主機缸套異常磨損分析與管理策略

摘 要：航行中，主機氣缸內連續(xù)性機械敲缸，檢查發(fā)現(xiàn)缸套上面已經產生了1mm的臺階，而如此情況卻在多艘船上出現(xiàn)。試著從氣缸套的磨損機理入手，分析引起缸套異常磨損的可能因素，并提出實船管理策略，旨在找出產生異常磨損的真正原因，降低再次發(fā)生故障的可能性。

關鍵詞：異常磨損；潤滑機理；殘油分析；管理策略

0 引 言

2017年7月，某輪在大西洋航行時，突然發(fā)現(xiàn)主機（MAN 6 S50MC-C，ALPHA電子氣缸注油器）NO.6發(fā)生連續(xù)性機械敲缸，在得到駕駛臺同意之后停車漂航，拆檢，發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)槽與缸套均出現(xiàn)了異常磨損，且缸套在第一道活塞環(huán)上止點的位置有約1mm的臺階，最終更換船存?zhèn)溆没钊c缸套后恢復航行。近年來，關于主機缸套發(fā)生缸套異常磨損的情況屢見不鮮。同行之間交流發(fā)現(xiàn)，電子氣缸注油器或電控型的主機相比使用傳統(tǒng)機械式注油器的主機，發(fā)生缸套異常磨損的概率較大。鍍鉻缸套的正常磨損率為0.01～0.03mm/Kh，磨損極限為0.4%～0.8%D（缸徑），如果短期內超過這種磨損速率，我們認為缸套發(fā)生了異常磨損。

1 氣缸潤滑機理

隨著低速二沖程發(fā)動機MEP（平均有效壓力）的提高，劣質燃油的使用以及長期低負荷運行引起的燃燒不良等綜合因素，讓氣缸潤滑條件更加惡劣，如果實船管理中沒有針對性的措施，會加大缸套發(fā)生異常磨損的概率，從而使氣缸油本應具有的減摩、防腐、密封、帶走燃燒殘渣和降噪的作用而逐步喪失。

1.1 氣缸潤滑狀態(tài)

高溫是油膜形成的最大障礙，正常情況下，缸套上部表面溫度在200℃左右，下部表面溫度約90℃～120℃，高溫讓氣缸油的黏度下降、氧化、蒸發(fā)。

活塞往復運動時的速度在行程中部時最大，而在上下止點時，速度為零。只有缸套中部才能實現(xiàn)液體動壓潤滑，在上下止點時，只能滿足邊界潤滑。到達上止點位置時，由于高溫和活塞環(huán)對缸壁的徑向壓力最大，尤其是第一道環(huán)，如果發(fā)生不正常的情況，可能邊界潤滑條件都無法滿足。

劣質燃油中高硫分、高灰分、高殘?zhí)贾怠⒏吖桎X和高瀝青含量等會造成低溫腐蝕、固體顆粒磨損和結炭增加，引起活塞環(huán)在環(huán)槽中咬住、斷環(huán)、燃氣下竄等連鎖反應式故障。

1.2 磨損機理

缸套磨損存在腐蝕磨損、粘著磨損及磨料磨損三個方面的磨損機理，具體簡述如下。

（1）腐蝕磨損

腐蝕磨損包括：a.缸套水溫太低；b.氣缸注油定時錯誤；c.由于氣缸油量不足或氣缸油分布不正常而無法中和燃燒產物中的H2SO4；d.燃油中進入海水或空氣中鹽分過高引起燃燒產物中存在HCL； e.熱負荷過高使得活塞環(huán)斷裂或其他形式損壞。

（2）由于油膜破壞引起的微咬合粘著磨損

油膜破壞性的粘著磨損主要原因包括：a.活塞環(huán)與缸套材質不匹配；b.注油定時不正確。c.熱負荷過高使得活塞環(huán)斷裂或其他形式損壞。d.缸套表面珩磨紋消失而產生“鏡面”現(xiàn)象，產生“鏡面”的原因來自化學性和機械性兩個方面。一是氣缸油中總堿值與燃油實際含硫量不匹配而中和過度（總堿度過高），剩余的堿值主要成份是氫氧化鈣，與燃氣中的二氧化碳在高溫下生成碳酸鈣（俗稱石灰石），此物聚集在活塞項部和第一道活塞環(huán)處像磨刀石一樣很快把缸套表面的珩磨紋磨掉，此為“化學性鏡面”；二是活塞頂部過多的燃燒沉積物或不合適的活塞環(huán)將油膜破壞，此為“機械性鏡面”。e.從掃氣口進入氣缸的空氣含水量過高，比如：掃氣溫度過低、空冷器氣液分離裝置失效或空冷器漏水等。

