duì)艦船部件造成極大破壞，導(dǎo)致部件功能下降，嚴(yán)重影響艦船的行駛安全，在一定程度上制約了艦船的戰(zhàn)斗性能。穴蝕現(xiàn)象一般發(fā)生在艦船發(fā)動(dòng)機(jī)缸套以及接觸高速水流的船體、舵葉、美人架、冷卻鋼套等部件。由于艦船發(fā)動(dòng)機(jī)缸套長(zhǎng)期處于復(fù)雜多變的工作環(huán)境，因此更容易產(chǎn)生穴蝕。本文圍繞如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的抗穴蝕性能進(jìn)行全面綜述，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕研究做出評(píng)價(jià)。

1 穴蝕機(jī)理

穴蝕現(xiàn)象主要是由流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣泡形成與潰滅循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的沖擊波和微射流引起的。其產(chǎn)生過(guò)程大致可以分為2個(gè)階段:首先流體流速增加引起局部壓力下降，當(dāng)壓力低于流體飽和蒸汽壓，液體迅速汽化并形成低壓氣泡，大量氣泡隨液流一起運(yùn)動(dòng);當(dāng)氣泡到達(dá)壓力超過(guò)飽和蒸汽壓的區(qū)域時(shí)，蒸汽重新凝結(jié)，氣泡潰滅，同時(shí)產(chǎn)生幾十到幾百兆帕的沖擊波或速度達(dá)1 000 m/s的微射流并伴有聲響，使部件表面產(chǎn)生凹坑。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕

發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕包括空泡穴蝕、電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕、縫隙腐蝕等腐蝕形式。缸套穴蝕有7種形狀 (深窄形、橢圓形、寬淺形、底切形、水平形、垂直形、深寬形)、3種程度 (輕微穴蝕、劇烈穴蝕、損毀性穴蝕)。主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)左右側(cè)，缸套主軸承側(cè)推下支撐密封圈附近以及冷卻液進(jìn)口、水流變向和水腔變窄處。其形式和原因在國(guó)際上尚無(wú)統(tǒng)一定論，但空泡穴蝕是公認(rèn)的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套主要穴蝕形式之一。目前艦船多使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，因此研究柴油機(jī)缸套穴蝕具有代表性意義，本文發(fā)動(dòng)機(jī)均指柴油機(jī)。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞周期性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生周期性側(cè)推力引起缸套高頻振動(dòng)，缸套外壁水腔中冷卻液呈現(xiàn)周期性膨脹與壓縮，伴隨高頻振動(dòng)下氣泡反復(fù)的產(chǎn)生與潰滅，缸套發(fā)生穴蝕。這種運(yùn)動(dòng)引起的穴蝕就是空泡穴蝕。

此外，缸套面臨著復(fù)雜的物理化學(xué)工作環(huán)境，其穴蝕形式更加復(fù)雜。在溫度梯度、冷卻液性質(zhì)、局部應(yīng)力差等因素的作用下，缸套極易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕，缸套縫隙也易受冷卻液作用產(chǎn)生縫隙穴蝕［1］。此外，與空泡穴蝕關(guān)聯(lián)很大的沖刷腐蝕也是一種重要穴蝕形式［2］。

由此可見，發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕是極其復(fù)雜的過(guò)程:活塞周期性振動(dòng)作用下，空泡穴蝕使缸套疲勞破壞，而電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕、縫隙腐蝕、沖刷腐蝕等使穴蝕作用加劇。缸套穴蝕是一系列腐蝕作用相互影響、相互作用的結(jié)果。

2.2 影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕因素

2.2.1 缸套振動(dòng)

1)活塞與缸套的配合間隙。活塞與缸套配合間隙影響活塞橫擺產(chǎn)生的沖擊能量，活塞橫向沖擊缸套的能量與橫擺加速度有關(guān):配合間隙增大，橫擺加速度增大，缸套振動(dòng)強(qiáng)度增大，引起冷卻液的壓力和形狀變化，形成空泡穴蝕，使缸套金屬疲勞腐蝕。

2)活塞結(jié)構(gòu)。活塞結(jié)構(gòu)對(duì)缸套撞擊的影響因素主要體現(xiàn)在活塞長(zhǎng)徑比和活塞裙部長(zhǎng)度與型線上?；钊L(zhǎng)徑比越大，活塞不易傾斜，對(duì)缸套的撞擊越小;活塞裙部結(jié)構(gòu)不合理，與頭部結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)，會(huì)造成缸套劇烈振動(dòng)。

