低速柴油機(jī)氣缸套和活塞環(huán)運(yùn)行與維護(hù)

裝備某型低速柴油機(jī)的某集裝箱輪投入海上營(yíng)運(yùn)僅一年多(約運(yùn)行8000h)就發(fā)生了多只缸套運(yùn)行表面嚴(yán)重磨損的情況。在正常情況下，缸套的運(yùn)行壽命約為90000h。經(jīng)主機(jī)廠售后服務(wù)工程師現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和技術(shù)分析，認(rèn)定為缸套／活塞環(huán)異常腐蝕磨損。該型柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。本文針對(duì)該低速柴油機(jī)缸套／活塞異常磨損現(xiàn)象，結(jié)合缸套／活塞環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行要求等，分析該機(jī)缸套／活塞環(huán)異常磨損的原因，并提出低速柴油機(jī)在各階段的操作和運(yùn)行維護(hù)措施，以確保缸套／活塞環(huán)的正常運(yùn)行及柴油機(jī)的安全性。一、故障原因排查及分析1、現(xiàn)場(chǎng)檢查和數(shù)據(jù)測(cè)量(1)吊缸檢查3#缸套狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)3#缸套上部磨損嚴(yán)重、存在大量黑斑，如圖1所示。缸套測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。圖13#缸套磨損情況根據(jù)該型柴油機(jī)的規(guī)范，缸套磨損后最大允許內(nèi)徑為352.50mm。由表2可見測(cè)量點(diǎn)1的數(shù)據(jù)已經(jīng)超差。(2)檢查輔助系統(tǒng)和管路，發(fā)現(xiàn)空冷器泄放管的閥處于半打開狀態(tài)；進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)閥芯銹蝕，卡在1／3開度位置。如圖2所示。圖2泄放閥部分打開，閥芯銹蝕卡死(3)檢查主機(jī)航行日志：主機(jī)日常巡航轉(zhuǎn)速為140r/min，功率約為50％最大持續(xù)功率，缸套水出口溫度為89℃。(4)對(duì)船上的燃油和氣缸潤(rùn)滑油取樣，油樣送專業(yè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)。(5)鑒于缸套磨損嚴(yán)重，船東更換新的缸套和活塞環(huán)。柴油機(jī)制造廠要求船東在更換完新缸套后注意新缸套的磨合，在磨合過程中降低單缸功率，提高單缸注油率。2、故障原因分析（1）缸套磨損狀態(tài)和磨損形式分析磨損后的缸套內(nèi)徑數(shù)據(jù)及磨損情況分析如圖3所示。圖3缸套內(nèi)徑及屠損情況從缸套各個(gè)位置的磨損數(shù)據(jù)可以看出：缸套上部磨損很大，下部磨損很小，表明缸套異常磨損發(fā)生在上部，缸套下部磨損正常。據(jù)此可以判斷此次缸套磨損為腐蝕性磨損。腐蝕性磨損形成的原因是：燃油中的硫在燃燒過程中形成硫化物，硫化物與水汽反應(yīng)形成硫酸，如氣缸潤(rùn)滑油中的堿未能及時(shí)將硫酸中和，硫酸將對(duì)缸套形成酸性腐蝕[1]。因此腐蝕性磨損的根本原因是：a.氣缸潤(rùn)滑油選用不恰當(dāng)，未能完全中和生成的硫酸。b.缸套發(fā)生冷腐蝕。冷腐蝕程度主要由掃氣空氣的水汽含量和缸壁溫度等因素決定。(2)缸套異常磨損原因分析A.氣缸潤(rùn)滑油堿值(basenumber，BN)和使用的燃油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不匹配，相關(guān)指標(biāo)不符合要求。從該輪取樣的DCA5070氣缸潤(rùn)滑油和120#燃料油的化學(xué)分析檢測(cè)結(jié)果見表3，表4，可發(fā)現(xiàn)氣缸潤(rùn)滑油及燃料油均存在質(zhì)量問題。氣缸潤(rùn)滑油問題如下：①氣缸潤(rùn)滑油堿值嚴(yán)重偏低。