（3）由于外部雜質引起的局部磨料磨損

產生磨料磨損的原因主要有：a.來自劣質燃油中的catalytic fines； b.由于其他磨損形式產生的鐵質材料進入缸套與活塞環(huán)之間；c.燃燒產物中的硬質顆粒；e.來自空氣中的雜質。

2 導致異常磨損的主要因素分析

2.1 氣缸油的問題

（1）氣缸油牌號的選擇

船用氣缸油復合添加劑因生產廠家，生產原料及配方不同，使用性能會存在很大差異，對要求苛刻的氣缸潤滑尤為重要。氣缸油是由基礎油與添加劑組成?；A油受提煉原油先天性質、煉制技術、廠家生產工藝等因素影響，使其在黏度指數(shù)、抗氧化性、穩(wěn)定性等方面受到限制，只能依靠添加劑來改善綜合性能。添加劑主要有清凈劑（清除高溫結膠和積碳）、抗氧化劑（阻止高溫下與氧反應而變質）、抗腐蝕添加劑（避免硫分與有機酸的腐蝕）、黏度指數(shù)改良劑（改良黏度特性）、抗磨損添加劑（通過化學反應產生保護膜修復*接口潤滑狀態(tài)，防止金屬間直接摩擦）、堿性添加劑（中和酸性燃燒產物）、極壓添加劑（氯或磷等硫化物，發(fā)生接口潤滑時保護金屬表面防熔接或咬痕）等等。

注：*接口潤滑，指高溫高壓狀態(tài)，金屬表面在高熱膨脹時，將油膜瞬間擠開而形成金屬表面間直接摩擦。

船東在選擇氣缸油時，最好使用市場上信譽良好的品牌，并根據(jù)服務通函要求給予船上正確的操作指導。

（2）注油定時

理論上，注油定時在活塞上行時，第一道活塞環(huán)經過注油孔時，開始向缸內注油，查閱某輪主機MAN 6S50ME-B9.2SPAF軟件，設定注油定時是-71.5DEG.（指第一缸的定時是上止點前71.5DEG，根據(jù)發(fā)火順序可以推算到其他各缸的定時）；某輪主機MAN 6S60ME-C8.5SPAF軟件，設定注油定時是-66.7DEG.。

實船注油定時檢查方法：

主機停車，將NO.1缸的其中一只注油槍取出，正車盤車，當從注油孔觀察到第一道活塞環(huán)時，停止盤車，檢查此時飛輪刻度a0，a0-3600=b0，b0與ECS系統(tǒng)中SPAF文件中設定值相比較是否一致。例如，SPAF中設定值是-71.50，那此時飛輪刻度應該是3600-71.50=288.50。

（3）注油率

在為了追求低燃油消耗，主機降功率，增加了氣缸內水分與酸的形成，使得冷腐蝕增加；主機長期低負荷運行；SECA區(qū)域使用低硫油或餾分油（MGO），以上狀況在實船管理中使用的氣缸油注油率科學合理嗎？傳統(tǒng)的只依靠運行時間和基于掃氣口檢查的方法，可能不適應以上特殊的工況要求。解讀MAN相關技術文件（sl2014-587），主機初期磨合的前500h和ACC模式下確定合適的ACC factor相當重要。

