船舶柴油機缸套穴蝕的原因分析及預(yù)防措施

在船舶濕式汽缸套的冷卻壁面上，由于受到電化學(xué)作用、化學(xué)作用、應(yīng)力作用和機械作用等影響會引起多種腐蝕，其中有一種主要是在連桿擺動平面方向汽缸套冷卻壁面上出現(xiàn)蜂窩狀小孔群損傷的現(xiàn)象被稱為“穴蝕”，這種損傷除以局部形式聚集的凹坑形式出現(xiàn)外，常常表現(xiàn)為損傷表面是清潔的，沒有腐蝕生成物的沉集，隨著柴油機的繼續(xù)使用，這些凹坑會逐漸擴大、變深，最終在汽缸套壁上形成穿通的小孔洞。在柴油機修理時，有些被更換的汽缸套不是由于內(nèi)壁被磨損到超過極限，而是由于外壁穴蝕孔深度己超過汽缸套壁厚一半以上。為防止進一步的穴蝕破壞而造成穿孔和由穴蝕引起裂紋，不得不換新，因此，穴蝕直接影響著柴油機的可靠性和使用壽命。一、船舶柴油機缸套穴蝕的形成缸套穴蝕的形式主要是局部聚集的蜂窩狀的孔穴和麻點。各種型號柴油機穴蝕的共同特點是：穴蝕均是最早聚集出現(xiàn)在連桿運動(擺動)的平面內(nèi)，并且多發(fā)生在側(cè)推力較大的一邊。1、缸套穴蝕的一般特征①穴蝕發(fā)生在缸套上、下定位止口，特別是下止口與缸體定位凸臺的配合處。②穴蝕常發(fā)生在水套狹窄區(qū)，在缸體與缸套穴蝕面對應(yīng)部位也常發(fā)生穴蝕，但缸體的穴蝕較輕。③缸套材料的質(zhì)量低劣，加工表面粗糙，穴蝕的發(fā)生會提前并更趨嚴(yán)重。④穴蝕隨柴油機的結(jié)構(gòu)形式和強化程度的不同而不同，一般是隨柴油機強化程度的提高而趨嚴(yán)重，如經(jīng)常用于內(nèi)河拖輪主機的6160型老型號柴油機幾乎沒有穴蝕現(xiàn)象，而在強化后才出現(xiàn)穴蝕問題；又如6300型柴油機由原來294kW強化至441kW后，穴蝕現(xiàn)象變得很嚴(yán)重。⑤穴蝕的發(fā)生大大縮短了柴油機的使用壽命。每到一個大修期或不到一個大修期就得另換一組新缸套，而一般缸套正常的壽命為3個大修期。2、缸套穴蝕的機制原理缸套穴蝕是不可輕視的，而柴油機缸套穴蝕的主要機制就是“電化學(xué)腐蝕”、“空泡腐蝕”以及和其它腐蝕機制的綜合作用。（1）電化學(xué)腐蝕我們知道，金屬被電化學(xué)腐蝕的條件：一是處于電解質(zhì)溶液中；二是各部分存在著電位差。柴油機缸套外表面與冷卻水直接接觸，海水是當(dāng)然的電解溶液，而淡水中也難免含有一些雜物、氧氣、氫氣及滲漏入水腔中的燃氣等。因此，缸套正處于電化學(xué)腐蝕的條件下，受到電解液強烈的腐蝕作用。柴油機缸套大多用鑄鐵制造，鑄鐵是多相合金，各相的電位不同，例如鐵(Fe)與碳化鐵(Fe?C)比較，碳化鐵比鐵更不易失去電子，電位較高，因而，鐵成為陽極，碳化鐵成為陰極，在冷卻水中進行如下兩種形式的反應(yīng)：A、析氧反應(yīng)：在鐵(Fe):上2Fe-4e→2Fe2+(進入冷卻水中)在碳化鐵(Fe3C)上：O?+4e十2H?O→4OHˉB、析氫反應(yīng)：在鐵(Fe)上：Fe-2e→Fe2+(進入冷卻水中)在碳化鐵(Fe?C)上：2H+2e→2H→H?即在陽極上，鐵(Fe)成為離子進入冷卻水中，鐵被腐蝕。電化學(xué)腐蝕的強烈程度不僅與冷卻水中含有氫和氧的濃度有關(guān)，而且還與溫度有關(guān)。