船用中速柴油機氣缸蓋的滲漏及防治舉措研究

張鵬飛、肖雄兵

（陜西柴油機重工有限公司，陜西咸陽 713100）

0 引言

站在實際情況的角度上來看，由于各大造船系統(tǒng)當(dāng)中所采用的設(shè)備基本一致，這也使得氣缸蓋的整體報廢率處在較高的水平上，不利于柴油機后續(xù)的生產(chǎn)發(fā)展。而引發(fā)報廢問題出現(xiàn)的主要原因就在于氣缸蓋在進行水壓試驗的過程中出現(xiàn)了滲漏問題。由此可以看出，為了更好地解決氣缸蓋所產(chǎn)生的滲漏問題，相關(guān)的工廠以及研究單位必須開展有針對性的分析工作，對零件結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化，合理地選擇符合實際情況的材料，制定出更加優(yōu)異的制造工藝。所以，為了更好地幫助造船行業(yè)提升氣缸蓋的整體質(zhì)量，大幅度降低廢品率，就必須找出引發(fā)滲漏問題出現(xiàn)的主要原因，并進一步研究出具體防治措施，以此來促進后續(xù)各類工作的順利開展。

1 船用中速柴油機氣缸蓋滲漏的主要原因

1.1 結(jié)構(gòu)縮松所引發(fā)的滲漏問題

船用中速柴油機氣缸蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在壁厚方面的差異也比較懸殊，而在后續(xù)鑄造凝固收縮的過程中，由于工藝方面考慮不夠全面，就會使得熱節(jié)部位出現(xiàn)縮松情況，這一點也屬于引發(fā)滲漏問題出現(xiàn)的主要原因。在針對氣缸蓋進行解剖過后，可以在斷面部位看出，凡是出現(xiàn)了漏水問題的部位，其大多數(shù)情況下都存在縮松問題，特別是在啟動閥孔部位的縮松問題最為嚴(yán)重，而在缺陷部位的斷面可以用肉眼看出比較深的褐黑色斑點，在利用顯微鏡進行觀察過后可以看出，這種斑點就是那些斷斷續(xù)續(xù)貫穿在整體斷面當(dāng)中的孔洞。同時，孔洞的外形也不夠規(guī)則，可以得出船用中速柴油機氣缸蓋產(chǎn)生滲漏問題的原因就在于凝固期收縮時對缺陷部位沒有進行必要收縮。而如果其中合金的結(jié)晶間隙比較小，分散性的縮孔數(shù)量就比較少，但如果結(jié)晶的間隙較大，就會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的縮松問題，合金的致密性也會受到較為嚴(yán)重的影響。鑄鐵件產(chǎn)生的縮松問題，通常是因遵循結(jié)晶間隙增大而不斷提升的規(guī)律，所以很難對鑄鐵結(jié)晶間隙進行調(diào)整，而獲取到無縮松較致密鑄件。因此，這就需要以此為基礎(chǔ)來采取一些針對性措施來促進冷卻速度的提升，通過降低過熱溫度以及爐前處理等多種方式來進行解決。

1.2 鑄鐵材質(zhì)致密性較差

結(jié)合相關(guān)研究內(nèi)容可以明顯看出，引發(fā)船用中速柴油機氣缸蓋出現(xiàn)泄露問題的主要原因就在于共晶石墨量較多，而在針對滲漏件以及合格件進行充分對比分析過后可以看出，兩者之間在基本組織上并沒有較為顯著的差異，但在石墨的長度及數(shù)量方面則并不相同，滲漏件的石墨相對較長，并且斷面的晶粒也比較粗。而那些沒有出現(xiàn)滲漏問題的氣缸蓋，內(nèi)部的石墨長度比較穩(wěn)定，在斷面晶粒方面也比較細(xì)。鑄鐵件出現(xiàn)滲漏問題的主要原因則是在高壓液體的影響下，其中出現(xiàn)了一定程度的問題，而在鑄鐵碳量逐步提升的背景下，其中也會析出片狀較為粗大的石墨，導(dǎo)致鑄件的斷面過于粗糙，也會強化石墨對于各種基體的割裂作用，這樣就會在顳部形成石墨型通道，從而引發(fā)滲漏問題出現(xiàn)。除此之外，在實際生產(chǎn)過程中，船用中速柴油機氣缸蓋滲漏問題也可能會由于其他鑄造缺陷引發(fā)，比如氣孔、夾渣及裂紋等問題。氣缸蓋鑄件在基本結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，型芯數(shù)量也比較多，如果在操作方面出現(xiàn)了失誤，型芯排氣在不夠順暢時就會在鑄件當(dāng)中產(chǎn)生氣孔，或在那些壁厚不均勻的部位出現(xiàn)裂紋。而如果在澆筑階段中卷入了一些渣子或砂子，也會使得鑄件出現(xiàn)夾渣，在后續(xù)水壓試驗階段中就會導(dǎo)致缺陷部位出現(xiàn)滲漏問題[1]。