實(shí)測(cè)值僅為1.09mg／g，按照牌號(hào)該種氣缸油總堿值應(yīng)不小于68mg／g。②硫酸鹽灰分不達(dá)標(biāo)。硫酸鹽灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值為0.17％，而標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不小于8.0％。可見氣缸油中和作用失效，缸套上部遭酸性物質(zhì)腐蝕，造成氣缸套異常磨損。燃料油問題如下：①燃料油水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)嚴(yán)重超標(biāo)，實(shí)測(cè)值為39.62％，標(biāo)準(zhǔn)值為不大于0.50％。②酸值偏高，實(shí)測(cè)值為8.78mg／g，標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不大于2.568mg／g。③運(yùn)動(dòng)黏度偏高，實(shí)測(cè)值為130mm2／s，標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不大于120mm2／s。④灰分偏高，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)值為0.465％，標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不大于0.07％。如長(zhǎng)期使用這種燃料油將造成燃油泵、噴油器、油嘴、壓力控制閥等燃油系統(tǒng)部件嚴(yán)重?fù)p傷和磨損[2]。B.掃氣空氣水汽含量高，加劇缸套冷腐蝕[3]。從該輪的輪機(jī)日志得知，該輪正常巡航時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為140r／min，負(fù)荷約為50％最大持續(xù)功率，屬長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行；缸套水出口溫度為89℃，屬正常范圍。但在現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)：空冷器冷凝水泄放管閥門僅開1／3，如此容易造成掃氣空氣中水汽含量增大。水汽與燃燒形成的硫化物反應(yīng)形成硫酸，而缸套上部為高壓和高溫環(huán)境，若缸壁溫度低于硫酸的露點(diǎn)，硫酸將會(huì)冷凝附著在缸套壁上，如果氣缸潤(rùn)滑油中的堿無法中和掉附著在缸套壁上的硫酸，殘余硫酸將腐蝕缸套，加速缸套的磨損。綜上，此次缸套和活塞環(huán)異常磨損的主要原因?yàn)樵撦喪褂昧藟A值嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)的劣質(zhì)氣缸潤(rùn)滑油，空冷器冷凝水泄放不暢是次要原因。二、二沖程低速柴油機(jī)氣缸套和活塞環(huán)運(yùn)行維護(hù)1、氣缸套／活塞環(huán)維護(hù)注意事項(xiàng)活塞在氣缸套中往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成一定的磨損，氣缸套運(yùn)行表面因磨損形成的凸起臺(tái)階一般在活塞觸及不到的氣缸頂部和下部區(qū)域陋。因?yàn)槟p的緣故，氣缸套內(nèi)表面的滑油槽寬度會(huì)減??；此外，掃氣口邊緣的隅角半徑也會(huì)變得更小、更尖。因此二沖程低速柴油機(jī)氣缸套、活塞和活塞環(huán)的維護(hù)保養(yǎng)以及大修期問應(yīng)注意以下事項(xiàng)：(1)去除磨損凸起的臺(tái)階。磨平氣缸套因磨損而凸起的臺(tái)階時(shí)應(yīng)極其小心，不要損壞上止點(diǎn)至下止點(diǎn)問活塞和活塞環(huán)行程覆蓋區(qū)域的缸套運(yùn)行表面。必須按照柴油機(jī)使用說明書的要求對(duì)磨損凸起臺(tái)階進(jìn)行加工(圖4)。圖4氣缸套內(nèi)側(cè)表面磨損臺(tái)階修磨示意圖柴油機(jī)廠家推薦使用的修磨設(shè)備如圖4中工具號(hào)：94299[1]。(2)修整氣缸套內(nèi)側(cè)表面的滑油槽。