平舒電廠(chǎng)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕原因及解決措施

蔡子龍

（晉中市陽(yáng)煤揚(yáng)德煤層氣發(fā)電有限公司 山西 晉中 045400）

穴蝕又叫空蝕、氣蝕、空化和空泡腐蝕。穴蝕也是一種局部腐蝕，特征是氣缸套表面聚集著小孔群，呈蜂窩狀或分散狀的孔穴，孔穴直徑一般在1 mm以上，孔洞表面無(wú)腐蝕物沉積。穴蝕一旦形成，發(fā)展迅速，孔洞會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大、變深，甚至穿透缸壁，導(dǎo)致缸套報(bào)廢，顯著降低了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和工作穩(wěn)定性，同時(shí)提高維修費(fèi)用，增加了運(yùn)營(yíng)成本。

1 G12V190ZLDT1-2型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)是一種將其他形式能量（如燃料內(nèi)能）轉(zhuǎn)化成機(jī)械能量的動(dòng)力裝置，主要為生產(chǎn)或者生活提供動(dòng)力。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的類(lèi)型也在不斷改進(jìn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)變化，但是發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該具備的基本元素不會(huì)發(fā)生變化，包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)。其中氣缸故障主要發(fā)生在曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組三部分，構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。配氣機(jī)構(gòu)完成發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣過(guò)程，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。G12V190ZLDT1-2型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)功率為500 kW機(jī)組，12缸V型排列，缸徑190 mm，為渦輪增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸套發(fā)生穴蝕的原因

迄今，氣缸套發(fā)生穴蝕的根本原因還不完全清楚，但是研究者一致認(rèn)為與氣缸套高頻振動(dòng)和冷卻水?dāng)y帶電解質(zhì)有關(guān)。氣缸套穴蝕是以惡搞復(fù)雜的過(guò)程，包括物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程，氣缸套在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖下高頻振動(dòng)引起空泡潰滅是產(chǎn)生穴蝕的根源，冷卻水?dāng)y帶的電解質(zhì)引起電化學(xué)腐蝕起到促進(jìn)作用。

2.1 缸套高頻振動(dòng)引起空泡潰滅

（1）氣泡的產(chǎn)生：穴蝕是由于氣泡破裂產(chǎn)生局部沖擊高壓而形成的，那么氣泡如何產(chǎn)生就成為了穴蝕的關(guān)鍵所在。①液體中含有一定量的空氣，空氣可溶解在液體中，或者以氣泡的形式混合在液體中。②液體汽化形成氣泡，液體發(fā)生汽化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量蒸氣氣泡。③化學(xué)反應(yīng)生成氣泡，冷卻水中的例子與金屬表面物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放出氣體，生成氣泡。

（2）空泡潰滅：高頻振動(dòng)和變形使缸套外壁冷卻水高速波動(dòng)，不斷交替地受到拉伸和擠壓，拉伸使得缸壁附近的水出現(xiàn)局部真空，易于產(chǎn)生氣泡；擠壓使壓力升高并達(dá)到一定值時(shí)，黏附于缸壁外圍的空泡瞬間潰滅。這種潰滅在極短的時(shí)間內(nèi)完成，由于氣泡潰滅是在缸套表面附近，液體質(zhì)點(diǎn)猶如無(wú)數(shù)的小彈頭連續(xù)地?fù)舸蛟诟滋淄獗诿?，使缸套表面逐漸因疲勞而造成破壞，導(dǎo)致穴蝕。

（3）產(chǎn)生高頻振動(dòng)的原因：①燃料燃燒爆發(fā)會(huì)產(chǎn)生壓力，使缸套承受一定的側(cè)推力，缸套與活塞之間存在間隙，側(cè)推力使缸套產(chǎn)生振動(dòng)。②缸套與活塞間隙不合理，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)使會(huì)缸套造成沖擊。③缸套壁薄弱導(dǎo)致振動(dòng)劇烈。