1.3 冷卻介質(zhì)方面存在的問題

冷卻介質(zhì)自身所具備的性質(zhì)，比如溫度、清潔度以及壓力等內(nèi)容，這些都會對船用中速柴油機氣缸蓋產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。首先，溫度因素，結(jié)合相關(guān)研究可以看出，淡水溫度處在50～60℃的情況下，氣缸蓋出現(xiàn)的穴蝕問題較為嚴(yán)重，而隨著水溫的逐步提升，穴蝕的程度與會逐步降低，這樣就可以保證柴油機的性能處在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，并降低穴蝕問題的發(fā)生概率，其中冷卻水腔的淡水溫度控制在80～90℃左右最好。其次，壓力，高溫冷卻水的壓力如果比較低，就會導(dǎo)致水出現(xiàn)氣化等問題，空氣的溶解度也會逐步降低，從而引發(fā)溢出問題出現(xiàn)，這樣就會產(chǎn)生氣泡。最后，流速，高溫冷卻水如果整體流速比較低，就會導(dǎo)致冷卻水吸收較多的熱量而產(chǎn)生汽化問題，但流速也不能過快，如果過快就會降低其抵抗分離的能力。而在冷卻結(jié)構(gòu)方面，在部分中速柴油機氣缸蓋當(dāng)中所采用的主要為進氣座圈水冷結(jié)構(gòu)及排氣座圈水冷結(jié)構(gòu)，但其中氣缸蓋的本體部位與氣門座圈之間所構(gòu)成的環(huán)狀冷卻水腔，在上部存在部分狹窄區(qū)域，在下部很容易會產(chǎn)生死水區(qū)，再加上水道的結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，流道的界面變化也比較大，這樣就會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的壓力波動，并形成氣泡。由此可以看出，如果冷卻水腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏合理性，就很容易產(chǎn)生穴蝕故障等問題[2]。

2 船用中速柴油機氣缸蓋滲漏的具體防治措施

2.1 傳統(tǒng)解決措施

在原本合金鑄鐵的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)進一步采取加大冒口的方式，確保鑄件可以形成有向式的凝固，并在其中適當(dāng)?shù)卦鎏硌a縮作用，這樣就可以避免其出現(xiàn)縮松問題。同時，還要加快冷卻速度，采用冷鐵來更好的消除厚壁不均勻部位所出現(xiàn)的熱節(jié)，以此來降低滲漏問題的發(fā)生概率，后續(xù)還要針對澆注系統(tǒng)進行改進優(yōu)化，通過過濾網(wǎng)澆口來防止其中出現(xiàn)夾渣缺陷。同時還應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)奶嵘w熔化溫度，逐步減少碳當(dāng)量，要在其中采取爐前孕育處理的方式來對晶粒進行細(xì)化處理，保證內(nèi)部可以析出一些比較小的石墨，進一步提升鑄件斷面的致密度，保證缸蓋的耐壓性在根本上得到提高。而在對設(shè)計內(nèi)容進行改進的過程中，也要對壁厚進行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，穩(wěn)步提升整體壁厚的均勻性，還要對零件鑄造的工藝性進行完善，消除局部過熱的問題。這些都屬于避免縮松，并提升水壓合格率的主要措施。以上所采用的各種傳統(tǒng)的方式，對避免船用中速柴油機氣缸蓋滲漏問題出現(xiàn)起到了十分重要的作用，雖然這種方式能夠消除其中存在的縮松缺陷，但在質(zhì)量方面的穩(wěn)定性比較低，使得氣缸蓋出現(xiàn)了較大的質(zhì)量波動，滲漏問題也沒有在根本上得到解決[3]。

2.2 加大對柴油機吊缸的檢查力度

應(yīng)當(dāng)針對船用中速柴油機的氣缸蓋定期展開吊缸檢查，在吊缸過程中，還要對燃燒室的部件展開更加徹底的清潔，并開展一系列的測量工作，這樣就可以在其中獲取到磨損及間隙的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息，從而針對內(nèi)部出現(xiàn)的各種問題進行更加及時的調(diào)整與改進。而在針對柴油機氣缸蓋進行定期吊缸檢查的過程中，還要合理地拉出內(nèi)部的缸套，針對水腔內(nèi)部出現(xiàn)的結(jié)垢情況進行必要的檢查，并及時對水垢進行清除，保證流道具備著更高的暢通性，防止由于結(jié)垢使得整體流道逐步變窄，從而引發(fā)滲漏問題出現(xiàn)。在后續(xù)更換氣缸套以及活塞環(huán)的實際過程中，也要按照規(guī)定程序來做好對應(yīng)的磨合工作，及時更換內(nèi)部所采用的配件。更換過程中也要始終遵循原廠配件的基本原則，這樣就可以確保配件質(zhì)量更加穩(wěn)定，并提升裝配精度。如果在氣缸蓋中出現(xiàn)的問題并不嚴(yán)重，就可以將其按照原本受測推力的方向轉(zhuǎn)90°，在后續(xù)安裝過后正式使用，這樣能夠?qū)ρㄎ坏姆植嘉恢眠M行改變[4]。

