船舶柴油機缸套穴蝕產生原因分析及預防措施

1、 論文題目：船舶柴油機缸套穴蝕產生原因分析及預防措施 摘 要 船用柴油機的穴蝕是指柴油機運轉過程中，濕式氣缸套外圓表面冷卻壁上產生的不同于一般腐蝕和機械磨損的局部聚集小孔群腐蝕。氣缸套穴蝕是船用中、高速柴油機普遍存在的嚴重問題。隨著柴油機的功率增加、強載度的提高和高速、輕型化，氣缸套穴蝕破壞就成為妨礙柴油機正常運轉的首要問題，嚴重的影響柴油機的工作可靠性和氣缸套的使用壽命。一般說來，船用中速和高速筒形柴油機，特別是高速、輕型大功率柴油機，氣缸套存在不同程度的穴蝕。有的柴油機投入運轉不久在氣缸外圓表面就出現(xiàn)穴蝕小孔，甚至柴油機運轉不足千小時就因缸套穴蝕穿孔而報廢，而此時缸套內圓表面尚未磨損。為此

2、，本文主要對船舶柴油機氣缸套穴蝕的現(xiàn)象和其機理進行了分析，通過分析其產生原因，提出了在一些日常維護保養(yǎng)中防止穴蝕發(fā)生的措施，并對船用柴油機氣缸套的設計、制造與維修提出一些建議。關鍵詞： 船舶柴油機、氣缸套、穴蝕成因、預防措施Abstract The cavitation erosion of marine diesel engine is different from that of the common corrosion and mechanical wear caused by the surface cooling wall of the cylinder liner. Cylinde

3、r liner cavitation erosion is a serious problem in marine medium and high speed diesel engine. With the diesel engine power increased, strong load increase and high speed and light, cylinder liner cavitation damage has become the primary problem prevents the diesel engine runs normally, serious impa

4、ct on the diesel engine working reliability and liner service life. Generally, the ship with medium speed and high speed cylinder shaped diesel engine, especially in high speed and light high power diesel engine, cylinder liner have varying degrees of cavitation. Some diesel engine put into operatio

5、n soon outside the cylinder circular surface appeared pitting holes, even diesel engine running less than a thousand hours is because of the cylinder liner cavitation perforation and useless, but this time cylinder circular surface not yet worn out. Therefore, this paper mainly on marine diesel engi

6、ne cylinder liner cavitation phenomenon and its mechanism are analyzed, through the analysis of the causes, puts forward some measures to daily maintenance to prevent the occurrence of cavitation in and for the ship with diesel engine cylinder liner design, manufacturing and maintenance and puts for

7、ward some suggestions.Keywords: marine diesel engine、cylinder liner、cavitation erosion 、 control measures. 目 錄第一章 緒 論1 1.1 選題背景1 1.2 本文研究的主要目的1 1.3 本文研究的意義1第2章 氣缸套結構形式及作用 2.1氣缸套結構形式2 2.2氣缸套的作用3第3章 氣缸套穴蝕產生的機理分析 3.1缸套穴蝕產生原因3.1.1 缸套穴蝕的主要外因：高頻振動33.1.2 缸套穴蝕的主要內因：氣缸套材質33.1.3 電化學腐蝕加速穴蝕3 3.2穴蝕分類13.2.1 沖擊性穴蝕

8、33.2.2 液體腐蝕3第四章 影響缸套穴蝕的原因  4.1缸套方面的原因1 4.2冷卻水方面的原因1  4.3頻繁地起、停柴油機1  4.4超負荷、高轉速1第五章 預防措施  5.1保證正常的活塞與缸套間隙.  5.2確保冷卻水系統(tǒng)工作正常.  5.3加強運行中的管理.  5.4做好定期維護保養(yǎng).總 結14致 謝15參考文獻16第一章 引 言1.1 選題背景隨著現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代交通運輸業(yè)迅猛發(fā)展，對中小型柴油機的輕型、高速、增壓、和重載需求在國內外市場中越來越成為主流。所以對氣缸套強化指標大幅度提高，使缸壁承受機械和氣體沖擊

9、加劇。在減輕發(fā)動機重量設計中，主要手段為缸套減薄、活塞縮短、機體剛性變弱。因此，由來已久的氣缸套穴蝕現(xiàn)象稱為突出的問題。導致氣缸套的使用壽命下降的主要原因是穴蝕的產生，重則造成氣缸套開裂或穿孔，甚至造成發(fā)動機損壞和嚴重事故。1.2 本文研究的主要目的通過研究船舶柴油機缸套穴蝕產生原因分析及預防措施，清楚缸套穴蝕的成因，采取有效措施來預防氣缸套穴蝕，從而延長氣缸套的使用壽命。1.3 本文研究的意義中國歷史上是一個航運大國，也是個航運強國。在600多年前，就有過鄭和下西洋的壯舉，這不僅在世界航運史上奠定一個里程碑，也激勵著近代中國航運業(yè)的蓬勃發(fā)展。隨著全球科學技術的日益進步，越來越多的高新技術在航

