機車冷卻水質量分析

張國軍

（中國鐵路北京局集團有限公司北京機務段，北京 100010）

內燃機車柴油機冷卻水采用經過凈化的軟水，以減少結垢、電化學腐蝕及氣泡穴蝕等弊病，同時可提高散熱效果、延長機件的工作壽命。2020年，北京機務段漏水的現象非常嚴重，嚴重影響了機車質量及運用，根據段領導指示，對冷卻水的質量進行細致調查，緩解漏水問題。

1 原因分析

1.1 機車冷卻水系統介紹

目前使用的柴油機一般采取的是半封閉式壓力循環(huán)的冷卻系統，分為高溫及低溫水系統。其中，高溫水系統負責對氣缸蓋、氣缸套、增壓器進行冷卻，主要流經柴油機機體水腔及增壓器水腔；低溫水系統負責對增壓器壓氣機吸進來的增壓空氣及柴油機的潤滑油進行冷卻，流經的部件有中冷器及機油熱交換器。

1.2 機車冷卻水系統的功能

在燃燒中，氣缸內燃氣的溫度很高，處于2 200～2 800 K（1 K=273.15+1 ℃），循環(huán)的平均溫度也有970～1 300 K，與高溫氣體接觸的機件將劇烈受熱，如果不及時解決高溫問題，會造成內燃機車功率下降，機件的磨損加劇、卡滯甚至損壞。為了保證柴油機的正常使用，必須對高溫部件進行冷卻。

溫度過低會使燃燒室內的柴油氧化效果降低，需要更多的柴油機提供機車所需的動力，而且內燃機凉的表面會導致燃燒不充分，一些未完全燃燒的柴油會沿著氣缸壁流入油底殼，造成機油稀釋，嚴重時會造成氣缸壁拉傷。

為保證內燃機的正常運轉及使用壽命，冷卻水系統起到很大的作用。所以，機車目前都使用配方水。其中，北京機務段使用的是3號配方水。

2 配方水介紹

我國內燃機車用冷卻水及其處理經歷3個階段。

第一階段，采用軟化水加重鉻酸鉀、壓硝酸鈉等復合軟化防腐劑，防垢及防穴蝕效果良好，管系內基本無水垢，且在金屬表面形成一層保護膜。但是，該冷卻液對機體有致癌性，會嚴重污染環(huán)境，因此，在1972年左右停用。

第二階段，采用自來水加NL型乳化防銹油的冷卻液，操作簡單，但使用一段時間后發(fā)現析油、析皂嚴重，缸套表面及管系內沉積油泥，散熱器性能下降，缸套穴蝕，橡膠密封圈溶脹造成泄漏，且成本較高，因此，已于1986年停止使用。

目前，機車使用的冷卻水主要由中性水添加緩蝕劑制成，北京機務段使用的3號配方水的緩蝕劑的主要成分有硼砂、硅酸鈉、亞硝酸鈉、苯駢三氮唑，對機車防腐蝕起到一定作用。

硼砂也叫四硼酸鈉，常指四硼酸鈉的十水合物，即NaB4O7·10H2O，是一種pH緩蝕劑（pH≈9.0），對鐵有良好的緩蝕作用，主要以吸附性膜覆蓋陽極表面，減緩金屬的電化學反應，達到緩蝕目的。

硅酸鹽是鋁和鋁合金的特效緩蝕劑，可以有效降低鋁泵發(fā)生氣穴腐蝕的概率，對鋼鐵和有色金屬有一定的防護作用，是一種沉淀膜型緩蝕劑（保護膜分為氧化膜、沉淀膜、吸附膜），對pH不敏感，在pH高或低時都能在多數黑色或者有色金屬表面形成較堅硬的硅質保護膜。當硅膜厚度為200～500 μm時，對黑色和有色金屬均有良好的緩蝕作用。

亞硝酸鈉是氧化膜型緩蝕劑，具有良好的防止鑄鐵氣缸襯里點蝕性能，多用于重負荷冷卻液，為鈍化性和吸附性兼顧的陽極型緩蝕劑，能減緩陽極的電化學反應。同時，由于亞硝酸根離子吸附在黑色金屬上并占據了晶格中最活潑的位置，降低了反應強度，使金屬處于鈍化狀態(tài)，是鑄鐵、碳鋼的特效緩蝕劑。