3)缸套剛度。缸套剛度受壁厚影響，壁厚增加，缸套自振頻率隨之提高，但如果壁厚過(guò)分增加會(huì)帶來(lái)增重、散熱性差等問(wèn)題。

缸套剛度也受支撐形式影響，缸套一般采用“懸壁支撐”方式:上止口臺(tái)肩處與缸體配合支撐，下止口處用橡膠密封圈密封。一般來(lái)說(shuō)，上下支撐跨度越大，缸套振動(dòng)越強(qiáng)烈。此外，上下止口縫隙處極易產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，縫隙過(guò)大或過(guò)小均易產(chǎn)生穴蝕。

4)使用工況。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷變化，引起側(cè)推力、工作溫度、氣體壓力等因素改變并影響缸壁振動(dòng):低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，缸套振動(dòng)強(qiáng)度隨負(fù)荷增大而減小;超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，缸套振動(dòng)強(qiáng)度隨著負(fù)荷增大而很明顯增大。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程最高燃燒壓力和壓力升高比均很大，粗暴工作會(huì)造成冷卻水溫度和壓力變化，加劇缸套穴蝕。

2.2.2 缸套材料

穴蝕主要發(fā)生在深度回火區(qū)域，起源于石墨露頭處，沿著石墨向缸套內(nèi)壁擴(kuò)展，當(dāng)遇見碳化物時(shí)，繞過(guò)碳化物繼續(xù)向內(nèi)壁擴(kuò)展［3］。目前除高速大功率柴油機(jī)外，絕大部分柴油機(jī)缸套使用鑄鐵材料制作，鑄鐵缸套中石墨最易穴蝕，而球狀或分枝少的團(tuán)絮狀石墨耐蝕性最好，珠光體比鐵素體更耐穴蝕?？紤]到空泡潰滅機(jī)理，從某種意義上來(lái)說(shuō)，金屬抗形變能力與抗穴蝕性能有關(guān)。

2.2.3 冷卻系統(tǒng)構(gòu)造

1)水腔結(jié)構(gòu)。冷卻水腔構(gòu)造不合理，存在渦流區(qū)、滯流區(qū)和局部狹窄區(qū)，使得冷卻效果不佳，易產(chǎn)生局部高溫，導(dǎo)致缸套穴蝕明顯。此外，渦流區(qū)的存在使水沖擊缸套，加速穴蝕。

冷卻水腔設(shè)計(jì)要求冷卻液流速在一定范圍保持穩(wěn)定，流速過(guò)快會(huì)加劇穴蝕的產(chǎn)生。

2)水腔厚度。受發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)限制，水套設(shè)計(jì)厚度較薄，冷卻液可壓縮性變小，產(chǎn)生的空泡不易被冷卻液吸收。另一方面，水套狹窄處溫度較高，缸套穴蝕明顯。

3)冷卻方式。開式冷卻系統(tǒng)直接用海水作為冷卻介質(zhì)，為防止結(jié)垢，溫度一般控制在50～55℃范圍內(nèi)，這一溫區(qū)有利于穴蝕發(fā)展。閉式冷卻系統(tǒng)用冷卻液作為冷卻介質(zhì)，海水給冷卻液降溫。因此，閉式冷卻系統(tǒng)冷卻液的性質(zhì)深刻影響缸套抗穴蝕性能。

2.2.4 冷卻液理化性質(zhì)

1)溫度與壓力。冷卻液溫度是空泡形成的重要因素。實(shí)驗(yàn)表明，鋼鐵和鋁等金屬材料在淡水溫度50～60℃時(shí)穴蝕嚴(yán)重［4］，隨著水溫升高，穴蝕破壞減輕。當(dāng)水溫超過(guò)90℃時(shí)，穴蝕現(xiàn)象加劇。

冷卻液壓力與冷卻系統(tǒng)構(gòu)造關(guān)系較大，較高壓力可抑制空泡形成，但過(guò)高壓力會(huì)造成溫度升高到高熱區(qū)加劇穴蝕。當(dāng)水套空間變窄時(shí)，冷卻液流速加快、壓力減小，容易產(chǎn)生空泡，空泡在高壓區(qū)破裂，產(chǎn)生穴蝕。