2.3 提升對于冷卻水的處理力度

在船用中速柴油機的冷卻水當(dāng)中，其整體水質(zhì)對氣缸蓋產(chǎn)生的破壞較為嚴(yán)重，通常引發(fā)氣缸蓋壁面腐蝕問題的雜質(zhì)及元素主要就是冷卻水當(dāng)中存在的鹽類物質(zhì)、氧氣以及氯離子等。而針對硬性鹽類物質(zhì)以及氯離子所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕問題，通?？梢圆捎盟苄蕴砑觿┑姆绞竭M行抑制，盡管這部分添加劑在硬水所產(chǎn)生的影響下會出現(xiàn)分離破壞，但只需要遵循柴油機運轉(zhuǎn)過程中對冷卻水質(zhì)的基本需求，就可以取得較為優(yōu)異的效果。目前國內(nèi)的各大內(nèi)燃機冷卻水當(dāng)中，所采用的緩蝕劑主要就是重鉻酸鹽、NL 防銹油等物質(zhì)，并且取得了較為顯著的效果。結(jié)合對應(yīng)的研究內(nèi)容可以看出，氣泡的形成與冷卻水的壓力、溫度以及流動情況有著較為緊密的聯(lián)系，隨著水壓的逐步提升也有利于對水中氣體的析出進行抑制，如果水溫比較高，就可以避免內(nèi)部產(chǎn)生蒸汽氣泡，還可以大幅度降低水中空氣的蘊含量，很容易就會形成蒸汽，在氣泡的破裂方面也會產(chǎn)生機械阻尼作用。所以，隨著水壓以及水溫的提升，其都可以有效降低滲漏問題的發(fā)生概率，而冷卻水的溫度如果處在較高的水平上，就會加速整體的腐蝕過程，但水溫也不能處在較低的水平上，結(jié)合對應(yīng)的試驗內(nèi)容可以看出，鋼鐵以及鋁等金屬材料，其在淡水溫度為50～60℃的情況下所產(chǎn)生的滲漏問題比較嚴(yán)重，而隨著溫度的不斷提升，出現(xiàn)的破壞也會逐步降低。站在船用中速柴油機基本效能的角度上來看，為了降低腐蝕問題的發(fā)生概率，就應(yīng)將冷卻水的淡水溫度穩(wěn)定控制在80～90℃左右。所以在柴油機處在低負(fù)荷運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，就必須對冷卻水的水溫展開穩(wěn)定控制，也要在柴油機的日常運行與管理階段中逐步提升冷卻水的壓力，保證其可以處在比較穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)中，水溫方面也要維持在需要允許的范圍當(dāng)中。

2.4 明確具體工況所產(chǎn)生的影響

由于不同船用中速柴油機的負(fù)荷并不相同，使得氣缸蓋與活塞之間的配合間隙以及側(cè)推力的大小都會出現(xiàn)變化，針對那些已經(jīng)確定的柴油機來說，其處在轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨著負(fù)荷的逐步提高也會使得側(cè)推力隨之提升，活塞對于缸壁所產(chǎn)生的沖擊以及振動也會越來越劇烈，嚴(yán)重情況下還會使得缸套出現(xiàn)較為強烈的反彈回撞，這就需要避免柴油機處在超負(fù)荷的工作狀態(tài)。同時，隨著轉(zhuǎn)速的逐步提升，也會由于單位時間當(dāng)中活塞撞擊缸壁次數(shù)的逐步提高而導(dǎo)致氣缸蓋出現(xiàn)較為強烈的振動問題，所以，這就需要在運轉(zhuǎn)過程中針對柴油機的轉(zhuǎn)速進行穩(wěn)定控制，不能超過標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。在保證經(jīng)濟性與動力性的基本前提下，有效降低中速柴油機在實際工作過程中的粗暴程度，逐步減少活塞的側(cè)向撞擊力，以此來保證柴油機能處在一種平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并降低冷卻水的流動速度以及水壓方面所出現(xiàn)的反復(fù)變化，這樣就可以在減少氣泡產(chǎn)生概率的同時，避免其中出現(xiàn)滲漏問題。除此之外，還要對氣缸蓋負(fù)荷的均勻性進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整優(yōu)化，穩(wěn)步提高運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，在運行管理階段中也要注意不能出現(xiàn)活塞或是氣缸蓋過熱的情況，明確活塞環(huán)是否處在正常的工作狀態(tài)，并強化對于氣缸潤滑的日常管理力度，在保證所選的潤滑油品質(zhì)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上展開凈化處理，以此來保證柴油機可以處在穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)中[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，在目前的社會發(fā)展進程中，船用柴油機屬于船舶的心臟，可以為船舶的海上航行工作提供出必要的能量及動力，而柴油機的汽缸蓋則屬于影響柴油機使用壽命的主要構(gòu)件，在實際應(yīng)用過程中如果汽缸蓋出現(xiàn)了滲漏等嚴(yán)重問題，就會導(dǎo)致船用的柴油機逐步失效，也會對后續(xù)柴油機工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。因此，這就需要相關(guān)的管理人員在船用中速柴油機維護管理階段中采取針對性措施，大幅度降低滲漏問題的發(fā)生概率，從而進一步延長柴油機的使用壽命。