0～500h，根據(jù)時間如下步驟逐減氣缸注油率，但每次遞減都需要基于掃氣口的仔細檢查。

ACC factor確定，理論上說，500h后進入ACC（adaptable cylinder-oil control）模式，采用該模式的理念是盡可能將氣缸油控制在一個“不多不少”的安全范圍，既保證了氣缸油的功效又節(jié)約了成本。ACC模式下氣缸油的注油率=ACC factor*S%，S%含量可以從燃油的化驗報告中獲得，但ACC factor是要通過一定技術方法取得的。根據(jù)選用氣缸油BN值不同，廠家推薦的ACC factor是不同的，圖2是BN100在MK8以上的機型ACC范圍。圖中規(guī)定了最小注油率0.6g/kWh，只有當燃油含硫量達到一定值時（≥1.5S%m/m），進入ACC active area，確定ACC factor才有意義。

確定ACC factor不是通過計算得出的，而是通過掃氣口檢查或活塞下部殘油取樣化驗分析Fe與BN成分決定的，圖3顯示了殘油化驗中BN與Fe含量合適的關系，BN≥10-25mgKOH/g； Fe≤200mg/kg。為了快速找到合適的ACC factor，可以通過sweep test程序得到不同注油率下殘油成分中的BN與Fe含量，通過圖表找到合適的ACC factor。

根據(jù)殘油分析，可以送實驗室也可由船用化驗裝置進行。實驗室化驗數(shù)據(jù)相對全面，但是送樣困難，數(shù)據(jù)采集時間不及時。船上化驗主要數(shù)據(jù)采集分析及時，但設備費用較高。

筆者認為，電控型主機的新船配此設備還是值得的。

sweep test：如圖4所示，為了縮短找到合適ACC feed rate factor的周期，通過sweep test程序，測得不同注油率下各缸殘油的Fe/BN含量，從而找到合適的ACC factor。sweep test需要滿足一定條件，燃油的含硫量足夠高（2.8～3.5S%m/m），4～6天的穩(wěn)定負荷下運行，注油率分別從1.4，1.2，1.0，0.8，0.6g/kWh按每24h遞減，每個注油率下運行24h后分別取樣各缸掃氣口殘油化驗，需要取樣化驗的油樣還包括剛開始執(zhí)行sweep test程序時的殘油。sweep test 程序結束后，恢復到原先注油率下運行，直到化驗結果得到合適的 feed rate factor。

2.2 燃油的問題

劣質燃油的特點：高密度、高黏度、高硫含量、高殘?zhí)贾?、高瀝青含量、高灰分、高水分、高凝點、硅鋁（cat fines）含量超標、釩鈉含量高、穩(wěn)定性差等。其中高殘?zhí)贾?、高硅鋁、高瀝青含量容易造成燃油高壓油泵的柱塞與套筒偶件和油頭針閥偶件卡住。高灰分、硅鋁含量超標、其他硬質顆粒以及燃燒不良產物容易在缸套與活塞環(huán)之間形成磨料磨損，尤其是高硅鋁含量產生的磨損速度很快。高硫含量且氣缸供油量長期不匹配容易使缸套表面發(fā)生腐蝕磨損。高釩鈉含量容易引起高溫腐蝕。

關于catalyst fines，見圖5，其主要成分是AL2O3+SIO2，燃油提煉時使用的催化劑，ISO8217-2017允許標準是60mg/kg，柴油機廠家要求小于15mg/kg。一旦大量進入燃燒室會嵌入缸套表面，引起快速劇烈的磨料磨損，同時還會對油頭和油泵有磨損。據(jù)經歷過“硅鋁磨損”的同行介紹，當其含量達到一定標準后，24h內就發(fā)生斷環(huán)和缸套快速磨損的嚴重后果。

2.3 燃燒不完善的問題

（1）長時間超負荷運行：主機超負荷運行包括超熱負荷和機械負荷，下列情況可能會產生，如：船體被海生物嚴重污染后依然高負荷運行、惡劣海況航行、燃燒室部件密封不良引起高排溫、各缸負荷嚴重不均引起個別缸高負荷運行等。

配有COCOS-EDS軟件的主機監(jiān)控系統(tǒng)，可以在主機負荷曲線界面觀察。

（2）長期低負荷運行（經濟航速）：由于市場不景氣，船舶跑經濟航速已是司空見慣，主機長期部分負荷運行，勢必會產生燃燒不良、燃燒室及排氣系統(tǒng)積碳。如此，主機的日油耗量是減少了，但主機工況會漸漸變差，故障率提高，維護保養(yǎng)周期縮短。另外，主機長期部分負荷運行，要依據(jù)掃氣口檢查或活塞下部殘油化驗結果適當調整氣缸注油率。