2)水質(zhì)。冷卻液中的溶解物一般由無(wú)機(jī)鹽離子和有機(jī)添加劑 (防凍劑、防穴蝕劑)構(gòu)成，溶解物深刻影響冷卻液性能。無(wú)機(jī)鹽離子會(huì)造成缸套電化學(xué)腐蝕等一系列微觀腐蝕，水中溶解物濃度過(guò)高使冷卻水硬化，容易產(chǎn)生空泡。硬化的冷卻水會(huì)結(jié)垢沉積，使水腔變窄，水垢也會(huì)在復(fù)雜溫度梯度和無(wú)機(jī)鹽離子等原因作用下發(fā)生變化促進(jìn)穴蝕。

3)冷卻液溶解氣體。冷卻液中溶解有部分氣體，其中部分氧化性氣體會(huì)促進(jìn)缸套穴蝕，氧氣是影響較大的溶解性氣體，易引起縫隙腐蝕［1］。此外，冷卻液各處溫度不同，溶解氧濃度不同，極易形成濃差電池。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕預(yù)防措施

2.3.1 減輕缸套振動(dòng)

1)改進(jìn)活塞裝配。活塞與缸套配合間隙的選取應(yīng)保證活塞工作處于最大膨脹狀態(tài)的最小間隙。良好缸套尺寸、形狀精度、珩磨網(wǎng)紋質(zhì)量會(huì)保持穩(wěn)定油膜，減輕缸套振動(dòng)。增大活塞長(zhǎng)徑比、優(yōu)化活塞裙部結(jié)構(gòu)，有助于減小缸套振動(dòng)，適當(dāng)使活塞銷偏置，也能有效控制缸套振動(dòng)。

此外，改善曲軸平衡，提高活塞連桿組裝配質(zhì)量，避免傾斜、偏缸等不當(dāng)裝配，適當(dāng)減小供油提前角，減輕活塞對(duì)缸套的側(cè)向撞擊。

2)增加缸套剛度。適當(dāng)增加缸套壁厚，采用不等厚缸壁結(jié)構(gòu)，有利于增加剛度，減少缸套振動(dòng)。現(xiàn)代柴油機(jī)結(jié)構(gòu)日益緊湊，壁厚有減小趨勢(shì)［5］，因此采用不等厚缸壁結(jié)構(gòu)比較合理。

在考慮冷卻水腔的基礎(chǔ)上優(yōu)化支撐形式，縮小上下止口跨距，也可以采用增加輔助支撐方式提高缸套剛度。適當(dāng)減小上下止口處縫隙，確保缸套不會(huì)失圓變形，也可以使用適合的缸套定位環(huán)帶與機(jī)體配合，或者裝橡膠密封圈以減輕缸套振動(dòng)。

3)保持良好工況。控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷，避免長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷或超負(fù)荷工作;選擇油品好的潤(rùn)滑油和柴油，避免發(fā)動(dòng)機(jī)粗暴工作;精確調(diào)整噴油器供油行程，使各缸噴油量均勻，減小各缸互相干涉，減輕整機(jī)復(fù)合振動(dòng)。

2.3.2 提高缸套材料抗穴蝕性能

1)增強(qiáng)材料抗穴蝕性。改變缸套傳統(tǒng)鑄鐵材質(zhì)，使用形態(tài)好、金相組織均勻致密的多元合金鑄鐵材質(zhì)，如:采用耐穴蝕性能好的銅合金以及石墨梯度分布的貝氏體缸套對(duì)鑄鐵材料加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。此外，還可以提高鑄鐵材料密度使穴蝕破壞強(qiáng)度下降。

2)改進(jìn)缸套外表面性質(zhì)。穴蝕總是始于缸套外表面，因此外表面穴蝕對(duì)缸套壽命影響較大［6］。采用鍍鉻、滲氮、磷化、淬火等熱處理方式，等離子束快速熔凝技術(shù)、激光束處理技術(shù)、多元共滲技術(shù)、拋光擠壓表面技術(shù)，陶瓷等材料作為鍍層等方法，均能提高缸套表面光潔度，生成表面強(qiáng)化層，改善缸套外表面性能，減少穴蝕。