苯駢三氮唑（C6H5N3）是鋼及其合金的良好緩蝕劑，不但可與這些金屬生成穩(wěn)定的絡合保護膜，減慢金屬腐蝕速度，還可以減少因銅腐蝕形成的銅離子在鑄鋁和焊錫及鋼鐵等金屬中二次析出而造成的電偶腐蝕。

2.1 發(fā)現問題

在長時間使用機車的過程中，機車漏水的故障率比較高。據統計，2020年，北京機務段共更換冷卻單節(jié)105組，更換DF7型機車缸套37組。針對如此嚴重的漏水情況，北京機務段組織專業(yè)人員從源頭進行分析，發(fā)現冷卻水有大量不合格現象。經統計，一個月期間，北京機務段機車冷卻水不合格率達79.30%，不合格冷卻水出現硬度不合格20臺次，占比87.00%；總離子濃度不合格14臺次，占比61.00%；外觀不合格11臺次，占比48.00%，屬嚴重異常情況。針對此現象，從制水環(huán)節(jié)至換水過程進行深入調查，發(fā)現以下兩個問題：（1）制作環(huán)節(jié)：化驗制水間制出的樣品存在不合格問題。（2）換水環(huán)節(jié)：對一臺外觀檢查渾濁的機車進行換水試驗，經過多次換水后，該車的冷卻水才勉強清晰，經過化驗仍然不合格。

2.2 現場調查及分析

（1）現場發(fā)現制水箱體內有大量雜質，且外部環(huán)境比較差，導致成品配方水混入雜質，造成冷卻水不合格。

（2）根據實際情況中出現多次換水而冷卻水仍然不合格的問題，北京機務段進行了深入分析。經過調查發(fā)現：DF11G型機車實際放水量約820 L，上水量約1 000 L，車上大約有280 L的不合格冷卻水無法放凈，DF7型機車實際放水量約550 L，實際水量約800 L。

無法放凈的原因如下：

①柴油機機體：包括缸套水腔、氣缸蓋、中冷器及部分管路無法排放干凈，原因為：首先，機體各個部件為不規(guī)則部件，放水時冷卻水肯定會有部分殘留；其次，柴油機機體缸套冷卻水腔在輸出端有兩根放水管，但是由于多次發(fā)生管路漏水問題，按照《關于對280柴油機排水管改造的通知》（京技通[2012]23號）文件規(guī)定，已經改為死堵，所以北京機務段配屬機車的柴油機沒有機體放水管，導致機體內冷卻水不能徹底放凈。

②冷卻夾角：由于內燃機車的冷卻單節(jié)的走向為蛇形，且冷卻夾角最底部沒有放水管，單節(jié)底部的水無法放凈。

③增壓器改型：由于前期280型柴油機所用VTC254-13型水冷增壓器已經逐步轉型為TPR56-F型油冷增壓器，水冷增壓器的排水管上部有排氣管，在上水及放水過程中可以充分排氣，更大程度地滿足上水及放水量要求。

（3）配件質量問題。目前，北京機務段漏水比較嚴重的是內燃機車的冷卻單節(jié)及DF7型缸套。

首先，分析散熱器（冷卻單節(jié)）問題。散熱器由上下鑄鋼連接箱、紫銅管板、散熱片及扁銅散熱器等組成。北京機務段積極與戚墅堰等廠家及大連通鐵公司進行溝通，對3個泄漏的冷卻單節(jié)進行切割檢查，發(fā)現冷卻單節(jié)的泄漏點均在高溫部分（DF11型機車單節(jié)為雙流道單節(jié)，外部的5排管路為中冷管路，內部的3排管路為高溫管路）。冷卻單節(jié)的扁擴圓處有明顯雜質，其中還有一粒尖銳狀雜質，經分解發(fā)現雜質為泥沙混合物。根據對泄漏銅管的解剖，確認是異物引起的電化學腐蝕泄漏。原因為異物附著在管壁上，會造成沉積物下的金屬和沉積物形成氧濃差腐蝕原電池，導致局部管壁遭受腐蝕損傷。由于冷卻單節(jié)內部散熱器為紫銅片，且3號配方水中的苯駢三氮唑主要負責保護銅穴蝕，經過戚墅堰廠家的長時間使用，發(fā)現3號配方冷卻液中黃銅保護劑苯駢三氮唑的濃度對銅管表面保護膜的形成非常重要，建議在緩蝕劑中提高該成分的濃度。