（3）長期燃燒不良或后燃：可以通過測量示功圖，結合主機的熱工參數(shù)分析判斷。

（4）冷卻水系統(tǒng)：良好的缸套水冷卻，有如下指標，水質化驗指標正常、壓力正常、溫度正常等。對于沒有JBB或LDCL系統(tǒng)的缸套冷卻系統(tǒng)，冷卻水溫過低會加重低溫腐蝕，過高會破壞氣缸油油膜的形成。如果長期水質不良，使得缸套水腔壁結垢加重，久而久之會形成主機高溫冷卻水進出口溫差變大，引起燃燒室部件熱應力變大。

（5）主機活塞下部正確放殘：目前的主機活塞下部放殘都設計成常開型的，實船管理中要定期確認放殘管是否暢通。

2.4 設計與材質問題

（1）活塞頂部與活塞環(huán)部分變形：這種現(xiàn)象容易發(fā)生在翻新的活塞頭，和熱負荷過大、斷環(huán)、積碳嚴重等引起的活塞環(huán)槽變形、損壞，當發(fā)生如此現(xiàn)象后，油膜無法形成。

（2）活塞環(huán)與缸套材質匹配合適：活塞環(huán)的表面硬度應在HB180-250之間，且同一環(huán)的表面硬度差小于HB20，環(huán)的表面硬度應該略高于缸套表面硬度HB10-20，如果環(huán)的表面硬度太高，容易引起環(huán)與缸套的異常磨損。營運中，活塞環(huán)備件的來源十分重要，原則上要選用原廠備件，一旦某次使用的活塞環(huán)因為材質、加工工藝等質量問題而使缸套產生異常磨損，最終只能更換缸套才能徹底解決問題。

（3）搭口、天地間隙：廠家關于環(huán)的搭口、天地間隙有推薦值，如果過分小于該值，運行中的活塞環(huán)沒有膨脹余地而產生對頂彎曲，或環(huán)在槽中咬死而損壞。建議新活塞環(huán)在安裝前在缸套內做予安裝檢查，仔細檢查環(huán)在缸套內狀態(tài)，尤其是搭口倒角處是否存在對氣口有刮擦的可能。

（4）氣缸油注油槽形狀：如果缸套氣缸油注油槽形狀是連續(xù)圓環(huán)（非波浪型）形狀，高溫下活塞環(huán)過油槽時，環(huán)的上下邊緣容易與油槽相擦，久而久之，缸套磨出臺階，活塞環(huán)損壞。此種注油槽形狀設計引發(fā)的故障引起了MAN廠家的重視，并在后期的產品中作了改進。

2.5 實船管理中存在的問題

通過對照上文缸套磨損機理中的分析，引起缸套異常磨損的真正原因歸根結底大都來源于實船管理中存在的問題。這些問題，主要體現(xiàn)在管理者的管理理念，對新技術、廠家新要求掌握不足，憑老經驗操作，缺乏通過技術手段掌握可靠的數(shù)據(jù)支持，尤其在共軌式氣缸注油系統(tǒng)、燃油管理和電控型主機性能參數(shù)測量與調整方面等。

3 實船管理策略

3.1 掃氣口檢查的重要性

掌握正確的檢查方法與判斷標準很重要，檢查時借助電筒、反光鏡、塞尺、非金屬棒等工具進行操作，檢查者要通過掃氣口兩側進行檢查，不能僅僅通過主機操作側的道門口檢查，還要進入掃氣箱仔細檢查，每次檢查兩人以上，并根據(jù)廠家提供的檢查表如實記載《主機掃氣口檢查記錄表》，拍照存檔，便于后期比較。實船管理中，輪機長與大管輪的工作責任心、方法和經驗決定了檢查結果的可靠性，太多事實證明，當主機缸套發(fā)現(xiàn)異常磨損時，前期的掃氣口檢查工作都沒有做仔細。