如果氣缸套滑油槽的寬度因磨損已減小至小于1.5mm(新槽寬度為2.5mm)，須將其修整至原來的寬度并用油石將邊緣稍微倒圓。(3)修整氣缸套掃氣口部位的棱邊銳角。修整氣缸套掃氣口部位的棱邊使掃氣口部位保持原形狀。修整、加工時(shí)必須極其小心，不要損壞氣缸套內(nèi)側(cè)的運(yùn)行表面。氣缸套掃氣口的倒角修整應(yīng)該按照維修保養(yǎng)手冊(cè)的規(guī)定進(jìn)行[1]。(4)氣缸套維修保養(yǎng)結(jié)束后必須徹底清潔缸套內(nèi)部表面，清除研磨時(shí)產(chǎn)生的金屬磨屑或顆粒，特別是在滑油槽修整過程中產(chǎn)生的金屬磨屑或顆粒[3]。(5)開啟氣缸潤(rùn)滑油泵直到潤(rùn)滑油從所有的潤(rùn)滑口流出，沖出殘留的金屬磨屑或顆粒。仔細(xì)清除可能通過掃氣口進(jìn)入掃氣空間的金屬磨屑或廢棄顆粒。(6)活塞環(huán)必須按“頂部(top)”朝上記號(hào)安裝，并檢查活塞環(huán)在槽中的自由轉(zhuǎn)動(dòng)情況。各道活塞環(huán)開口應(yīng)按180°錯(cuò)開，也就是相鄰環(huán)的開口按向前與向后位置對(duì)準(zhǔn)。(7)對(duì)活塞環(huán)槽與活塞環(huán)的要求：活塞環(huán)槽，包括槽內(nèi)側(cè)部的圓弧半徑必須仔細(xì)清潔。如果發(fā)現(xiàn)曾有活塞環(huán)斷裂情況應(yīng)特別注意，很可能活塞環(huán)槽脊已損壞。損壞的槽脊(鍍鉻層)及活塞頭部外側(cè)表面也必須進(jìn)行修整，最后用油石磨光[3]。(8)活塞環(huán)與環(huán)槽上表面問的垂直安裝間隙，應(yīng)用厚薄規(guī)(隨機(jī)工具號(hào)：94122)測(cè)量。測(cè)量點(diǎn)處活塞環(huán)應(yīng)垂直地推入活塞環(huán)槽中。如果下槽脊表面磨損測(cè)得的垂直間隙將是錐形的(測(cè)量點(diǎn)外側(cè)值高于內(nèi)側(cè)值)，則必須記錄較高的值。如果測(cè)得的數(shù)值超過維修保養(yǎng)手冊(cè)規(guī)定的間隙，應(yīng)該修整活塞頭。應(yīng)注意頂環(huán)的及時(shí)維護(hù)、更換，如對(duì)其質(zhì)量存疑，應(yīng)與質(zhì)量合格的新活塞環(huán)作比較，尤其是開口間隙。(9)活塞環(huán)端部由于磨損呈尖銳棱邊狀，如果仍在允許的磨損范圍內(nèi)，則可不進(jìn)行倒角，倒圓至0.5mm的圓弧半徑即可。一般這種活塞環(huán)還是安裝在以前同一個(gè)環(huán)槽位置上為好。(10)如果活塞環(huán)只是稍微磨損還是可以裝機(jī)(安裝在下面幾道環(huán)槽)使用的，但是其搭口間隙在清潔的氣缸套無磨損區(qū)域內(nèi)測(cè)量時(shí)應(yīng)不大于10mm。須注意：柴油機(jī)廠家不推薦對(duì)使用過的重新安裝的活塞環(huán)端部做倒角，因?yàn)檫@有可能導(dǎo)致燃?xì)飧Z缸、竄氣口[3]。2、更換氣缸套和活塞環(huán)后的磨合與初期運(yùn)行注意事項(xiàng)二沖程低速柴油機(jī)更換氣缸套和活塞環(huán)后的維修保養(yǎng)、磨合與海上初期營(yíng)運(yùn)的過程控制非常重要，應(yīng)關(guān)注并重視以下事項(xiàng)：(1)更換氣缸套和活塞環(huán)后首次啟動(dòng)柴油機(jī)前的注意事項(xiàng)①在活塞下方空間檢查活塞環(huán)和氣缸套內(nèi)壁面的狀況，如柴油機(jī)有一段時(shí)間沒有啟動(dòng)，應(yīng)檢查是否有水凝結(jié)或泄漏跡象。②檢查掃氣箱是否有污物，如來自焊接、噴砂等的金屬磨屑或廢棄顆粒，特別是新造船舶和進(jìn)塢后。③檢查汽水分離器是否安裝牢固，是否處于清潔狀態(tài)，在汽水分離器側(cè)是否有水汽旁通。④檢查掃氣箱放泄水管是否開啟，并檢查其高液位報(bào)警器功能是否正常。⑤暖缸，預(yù)熱柴油機(jī)，要求氣缸冷卻水進(jìn)口溫度不低于60～90℃。⑥按作業(yè)指導(dǎo)書及說明書關(guān)于最大持續(xù)功率工況的要求，將各單元?dú)飧诐?rùn)滑油注油器的供油率設(shè)定值增至最大，為[(1.4～1.6)±0.1]g／(kW·h)。