其次，分析DF7型缸套問題。缸套分為干式及濕式兩種。其中，DF7型機車使用的是濕式氣缸套，內層是氣缸套，與活塞、活塞環(huán)、氣缸蓋（缸頭）組合構成燃燒室；外層是水套，厚度為7 mm（DF11缸套厚度為23～28 mm）。所以，在長期穴蝕下，水套極易造成穴蝕漏水。柴油機工作時，水套內冷卻水在活塞側壓力下產生高頻振動，使冷卻水中的空氣或氣體均以氣泡形式分離出來，當壓力和溫度升高到一定值時，這些氣泡發(fā)生崩潰（類似爆破的形式），產生強大的壓力波，猛烈沖擊和剝蝕水套內壁。這一過程反復進行，使水套內壁層產生疲勞剝落，久而久之產生蜂窩狀小孔，小孔擴大、加深，直至破壞和穿透。采用分體冷卻的柴油機，由于內層氣缸套與外層水套之間的水腔狹小，水溫升高快，水套內壁形成的穴蝕更多，穴蝕程度更加明顯。

3 問題整治及措施

（1）針對制水環(huán)節(jié)出現的問題，北京機務段及時清理制水及冷卻水的儲水罐，并要求每月定期進行清理，保證內部清潔，要求制水師傅在每次制水后將水樣送至化驗室進行化驗，合格后才能正常上車使用；對于制水間儲水罐內部的蒸汽加熱管路銹蝕殘缺問題，北京機務段及時聯系設備部門進行修理，經過近一個月的整治，該問題已經解決。

（2）針對冷卻單節(jié)泄漏問題，技術科積極與中車戚墅堰公司進行溝通，統計長時間使用的數據，發(fā)現提高苯駢三氮唑濃度的機車冷卻單節(jié)泄漏的比例遠低于普通的3號配方水。所以，建議改進3號配方水。

（3）針對DF7型缸套頻繁泄漏問題，根據大數據的統計分析：自2020年1月開始，共有19臺機車更換缸套45組次。其中，中修后機車15臺，共更換缸套34組次，大修后機車4臺，共更換11組次。

從數據分析，首先，中修后機車更換34組，大修后機車更換11組，可見中修工藝水平比較低。其次，缸套更換數據沒有重復，說明缸套更換一次后可以維持一個中修；但是目前大修和中修的范圍要求只對缸套進行檢查（穴蝕深度不超過 2 mm），配件不更新，造成配件沒有使用壽命管理，在使用過程中大量配件漏水，所以建議中修或者大修更新配件。

（4）自2016年開始，北京機務段連續(xù)發(fā)生DF11G型機車大修回段后水箱漲水問題，具體情況為：正常加水至水箱溢水管溢水后，關閉上水閥，啟動柴油機，水位下降約1/4，提手柄至1 000 r/min時，水位下降至1/2以下，回手柄時水位恢復并從水箱溢水閥及水箱自動排氣孔處溢水。此問題反復試驗多次發(fā)生，經過對水箱的上水管及冷卻單節(jié)的拆解發(fā)現，水管路及單節(jié)內部均有大量的水垢，導致上水時水位不是實水位。在柴油機啟動、冷卻水開始循環(huán)后，水位下降，當柴油機轉速減慢，機體內部的水帶著未排凈的氣體循環(huán)到水箱內，導致故障。根據此現象，北京機務段對準備上水環(huán)節(jié)進行了細化，要求在上水過程中將全部排氣閥打開，當水位至膨脹水箱的2/3位置時，啟動柴油機，繼續(xù)上水至水箱溢水管出水，且保證冷卻期間排氣閥排水流暢無氣塞，將上水閥關閉。

4 結語

冷卻水是內燃機車的主要冷卻媒介，通過冷卻保證柴油機的爆發(fā)、配件的質量、機車的運行等。經過近一年的調查及整治，北京機務段2021年近半年的時間漏水問題得到了明顯的改善，機車質量得到了保證。