3.2 氣缸油系統(tǒng)的管理

氣缸油定時、注油率等問題上文作了簡述，在實船管理中需要注意以下問題：

（1）Alpha電子注油器：系統(tǒng)中進口、出口處蓄壓器壓力分別為1.5bar，30～40bar，確保正常。

（2）估算功率（Estimated Engine Load）與PMI功率調整至相差小于2%。

（3）最小注油率在0.6～0.7g/kWh，有條船主機把此值設定在1.7g.kWh，運行幾千小時后，出現(xiàn)了各缸套異常磨損的嚴重事故。

（4）低負荷下長期運行，因為冷腐蝕發(fā)生機率提高，需要適當提高缸套水溫，注油率適當增加（此時經常性的掃氣口檢查是十分必要的）。

（5）使用低硫HFO時，注油率推薦最小注油率并經常掃氣口檢查。

（6）使用LSMGO時，推薦使用低堿值氣缸油，如果船上只有高堿值氣缸油，建議使用最小注油率并加強掃氣口檢查，從上文可知，堿值過高會引起缸套鏡面化，大家往往會擔心注油率降低后基礎注油量不足，而不采取任何措施，短時間運行可能問題不大，但長時運行會給缸套帶來嚴重磨損。

（7）確保TACHO系統(tǒng)的正常運行。

（8）由于電控型注油器的注油并非每個沖程都注油的，如果缸套珩磨紋沒有而鏡面化后，缸套表面儲油能力降低，活塞環(huán)與缸套“干摩擦”的機率增加，缸套異常磨損會加快。

3.3 充分利用MAN ME系列的PMI系統(tǒng)，掌握發(fā)動機工況

PMI（pressure measuring indicating system）系統(tǒng)分為在線（ON-LINE）和非在線（OFF-LINE）兩種方式。PMI系統(tǒng)配上COCOS-EDS系統(tǒng)，可實現(xiàn)對主機的數(shù)據(jù)記錄、監(jiān)視、柴油機性能分析診斷、記錄延伸等，系統(tǒng)通過船舶局域網經過VPN（虛擬專用網絡），由海事通訊衛(wèi)星和地面通訊網絡，最終將信息送到岸基管理部門。根據(jù)MAN的發(fā)展計劃，目前已實現(xiàn)通過船舶通訊衛(wèi)星經過船舶專用VPN-局域網-M GUARD模塊-MOPB，進行發(fā)動機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)在線升級。

ME系列柴油機根據(jù)PMI測量的數(shù)據(jù)調節(jié)主機性能參數(shù)時可參考如下步驟進行：

（1）測量主機低負荷時的平均指示壓力Pi，并進行各缸之間的均衡調節(jié)；

（2）測量主機高負荷時的平均指示壓力Pi，并進行各缸之間的均衡調節(jié)；

（3）檢查主機高負荷時的壓縮壓力，并進行各缸之間的均衡調節(jié)；

（4）評估主機平均壓縮壓力，根據(jù)柴油機特性適當整體調整；

（5）檢查主機高負荷時的爆壓，并進行各缸之間的均衡調節(jié)；

（6）評估主機平均爆壓，根據(jù)柴油機特性適當整體調整。

以上6點是調節(jié)主機性能參數(shù)的基本順序，輪機人員在調節(jié)過程中要思路明確，堅持這樣的原則：所有軟件上的調節(jié)都是建立在機械設備工況正常的基礎上進行的。不可操之過急，不要只追求單項參數(shù)“令你滿意”。以筆者的經驗，不必試圖將所有參數(shù)的偏差調得都接近0，因為那樣，你會“難以滿足”，只要在廠家推薦的允許范圍之內就好了。

3.4 加強燃油管理

（1）燃油申請時，注明具體燃油規(guī)格（參照租船合同），如：ISO8217-2010（2017）IFO 380CST RMG，以免出現(xiàn)加油規(guī)格模糊。提前做好油艙準備，合理安排加油艙，按比例添加燃油添加劑，盡可能減少不同港口和不同規(guī)格的燃油被混艙的概率。

（2）加油前，仔細核對加油信息，向供應商索要燃油化驗單（蓋章），如發(fā)現(xiàn)不正常立刻與租家、公司相關部門報告。嚴格執(zhí)行加油程序，全程取樣與監(jiān)督，對不良現(xiàn)象拍照。