⑦對(duì)于多層潤(rùn)滑式氣缸套，氣缸潤(rùn)滑油的分配應(yīng)按如下要求調(diào)節(jié)：在磨合開始時(shí)上排注油槍50％，下排注油槍50％。⑧轉(zhuǎn)動(dòng)柴油機(jī)盤車機(jī)使柴油機(jī)曲軸至少轉(zhuǎn)過1轉(zhuǎn)，同時(shí)，啟動(dòng)氣缸注油器為氣缸套內(nèi)側(cè)表面滑油槽做預(yù)潤(rùn)滑。⑨如氣缸預(yù)潤(rùn)滑或過后潤(rùn)滑時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)有多余的氣缸潤(rùn)滑油泵入氣缸燃燒室并流入活塞下部空間。其原因是當(dāng)柴油機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，氣缸注油器液壓供油泵內(nèi)的止回閥泄漏，或是預(yù)潤(rùn)滑閥發(fā)生故障或調(diào)整不當(dāng)[3]。須注意的是：當(dāng)柴油機(jī)首次啟動(dòng)時(shí)，這些多余的氣缸潤(rùn)滑油將會(huì)被帶入排氣總管內(nèi)，可能發(fā)生著火爆燃。爆燃也可能發(fā)生在活塞下部空間內(nèi)，即所謂的“柴油機(jī)掃氣系統(tǒng)及排氣總管內(nèi)的爆燃”。這些多余的氣缸油還會(huì)造成活塞和活塞環(huán)槽不正常積炭，如任其發(fā)展將會(huì)造成活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)受阻，進(jìn)而引發(fā)活塞環(huán)斷裂，對(duì)此應(yīng)高度重視。(2)更換氣缸套和活塞環(huán)后初期磨合過程控制注意事項(xiàng)①磨合可以在燃用重質(zhì)燃料油的情況下進(jìn)行，但應(yīng)對(duì)燃油做濾清和預(yù)熱處理。②按柴油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)說明書、作業(yè)指導(dǎo)書的規(guī)定，循序漸進(jìn)升高柴油機(jī)負(fù)荷。③經(jīng)常檢查氣缸套冷卻水溫度波動(dòng)情況(柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，溫度波動(dòng)應(yīng)小于±1℃)及溫度值。④關(guān)閉可變噴油定時(shí)。⑤燃油質(zhì)量設(shè)定應(yīng)調(diào)節(jié)至“0”位。⑥新氣缸套和活塞環(huán)磨合期間，為了不使新更換的缸套或活塞環(huán)過載，可以通過降低單缸負(fù)荷的方式來保證氣缸套和活塞環(huán)的磨合，通?？梢詫胃棕?fù)荷降低至80％。(3)正常運(yùn)行期間氣缸潤(rùn)滑油供油率的評(píng)估與設(shè)定傳統(tǒng)機(jī)型(例如RTA型)允許采用傳統(tǒng)氣缸注油器，通常推薦磨合期問氣缸滑油供給率為：1.4～1.6g／(kW·h)。在推薦的潤(rùn)滑油供給率下運(yùn)行1000h后，在缸套、活塞環(huán)磨合效果良好的情況下，可考慮適當(dāng)降低實(shí)際潤(rùn)滑油供給率。降低過程應(yīng)循序漸進(jìn)，例如，每運(yùn)行500～1000h降低供給率0.1-0.2g／(kW·h)。通常，在磨合充分或運(yùn)行良好的情況下，氣缸潤(rùn)滑油供給率的最終推薦值為0.80～0.60g／(kw·h)[1]。其間每間隔一定時(shí)間，通過掃氣口觀察氣缸套和活塞環(huán)的工作表面，及時(shí)評(píng)估工作面的實(shí)際狀況。在正常情況下，新型RT-flex柴油機(jī)采用新型氣缸注油器系統(tǒng)，推薦的潤(rùn)滑油供給率設(shè)定與調(diào)整技術(shù)條件如表5所示。圖5為新缸套活塞環(huán)磨合期間氣缸潤(rùn)滑油供給率調(diào)整曲線[1]。