2.2 缸套電化學(xué)腐蝕

冷卻水為弱電解質(zhì)溶液，與缸套外壁上的金屬或雜質(zhì)形成無(wú)數(shù)微小原電池，導(dǎo)致缸套發(fā)生電化學(xué)穴蝕。另外冷卻水流緩慢，溫度較高時(shí)可加速電化學(xué)穴蝕。缸套多使用鑄鐵制造，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)缸套外面受拉應(yīng)力，金屬容易逸出溶于水。

3 G12V190ZLDT1-2型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)缸套穴蝕現(xiàn)象分析

3.1 穴蝕現(xiàn)象

G12V190ZLDT1-2型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)自2014年1月12日成功并網(wǎng)發(fā)電至今共計(jì)運(yùn)行時(shí)間25 000 h，經(jīng)歷2次中修，運(yùn)行至6 000 h至9 000 h時(shí)出現(xiàn)呼吸器冒白霧現(xiàn)象，決定對(duì)其缸套進(jìn)行拆檢，拆檢缸套時(shí)發(fā)現(xiàn)缸套發(fā)生穴蝕，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)缸套穿透的情況。如圖1所示。

圖1 產(chǎn)生穴蝕的缸套

3.2 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)比其他同類(lèi)低濃度煤層氣發(fā)電廠(chǎng)設(shè)備進(jìn)行分析研究，G12V190ZLDT1-2 型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至6 000 h至9 000 h時(shí)出現(xiàn)穴蝕情況，當(dāng)時(shí)對(duì)2#機(jī)組進(jìn)行改裝，將2#機(jī)組DN65 進(jìn)出水管加透明觀察管，觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)透明觀察管有大量氣泡冒出，檢查補(bǔ)償水箱時(shí)發(fā)現(xiàn)水箱內(nèi)液位翻滾明顯，對(duì)比同類(lèi)K 電廠(chǎng)同類(lèi)型機(jī)組，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至6 000 h至9 000 h時(shí)未出現(xiàn)穴蝕情況，與K 電廠(chǎng)不同之處，我電廠(chǎng)G12V190ZLDT1-2型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的補(bǔ)償水箱與機(jī)組平行，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，補(bǔ)償水箱內(nèi)冷卻液翻滾嚴(yán)重，K 電廠(chǎng)G12V190ZLDT1-2型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的補(bǔ)償水箱在廠(chǎng)房頂部，高于機(jī)組，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，補(bǔ)償水箱內(nèi)冷卻液無(wú)翻滾現(xiàn)象，對(duì)比研究后，決定將補(bǔ)償水箱抬高，第一次將補(bǔ)償水箱提高500 mm 后，觀察透明觀察管，觀察發(fā)現(xiàn)氣泡減少，但仍有氣泡冒出，于是將補(bǔ)償水箱提高1 500 mm，，觀察透明觀察管，觀察發(fā)現(xiàn)有少量氣泡冒出，補(bǔ)償水箱液位基本無(wú)翻滾。此次改造后，在機(jī)組運(yùn)行至18 000 h 時(shí)，未出現(xiàn)呼吸器冒白煙的情況，機(jī)組第2 次中修時(shí)，對(duì)缸套進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)仍然有少量缸套發(fā)生穴蝕，從此現(xiàn)象可以看出，加高補(bǔ)償水箱可以減少缸套穴蝕，但并不能完全消除缸套穴蝕的情況，冷卻水壓力高可以抑制空泡的形成。

3.3 研究結(jié)果

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，由于G12V190ZLDT1-2 型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)缸套呈V型排布，活塞在氣缸套內(nèi)作往復(fù)運(yùn)行時(shí)，活塞經(jīng)上、下止點(diǎn)時(shí)，活塞受力BA可分解為垂直向上的力CA 和水平方向的力BC，當(dāng)活塞做功時(shí)，缸套就會(huì)受到水平方向的力BC，從而引起彈性形變，產(chǎn)生振動(dòng)。曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)缸套受力位置從氣缸面一(B)側(cè)改變到另一(A)側(cè)，由于氣缸套傾側(cè)擺動(dòng)撞擊氣缸套，引起氣缸壁振動(dòng)和變形。由于機(jī)組曲軸是逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的，所以氣缸套受力也為逆時(shí)針，氣缸套的受力情況決定了缸套穴蝕的處所。因此出現(xiàn)7#～12#缸，缸套穴蝕發(fā)生在缸套外側(cè)（A點(diǎn)），1#～6#缸，缸套穴蝕發(fā)生在缸套內(nèi)側(cè)（B 點(diǎn)）。至此，氣缸套穴蝕的主要成因終于找到。如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套受力圖及發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)