（3）認識cat fines對設備傷害的嚴重性，cat fines有個重要特性就是溶水性好，通過沉淀、有效分離和過濾是完全可以將其含量降到相對安全的范圍。

①燃油沉淀柜、日用柜可靠放殘；在換用不同港口、規(guī)格的燃油艙時，控制燃油沉淀柜、日用柜內的油位，減少混油比例。

②加熱溫度盡可能提高，但不能引起水分汽化，溫度控制在96℃～98℃。

③控制分離量（小于30%額定流量），必要時雙機并聯(lián)或串聯(lián)運行以滿足日常使用需要。

④根據(jù)燃油密度選用合適的比重環(huán)對cat fines的去除有重要意義，在保證出水口沒有油的提前下，比重環(huán)內徑越大對分離效果越好。從不更換比重環(huán)的實船操作習慣不利于分離質量的保證。

⑤目前，MAN廠家推薦使用10μm燃油精濾器，從磨損機理分析，大于15μm的顆粒對磨料磨損有主導作用，因此保證此濾器的清潔與完整性十分重要。但早期船舶配置的燃油濾器精度在50μm左右，這種情況下，只能通過分離來保證了。

⑥ 必要時對分油機出口處燃油取樣送檢化驗，為日后的分油機管理工作積累經驗。

⑦定期保養(yǎng)分油機，清潔分離盤、配水裝置等，保證其正常工作。

（4）船上的燃油不要儲存太久，但新加燃油需要沉淀些日子再使用。每次新油使用初期，密切關注主機、副機、鍋爐的燃燒狀況，發(fā)現(xiàn)異常情況，綜合分析，停止使用有懷疑的燃油，做好燃油使用記錄、機器參數(shù)記錄、取樣、拍照取證等工作，為索賠提供證據(jù)支持；或條件允許對新加燃油進行第三方取樣化驗，確認可靠之后方可使用。建議管理部門建立全球港口燃油質量信用清單，提醒船員高度重視。

（5）加強船舶油料加裝、使用記錄管理，可參照船舶進入SECA時的用油記錄，詳細的用油記錄有助于幫助對意外情況的分析。

3.5 燃燒室部件保養(yǎng)

常規(guī)的維護保養(yǎng)要點，本文不做討論，針對缸套異常磨損的問題，如下問題需要在實船中關注。

（1）活塞環(huán)安裝檢查，先將新環(huán)放在缸套里預安裝，檢查各環(huán)在缸套上中下不同部位時，與缸套的貼合情況，是否存在透光、接觸面不均勻、環(huán)的搭口與掃氣口相刮等現(xiàn)象，并做出具體分析與處理。

（2）噴油器拆檢：每缸中噴油器的啟閥壓力要差不多，滑閥式噴油器不要在試驗臺上做霧化測試，因為在做霧化測試時，針閥受到高壓差而產生升程低的高頻振動，造成磨損或咬住的可能。

（3）排氣閥拆檢：關注閥桿與閥座密封堆面的角度與磨損程度。正常情況下，冷態(tài)時閥與座為內接觸，受熱狀態(tài)下會慢慢變成平行接觸，在每次拆檢和研磨后需要檢查測量兩者間的相對角度是否正確，如果在冷態(tài)時接觸面不在內口處，運行中容易發(fā)生“blow by”。密封堆面耐熱合金層一般是3mm，最大磨損量達到2mm就不能使用了。

4 結束語

缸套產生異常磨損，可能因素很多，筆者認為類似cat fines磨料磨損和注油定時錯誤會引起極短時間內的快速異常磨損，而氣缸油不足、冷腐蝕之類的腐蝕磨損引起的異常磨損是個長期積累的過程。燃燒室部件的日常管理在于精細化，重在防范。對設備的按計劃保養(yǎng)和視情保養(yǎng)都不能馬虎，主機主要熱工參數(shù)測量與分析并調整在最佳狀態(tài)、掃氣口檢查、掃氣口殘油取樣化驗、分油機管理、過濾設備的檢查保養(yǎng)，燃燒部件的保養(yǎng)對提高主機運行的可靠性有十分重要的意義。

作者簡介：

朱曉亮，高級輪機長，（E-mail）zxl@josco.com.cn，13962766360