圖5新缸套活塞環(huán)磨合期間氣缸潤(rùn)滑油供給率調(diào)整曲線基于低速柴油機(jī)運(yùn)行與服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于一臺(tái)經(jīng)充分、良好磨合的柴油機(jī)，氣缸潤(rùn)滑油供給率完全可以進(jìn)一步降至低于目前發(fā)布的推薦數(shù)值。同時(shí)，柴油機(jī)廠家還推薦：通過對(duì)活塞下部潤(rùn)滑油取樣檢測(cè)，判斷缸套和活塞環(huán)的運(yùn)行情況可作為氣缸潤(rùn)滑油供給率是否匹配的依據(jù)。取樣位置和方法如圖6所示。取樣時(shí)應(yīng)先關(guān)閉泄放閥，然后打開取樣閥取樣。圖6活塞下部取樣示意圖取樣檢測(cè)的殘留堿值和含鐵量指標(biāo)是判斷缸套和活塞環(huán)運(yùn)行狀態(tài)的重要依據(jù)。圖7活塞下部取樣檢測(cè)安全區(qū)域檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，通常情況下，活塞下部滑油殘留堿值為25～50mg／g，含鐵量在200mg／kg以下，此時(shí)的氣缸潤(rùn)滑油供油率較為合適，缸套和活塞環(huán)運(yùn)行情況良好。如活塞下部潤(rùn)滑油殘留堿值和含鐵量不在安全范圍內(nèi)，則須進(jìn)一步檢查缸套和活塞環(huán)的運(yùn)行情況，并綜合殘留堿值和含鐵量來調(diào)整氣缸潤(rùn)滑油供給率或更換合適堿值的氣缸潤(rùn)滑油。3、氣缸潤(rùn)滑油油品燃用硫含量高的燃油(渣油)時(shí)應(yīng)選用去垢力強(qiáng)的高堿值氣缸潤(rùn)滑油。當(dāng)前，二沖程柴油機(jī)功率輸出設(shè)計(jì)越來越高，推薦使用相匹配的高質(zhì)量氣缸潤(rùn)滑油以滿足柴油機(jī)海上實(shí)航運(yùn)行要求?；谌剂狭蛸|(zhì)量分?jǐn)?shù)推薦使用氣缸潤(rùn)滑油如下：(1)燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％以下，推薦采用BNl5～25氣缸潤(rùn)滑油。(2)燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％～1.5％，推薦采用BN40～60氣缸潤(rùn)滑油。在極端情況下，BN40～60的氣缸潤(rùn)滑油也可以在燃用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.1％的燃油時(shí)使用，此時(shí)高堿值的氣缸潤(rùn)滑油能對(duì)燃燒室起到充分的清潔作用，可去除由于長(zhǎng)時(shí)問使用低堿值氣缸潤(rùn)滑油導(dǎo)致的積炭，但注意不得長(zhǎng)時(shí)間使用。(3)燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％～2.5％，推薦使用BN70～80氣缸潤(rùn)滑油。(4)燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0％及以上，推薦使用BN100或以上氣缸潤(rùn)滑油。在燃用不同硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)燃油時(shí)氣缸潤(rùn)滑油的選用[1]見圖8所示。圖8在燃用不同硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)燃油時(shí)氣缸潤(rùn)滑油的選用當(dāng)前，BN40的氣缸潤(rùn)滑油可供選擇的有多種，這類潤(rùn)滑油均為專門配方精煉而成，含有中性添加劑(不含高堿)，用以提高去污垢的能力和熱穩(wěn)定性，在特殊情況下，甚至可以達(dá)到BN70的使用效果。在使用BN40潤(rùn)滑油時(shí)，當(dāng)燃油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％以下時(shí)，一般不會(huì)造成氣缸套的異常腐蝕或活塞環(huán)的異常磨損，至少不會(huì)有明顯增加的跡象。最佳氣缸潤(rùn)滑油供給率是隨燃油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化而變化的。根據(jù)