3)在缸套外壁涂敷保護(hù)層或強(qiáng)化層。在缸套外壁涂敷膠黏劑涂料作為保護(hù)層或強(qiáng)化層，可有效隔絕冷卻液，塑性吸收空泡沖擊，提升缸套抗穴蝕能力。環(huán)氧酚醛樹脂、氯丁橡膠、人造樹脂、尼龍等材料都是常用的膠黏劑涂料，此外還有HGCR多功能防穴蝕涂料。

4)采用電化學(xué)方法防穴蝕。采用外加電流陰極保護(hù)法抑制鑄鐵穴蝕，其防蝕效果與穴蝕中電化學(xué)腐蝕所占比重有關(guān)。郭玉山等人探究了采用外加電流陰極保護(hù)法抑制鑄鐵穴蝕的機(jī)理和保護(hù)效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，保護(hù)電位對(duì)穴蝕的防護(hù)機(jī)理是通過(guò)極化作用來(lái)抑制金屬試件的電化學(xué)腐蝕，與此同時(shí)，保護(hù)電位也會(huì)使金屬試件表面產(chǎn)生氫氣，形成“氫氣墊”保護(hù)金屬試件。穴蝕初期存在最大保護(hù)電位使得試件保護(hù)率最大化，穴蝕中后期電位越負(fù)保護(hù)率越高。

2.3.3 優(yōu)化冷卻系統(tǒng)構(gòu)造

合理設(shè)計(jì)冷卻水腔結(jié)構(gòu)，減小消除渦流區(qū)、滯流區(qū)和局部狹窄區(qū)，采用切向進(jìn)水結(jié)構(gòu)，避免對(duì)缸套造成直接沖擊，產(chǎn)生空泡。

合理設(shè)計(jì)冷卻水腔壁厚，一般來(lái)說(shuō)直接鑄造形成的水腔要比加工的水腔厚一些，應(yīng)防止冷卻水腔寬度小于10 mm，必要情況下及時(shí)清除水垢，避免冷卻水腔變窄。

防止空氣從水泵進(jìn)水口側(cè)進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，保持冷卻系統(tǒng)密封，必要時(shí)應(yīng)設(shè)置除氣功能。閉式冷卻系統(tǒng)應(yīng)充分考慮到海水滲漏到冷卻液的可能。

采用切向?qū)Я餮b置或帶螺旋形水套體，控制冷卻液流向，使冷卻液沿缸套外壁切線方向通暢地螺旋上升，以免冷卻水方向突變。

2.3.4 改善冷卻液使用性能

1)控制冷卻液溫度與壓力?？刂评鋮s液溫度，避開溫?zé)釁^(qū)、高熱區(qū)。閉式冷卻系統(tǒng)一般控制在80～95℃。壓力上升有助于防止穴蝕發(fā)生。

2)改進(jìn)冷卻液特性。

(1)添加無(wú)機(jī)緩蝕劑:以亞硝酸鹽和硼酸鹽為主要成分，亞硝酸鹽具有防銹、防垢雙重作用;硼酸鹽可提高冷卻液pH值，有利于保護(hù)膜的形成。

(2)添加乳化防銹油:一般由有機(jī)防銹添加劑、乳化劑和基礎(chǔ)油3部分組成，使缸套表面生成油膜，具有潤(rùn)滑、隔絕、減振作用，常用NL型，通常添加量為淡水量的0.75%。

(3)添加輔助添加劑 (如SCA，又稱DCA添加劑):將缸套、水套壁上組織較疏松的鐵銹(Fe2O3、Fe3O4與水的結(jié)合物)轉(zhuǎn)化為致密的Fe3O5;此外針對(duì)重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)，可使用高級(jí)有機(jī)酸型冷卻液、緩蝕阻垢劑HH－36等添加劑。

(4)添加防蝕劑 (如乳化劑):降低表面張力，減少空泡穴蝕;降低導(dǎo)電性，減少電化學(xué)腐蝕。

(5)采用軟水、凈化水可減輕穴蝕:硬度超過(guò)2.5 mg/L當(dāng)量時(shí)，就有生成水垢的危險(xiǎn)，冷卻液硬度一般控制在0.2 mg/L當(dāng)量以下，軟水的穴蝕速度比硬水慢幾十倍。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕處理方法