3.4 解決措施

①減少氣缸套振動(dòng)：采用更為合適的活塞與氣缸套配合，活塞與氣缸套的配合間隙是活塞橫向擺動(dòng)時(shí)沖擊缸套的主要原因，尤其是活塞在上下止點(diǎn)處的換向?qū)飧滋椎臎_擊很大，間隙越大，則氣缸套受活塞的沖擊就越大，氣缸套振動(dòng)也就越大，穴蝕就愈加嚴(yán)重。G12V190ZLDT1-2 型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部（活塞最大處）與氣缸套的配合間隙最小為0.230 mm,最大可達(dá)0.436 mm，選用較小內(nèi)徑的氣缸套和較大外徑的活塞，盡可能是其配合間隙縮小在0.260 mm以?xún)?nèi)，可以有效的減少氣缸套振動(dòng)，同樣，采用膨脹系數(shù)小的材質(zhì)做活塞也可以達(dá)到此目的。采用新廠(chǎng)新缸套密封膠圈做試驗(yàn)。將第一道密封膠圈的厚度加厚0.2 mm，將第一道密封膠圈的寬帶略微加厚，保證密封膠圈全部充滿(mǎn)環(huán)槽，可以大大的減少氣缸套振動(dòng)，拆檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，好多缸套穴蝕均發(fā)生在密封膠圈接口處，此次改造，我相信將會(huì)解決這一問(wèn)題。適當(dāng)增加氣缸蓋螺栓的緊固力矩。②減少冷卻液腐蝕：在冷卻液中加入緩蝕劑，減少氣泡破裂后產(chǎn)生的能量也是防止氣缸套穴蝕的有效措施之一。③加快冷卻液流動(dòng)：研究使用新型水泵，加快冷卻液的流動(dòng)，從而抑制氣泡的產(chǎn)生，同時(shí)水泵的出力大小會(huì)影響夏季機(jī)組高低溫水的循環(huán)，水泵出力大會(huì)降低機(jī)組進(jìn)出水的溫差，從而達(dá)到降低機(jī)組內(nèi)出水溫度的效果。④在機(jī)組高溫水泵進(jìn)口處增加自動(dòng)排氣球閥，將可能從外界帶入機(jī)組內(nèi)的氣體排除。⑤修補(bǔ)穴蝕部位，41#機(jī)組機(jī)體穴蝕后采用工業(yè)修補(bǔ)劑TS101AB膠對(duì)機(jī)體穴蝕部位進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)前先將機(jī)體穴蝕部位進(jìn)行打磨除銹，然后用酒精將機(jī)體穴蝕部位進(jìn)行清洗，最后將TS101 AB 膠按2：1 的比例進(jìn)行混合，自然風(fēng)干48 h后檢查機(jī)體修補(bǔ)部位的硬化情況，硬化良好，便可以進(jìn)行回裝。22#機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)750 h進(jìn)行月保養(yǎng)時(shí)對(duì)機(jī)體進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)體穴蝕修補(bǔ)部位完好，AB 膠無(wú)脫落情況。如圖3所示。

圖3 22#機(jī)組修補(bǔ)750 h后效果圖

4 小結(jié)

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的磨損不可避免，但大多數(shù)故障在運(yùn)行中是有跡可循，結(jié)合檢修工作對(duì)機(jī)組進(jìn)行故障排查，積極改善機(jī)組的運(yùn)行條件，可以發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的延長(zhǎng)。氣缸套是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，本文針對(duì)G12V190ZLDT1-2型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套產(chǎn)生穴蝕的原因進(jìn)行分析，采取相應(yīng)預(yù)防措施和解決方案，可延長(zhǎng)氣缸套穴蝕使用壽命，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，更好的實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和產(chǎn)能的提高。