冷卻水中的氫、氧含量大時，電化學(xué)腐蝕加劇；冷卻水的溫度越高，電化學(xué)腐蝕反應(yīng)速度越快。在缸套穴蝕處，由于空泡腐蝕產(chǎn)生的沖擊波，即高的壓力峰及溫度峰的作用，鐵原子內(nèi)部的電子活力增大，使該處鐵原子較其他處易失去電子而被腐蝕。（2）空泡腐蝕空泡腐蝕是在氣缸內(nèi)壓力的循環(huán)變化和活塞的側(cè)推力作用下引起缸套的彈性變形和高頻振動而產(chǎn)生的。缸套的高頻振動對冷卻水不斷產(chǎn)生交替的拉伸和壓縮。當(dāng)冷卻水受到拉伸時水的連續(xù)性遭到破壞，由于水的內(nèi)聚力小于附著力，使緊貼缸壁的那部分水層被振離缸壁，僅剩一薄層水膜貼附缸壁，水膜與大部分水層間形成局部瞬時真空，在水中便出現(xiàn)含有蒸氣的“空泡”；與此同時，冷卻水瞬時受熱汽化，也在水中出現(xiàn)“空泡”；再者就是缸壁振動加速度很大時，導(dǎo)致冷卻水的運動跟不上，甚至連水膜也難附于缸壁而被彈離缸壁表面，致使冷卻水層與缸壁之間出現(xiàn)局部真空而產(chǎn)生含有水蒸汽或由水中產(chǎn)生的其他氣體的空泡。當(dāng)冷卻水受到壓縮時，“空泡”也受到壓縮，空泡內(nèi)水蒸氣迅速液化而使空泡破滅，空泡周圍的水迅速沖向空間，產(chǎn)生極強的沖擊波作用在缸壁表面上。這個沖擊力雖然作用時間和作用空間很小，但它是連續(xù)反復(fù)地產(chǎn)生和作用在缸壁的極小面積上，碾壓金屬，使金屬產(chǎn)生塑性變形及疲勞損壞，使缸壁表面金屬逐步爆裂和掉落而形成孔洞和凹穴。（3）其它腐蝕導(dǎo)致缸套穴蝕破壞的第三個因素是其它腐蝕，包括化學(xué)腐蝕、熱化學(xué)腐蝕(氧擴散)和沖刷腐蝕。冷卻水中不可避免的含有硫化氫(H?S)、氧氣(O?)、二氧化硫(SO?)、二氧化碳(CO?)等氣體，這些物質(zhì)都會和缸套金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使金屬發(fā)生化學(xué)腐蝕。有關(guān)試驗證實，溫度升高10℃，化學(xué)反應(yīng)速度提高2～4倍。穴蝕處因受沖擊波作用，局部會有較大的升溫，故該處的金屬與上述氣體的反應(yīng)比其他處快，該處化學(xué)腐蝕也較激烈。我們知道，鐵在高溫下的氧化過程是一種復(fù)雜的熱化學(xué)過程，在高溫下氧不僅與鐵反應(yīng)生成化合物，并且氧原子與鐵原子還經(jīng)過多相擴散層而進行不斷地擴散。氧化層大體由三種氧化物構(gòu)成，即三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化亞鐵。一般地，氧化亞鐵中的氧原子不滿定額，其晶格不完整，氧原子與鐵原子較易通過氧化亞鐵而擴散，溫度越高，氧化層中的氧化亞鐵就越多，氧原子和鐵原子就越易擴散。因此，在缸套表面穴蝕處因受沖擊波作用局部溫度升高增加了該處氧原子和鐵原子的活力，同時也增加了該處的氧化亞鐵量，故該處氧原子與鐵原子擴散速度比較快，使該處熱化學(xué)腐蝕加劇。在缸套外側(cè)流動著的冷卻水易將其表面的腐蝕產(chǎn)物層(四氧化三鐵、三氧化二鐵、氧化亞鐵)沖刷掉，使得缸套基體金屬再受腐蝕。如此重復(fù)，就造成所謂的沖刷腐蝕。