10、運業(yè)上得到運用，航運服務的便捷、高效和低成本使航運業(yè)成為全球使用最為廣泛的交通運輸方式。隨著國際航運業(yè)的發(fā)展和科學技術水平的不斷提高，現(xiàn)代船舶的操作難度也不斷增加，需要注意的事項也越來越多，船舶航運領域對船舶的安全航行也越來越重視。氣缸套是柴油機的重要零部件之一，它的工作條件惡劣，極易產生腐蝕。從對柴油機氣缸套故障的大量調查資料中得知，氣缸套外圓柱表面的穴蝕占相當大的比例，直接影響柴油機的壽命。正確分析氣缸套穴蝕產生的原因，對于預防穴蝕，提高氣缸套壽命有著重要的意義。第二章 氣缸套結構形式及作用2.1 氣缸套結構形式氣缸內表面由于受高溫高壓燃氣的作用并與高速運動的活塞接觸而極易磨損為提高氣缸的

11、耐磨性和延長氣缸的使用壽命而又有不同的氣缸結構形式和表面處理方法。氣缸結構形式有三種：無氣缸套式、干式氣缸套和濕式氣缸套。無氣缸套式機體即不鑲嵌任何氣缸的機體，在機體上直接加工出氣缸。優(yōu)點是可以縮短氣缸中心距，使機體尺度和質量減小，但是成本高。如圖1 圖1 無氣缸套式機體濕式氣缸套外壁與冷卻液直接接觸，壁厚5-8mm，利用上下定位環(huán)帶實現(xiàn)徑向定位，軸向定位靠套上部凸緣與機體頂部相應的支承面配合實現(xiàn)。優(yōu)點是機體上沒有密封水套，容易鑄造，傳熱好，溫度分布均勻，修理方便。缺點是機體剛度差，容易漏水。如圖2 圖2 濕式氣缸套 干式氣缸套不予冷卻液接觸，壁厚為2-3mm，外表面和座套孔內表面均須精加工，

12、以保證必要的位型幾個都和便于拆裝。優(yōu)點是機體剛度大，氣缸中心矩小，質量輕，加工工藝簡單。缺點是傳熱較差，溫度分布不均勻，容易發(fā)生局部形變。如圖3 圖3 干式氣缸套2.2 氣缸套的作用氣缸套是一個圓筒形零件，置于機體的氣缸體孔中，上面由氣缸蓋壓緊固定?；钊谄鋬瓤鬃魍醺\動，其外有冷卻水冷卻。作用有：(1)缸蓋、活塞共同構成氣缸工作空間。(2)筒形活塞柴油機的氣缸套承受活塞側推力，成為活塞往復運動的導程。(3)將活塞組件及本身的熱量傳遞給冷卻水，使之工作溫度合適。(4)二沖程柴油機的氣缸套不值有氣口，由活塞啟閉，實現(xiàn)配氣。 第 2 頁 第三章 氣缸套穴蝕產生的機理分析船用柴油機為提高冷卻效果，大

13、多采用濕式氣缸套，閉式循環(huán)淡水冷卻，這種冷卻的特點是循環(huán)流動的冷卻水直接與高溫的濕式氣缸套外表面接觸而帶走熱量。船用柴油機氣缸套穴蝕的形成是一個復雜的物理、化學過程。造成氣缸套穴蝕的因素有很多，目前普遍認為是由氣缸套在活塞往復運動沖擊下產生的高頻振動和冷卻水攜帶的電解質所致，這兩種因素同時存在或交替進行均會引起缸套的穴蝕。其中氣缸套高頻振動導致的空泡潰滅是產生穴蝕的根源，而由電解質引起的電化學腐蝕則起到了促進作用。一般氣缸套穴蝕會先在某處出現(xiàn)一層氧化膜,然后隨時間的推移出現(xiàn)一個個小孔穴,并不斷地逐步向外擴展。各類穴蝕形式見表1氣缸套部位穴蝕現(xiàn)象連桿擺動平面內的兩側外壁有帶狀深孔群,其中活塞主推

14、力兩側較嚴重冷卻液進口處和液流轉彎處有蜂窩狀孔洞支承面及上下配合密封凸肩處有蠕蟲形、條溝狀凹坑 表1 氣缸套各類穴蝕形式穴蝕程度有三種形式如圖4所示 圖4 不同位置穴蝕的立體表現(xiàn)形式1)輕微穴蝕,在圖4左側C處,在穴孔處不存在腐蝕痕跡與產物,表面較為潔凈,呈擦亮狀,與周圍其它部位相比顯露出較少的鐵銹和雜質,呈現(xiàn)類似于高溫氧化的紅褐色,其平面表現(xiàn)形式如圖5(a)所示;2)為劇烈穴蝕,在圖4中部B處,表現(xiàn)為損壞層較深,形成不規(guī)則形狀坑穴,形態(tài)類似于強酸靜態(tài)腐蝕,其平面變現(xiàn)形式如圖5(b)所示;3)穴蝕為損毀性穴蝕,在圖4右側A處.坑穴可能穿透氣缸套,蝕冷卻液進入氣缸,或冷卻水進