對(duì)于穴蝕不太嚴(yán)重的缸套，可以采取轉(zhuǎn)位法，使缸套相對(duì)原來(lái)位置旋轉(zhuǎn)一定角度后繼續(xù)安裝使用。不同機(jī)型、不同穴蝕程度旋轉(zhuǎn)角度不同。對(duì)穴蝕部位也可以采取電焊修復(fù)法。但電焊修復(fù)容易使補(bǔ)焊部位產(chǎn)生形變且操作復(fù)雜，對(duì)于某些缸套結(jié)構(gòu)實(shí)施困難。為克服傳統(tǒng)鑄鐵焊修復(fù)方法的不利因素，可采用膠黏劑修補(bǔ)法。常用膠黏劑有氯丁橡膠、聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂填料和聚氯乙烯等。此外，還可采取熱固性塑料修補(bǔ)、金屬噴涂修補(bǔ)、等離子電弧噴涂等方法進(jìn)行修補(bǔ)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕的數(shù)值計(jì)算分析

發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算分析是一種重要的穴蝕研究方法。杜慧勇［4］等利用計(jì)算流體力學(xué) (CFD)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的穴蝕進(jìn)行強(qiáng)度和表征分析。在引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕的壁面振動(dòng)條件下，通過(guò)對(duì)不同的入口流速、流場(chǎng)溫度下冷卻水套內(nèi)部流體流動(dòng)特性及空化特性的三維模型構(gòu)建來(lái)達(dá)到模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕。穴蝕試驗(yàn)證明，該三維模型有效。寧寧［7］等也采用了相同的三維模型構(gòu)建的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕進(jìn)行模擬，依據(jù)這一模擬結(jié)果解釋了穴蝕產(chǎn)生的原因，并提出了預(yù)防措施。這一研究方法通過(guò)建立三維模型模擬穴蝕條件進(jìn)行計(jì)算表征，有效地改進(jìn)了單維、靜態(tài)的傳統(tǒng)穴蝕研究方法，從多維、動(dòng)態(tài)的角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的穴蝕進(jìn)行了較為全面的解釋。模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)條件吻合，說(shuō)明該種模型準(zhǔn)確有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

艦船發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的穴蝕是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，對(duì)穴蝕的評(píng)價(jià)和預(yù)防處理還存在著較大的探索和研究空間。艦船部件運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程以及其穴蝕機(jī)理的復(fù)雜性制約著穴蝕的研究。目前，關(guān)于穴蝕的研究還存在以下2個(gè)需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

1)從穴蝕的發(fā)生機(jī)理上看，穴蝕是以空泡穴蝕為主，電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕等穴蝕形式為補(bǔ)充的一種腐蝕?，F(xiàn)階段對(duì)穴蝕的研究以空泡穴蝕為主，沒(méi)有構(gòu)建起綜合各種穴蝕形式的研究，微觀層面對(duì)各種穴蝕形式相互關(guān)聯(lián)的研究還沒(méi)有展開。

2)從穴蝕的表征手段來(lái)看，處于工作狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)很難作為檢測(cè)和表征穴蝕的儀器，實(shí)驗(yàn)室主要是通過(guò)超聲磁致伸縮裝置引發(fā)空泡穴蝕，進(jìn)而觀察穴蝕部件的失重和表面小孔性質(zhì)來(lái)表征穴蝕。這一單維、靜態(tài)的表征手段無(wú)法準(zhǔn)確地反映出在艦船發(fā)動(dòng)機(jī)缸套多維、動(dòng)態(tài)的復(fù)雜工作條件下材料的抗穴蝕性能，制約著對(duì)防穴蝕材料性能的評(píng)價(jià)。

針對(duì)穴蝕研究存在的上述2方面問(wèn)題，如何提出新技術(shù)、新方法對(duì)現(xiàn)有的研究手段進(jìn)行改進(jìn)顯得尤為迫切。采用流體力學(xué)計(jì)算模型模擬等研究方法動(dòng)態(tài)表征穴蝕過(guò)程是當(dāng)前一種較為新穎的研究方法，未來(lái)穴蝕的研究手段將會(huì)在單維、靜態(tài)的基礎(chǔ)上，逐步向著多維、動(dòng)態(tài)的方向發(fā)展。