顯然，冷卻水流速越大，沖刷腐蝕就越嚴(yán)重。對于不同型號的柴油機，上述各種腐蝕對缸套的影響作用不盡相同。一般說來，空泡腐蝕使缸套疲勞，電化學(xué)腐蝕和其它腐蝕使缸套被腐蝕破壞。它們之間既有區(qū)別又有聯(lián)系，既相互影響又相互促進，如空泡腐蝕產(chǎn)生的沖擊波使電化學(xué)腐蝕和其它腐蝕加快，已被電化學(xué)腐蝕或被其它腐蝕的部分更容易被空泡腐蝕的沖擊波沖擊剝落，最終結(jié)果，使缸套的破壞速度加快。缸套產(chǎn)生穴蝕的主要原因是空泡腐蝕，影響空泡腐蝕的因素也是多方面的，例如柴油機零件結(jié)構(gòu)方面，冷卻水系統(tǒng)方面和柴油機工況方面等。二、船舶柴油機主要部件結(jié)構(gòu)對穴蝕的影響空泡腐蝕是由于缸套高頻振動而產(chǎn)生的，其振動強度與柴油機的轉(zhuǎn)速、氣缸內(nèi)的燃氣壓力、活塞組件的重量、活塞與缸套配合的熱態(tài)間隙等參數(shù)成正比；與撞擊時活塞與缸套的接觸面積、重力加速度成反比；還與缸套的組成材料有關(guān)。1、缸套結(jié)構(gòu)的影響從減輕穴蝕腐蝕角度出發(fā)，要求減小缸套在工作中的振動強度，一個有效的辦法是增加缸套的厚度。雖然缸套厚度隨其自振頻率而增高，但由于缸套剛度增大的效益更大，其結(jié)果是振動強度隨缸套壁厚的增大而明顯下降。一般推薦的缸套壁厚為0.06D(D為氣缸直徑)。當(dāng)缸套壁厚大于0.08D時，則缸套不易發(fā)生穴蝕，但缸壁過厚也帶來笨重、散熱不良而導(dǎo)致熱負(fù)荷過大、材料的機械性能下降等缺點。2、活塞結(jié)構(gòu)的影響活塞長度的影響。活塞長，可以減小其在缸套中的傾斜量，增大與缸套的接觸面積，并且長活塞還對缸套的振動起衰減作用。所以，加大活塞長度能減輕缸套的彈性變形，降低缸套的振動頻率。但在加大活塞長度的同時，必然會增加活塞的重量及其產(chǎn)生的慣性力。顯然，這對于高速柴油機是極為不適合的。因此，活塞的長度要適當(dāng)。相對于活塞銷軸線，活塞上、下兩部分重量分配對缸套的振動也有影響。當(dāng)活塞重量一定時，活塞銷軸上、下兩部分的重量分配不當(dāng)，如頭重裙輕，將會使活塞在換向時擺動力矩增加，從而增加活塞對缸套的撞擊力，加重缸套的振動，甚至破壞缸套內(nèi)壁面上的潤滑油膜，發(fā)生拉缸的現(xiàn)象。活塞銷軸線相對活塞中軸線的偏移量值大小對缸套振動同樣有較大影響。理論計算和實驗都證明：活塞銷軸線相對于活塞中心線向最大側(cè)推力方向偏移適當(dāng)?shù)牧恐?，會改變?cè)推力的大小，可以有效地減輕活塞在膨脹沖程內(nèi)換向時沖擊力的急劇變化。3、活塞與缸套配合間隙的影響活塞與缸套間存在的間隙使活塞在橫擺時帶有沖擊性?；钊麤_擊缸套的能量是由活塞橫擺時在橫向產(chǎn)生的速度和自身質(zhì)量決定的。這里的速度是變量，它隨活塞與缸套間的間隙的增大而增大，所以，間隙越大，缸套受活塞的沖擊越大，振動也就越大，因而越容易發(fā)生穴蝕，顯然，縮小活塞與缸套的間隙是降低缸套振動強度的有效措施之一，但其縮小的程度要按柴油機的具體情況而定。4、缸套支承形式和止口配合間隙的影響中、小型柴油機的缸套一般都是懸掛在機體中，其支承一般都是上部有一凸肩及導(dǎo)向的凸緣，而下部是一道第二支承凸緣。兩支承的跨距越大，缸套的振動也越大。但考慮到冷卻水腔的需要，跨距不能縮得過小。采用螺旋支承缸套，可以減小缸套的振動強度，但由于生產(chǎn)加工困難而很少采用。上、下止口處的配合間隙過小或過大都不利于減輕穴蝕的產(chǎn)生。一般說來，只有在安裝缸套以及安裝中不會使缸套嚴(yán)重失圓變形的前提下，配合間隙盡可能取小些。其值要比缸套產(chǎn)生的振幅值小，有利于減小缸套的振動和空泡腐蝕。三、冷卻水系統(tǒng)對穴蝕的影響柴油機冷卻水系統(tǒng)影響缸套穴蝕的因素包括：冷卻水溫度、冷卻方式、冷卻水腔結(jié)構(gòu)和布置以及冷卻水的水質(zhì)等，但影響的程度并不相同。1、冷卻水溫度的影響柴油機冷卻水的溫度與穴蝕程度有密切的關(guān)系。每一種柴油機均有一對應(yīng)的最易產(chǎn)生穴蝕的溫度。資料顯示這一溫度為40～60℃。冷卻水在這個溫度以下時，穴蝕隨水溫的升高而趨嚴(yán)重；到這個溫度時，穴蝕最嚴(yán)重，溫度繼續(xù)上升，穴蝕將會減輕。但冷卻水的溫度不能太高，當(dāng)水溫接近沸騰溫度時，缸壁處過多的“蒸氣泡”將嚴(yán)重影響熱量的傳遞。冷卻水溫也不能過低，發(fā)動機溫度過低會引起燃燒不良、積碳、磨損加劇和耗油率增加等不良后果。2、冷卻方式的影響柴油機的冷卻方式分為開式冷卻系統(tǒng)和閉式冷卻系統(tǒng)兩種。開式冷卻系統(tǒng)直接用海水作為冷卻介質(zhì)，為避免海水中的鹽類物質(zhì)受熱沉淀結(jié)垢，冷卻水的溫度要保持在50～55℃范圍內(nèi)，而這一溫度正有利于穴蝕的發(fā)展。而且含有大量鹽的冷卻水又是強電解液，缸套的電化學(xué)腐蝕加劇。海水中還含有大量氣體和雜質(zhì)對缸套直接產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用。因此，采用開式冷卻水方式，缸套穴蝕最易發(fā)生并且發(fā)展迅速。在閉式冷卻水系統(tǒng)中，能夠提高并保持較高的冷卻水溫度和壓力。一般控制溫度在80～90℃，壓力在(1～1.2)×105Pa左右。采用閉式冷卻可以使用經(jīng)過軟化、凈化后的冷卻水，可以較長時間不換水，還可以加入減少穴蝕腐蝕的添加劑。因此，采用閉式冷卻方式，可以有效地減少缸套穴蝕的發(fā)生和發(fā)展。3、冷卻水腔容量和布置的影響冷卻水腔夾層太窄，易產(chǎn)生空泡，加上該處溫度較高，并且空泡破裂產(chǎn)生的沖擊波反復(fù)傳遞，這些都將加速缸套的穴蝕。冷卻水腔設(shè)計不良，會產(chǎn)生局部渦流區(qū)或死水區(qū)，該處冷卻效果不良，易局部高溫，易發(fā)生穴蝕。四、柴油機工況對穴蝕的影響（1）柴油機轉(zhuǎn)速的影響運動部件的慣性力隨柴油機轉(zhuǎn)速的升高而增大，同時增加轉(zhuǎn)速，也就增加了活塞撞擊缸套的頻率，因此會使穴蝕加劇。（2）柴油機負(fù)荷的影響柴油機負(fù)荷的變化，將引起缸內(nèi)氣體壓力、側(cè)推力、工作溫度、活塞間隙等因素都發(fā)生變化，而這些因素將從各方面影響缸套的振動?？梢哉f柴油機的負(fù)荷對缸套的穴蝕程度的影響是復(fù)雜的。如果柴油機在額定轉(zhuǎn)速