15、入機油箱底殼,對柴油機造成災難性損壞,其平面表示形式如圖5(c)所示4)圖4中的D處,那是沒有受到的穴蝕源影響的上下兩處,其平面表現(xiàn)形式如圖5(d)所示 圖5 穴蝕的平面表現(xiàn)形式3.1缸套穴蝕產生原因3.1.1缸套穴蝕的主要外因：高頻振動由于缸套和活塞之間的間隙，柴油機運轉時，活塞在側推力作用下不斷地沖撞缸套的左、右側，使氣缸套高頻振動。缸套高頻振動和缸套的彈性變形使冷卻水空間交替地增加和減小，冷卻水相應交替膨脹與被壓縮。膨脹時受拉伸作用形成瞬間低壓，被壓縮時形成瞬間高壓，此外，冷卻水進口和流動時產生漩渦使冷卻水通道內壓力變化，也會形成瞬間高壓和低壓。在瞬間低壓時產生空泡，瞬時高壓時

16、空泡潰滅使缸套外圓表面頻繁收到?jīng)_擊。3.1.2缸套穴蝕的主要內因：氣缸套材質缸套一般由鑄剛制成，它由鐵的基體和石墨夾雜物質所組成，石墨機械性能較差，近似在材料中布滿了裂紋和空洞。在拉伸載荷的作用下，石墨夾雜的兩端極易產生應力集中，致使裂紋擴大。在高達1GPa沖擊力作用下，缸套表面微小局部金屬發(fā)生塑性變化，不斷地作用使金屬疲勞而剝落。此外，缸套振動能量的轉化，液體間摩擦和空泡破裂時產生大量的熱，缸套表面局部產生高溫使金屬達到融化狀態(tài)，高壓作用下更易造成金屬破壞，剝落后形成針孔。3.1.3電化學腐蝕加速穴蝕 冷卻水是含有氧氣、氫氣、雜質等的電解質溶液。鑄鋼是多極合金，各極在電解液中的電位不同，形成

17、電化學腐蝕。不論是析氧反應和析氫反應，鐵是低電位在陽極上成為例子進入冷卻水中被腐蝕。在缸套穴蝕處，由于空泡腐蝕產生的沖擊波，使鐵原子內部的電子活力增大，使該處鐵原子較其他處易失去電子而被腐蝕。3.2 穴蝕分類3.2.1沖擊性穴蝕柴油機在工作過程中，氣缸內的壓力是周期性變化的。當活塞與缸套之間的間隙增大時，活塞將產生橫擺而不斷撞擊缸套壁，使水套中冷卻水壓力產生很大波動，局部地方壓力降到該溫度下的飽和蒸汽壓力時，溶于水中的空氣便以氣泡形式分離出來;同時該處水汽化為氣泡，繼而在冷卻水中壓力又再次升高時，氣泡突然爆破，產生瞬時高溫、高壓，使缸套外壁承受很高的沖擊、擠壓應力。這一過程反復進行，促使材料疲

18、勞破壞，從表而一粒粒地剝落下來，形成穴蝕。此外，冷卻水流速過大也是產生穴蝕的一個原因，因為流速高處壓力極低，當?shù)椭猎摐囟认碌娘柡驼羝麎毫r，就使其外壁水腔中的水發(fā)生交替的膨脹和壓縮，導致水中氣泡的形成和潰滅，氣泡的潰滅產生強烈的沖擊力作用于缸壁，從而也會造成穴蝕。3.2.2 液體腐蝕穴蝕 氣泡潰滅使缸套外壁受到?jīng)_擊破壞，使材料中的固體質點逐漸被粉碎或者遭到疲勞破壞，即所謂“材料穴蝕”。對于鑄鐵，首先會使其中的石墨剝落，逐漸形成針孔，在這些窄的孔洞里，所受到的沖擊能量將會更大，使得穴蝕加速向深處發(fā)展。這樣，缸壁新鮮金屬表而暴露后，就不斷向水中析出離子，由于受到?jīng)_擊，在局部范圍內就會形成高電流密度

19、，這就很容易產生電化學腐蝕，即所謂“液體腐蝕”，因而在受破壞處形成一層腐蝕產物，以后的氣泡潰滅又更容易地將這一層腐蝕產物炸裂剝落，正因為這種穴蝕和腐蝕的共同作用，加劇了材料的破壞，最終形成向縱深不斷發(fā)展的穴蝕孔。從機械運動來說，缸套受到活塞規(guī)律性的撞擊而產生彎曲振動，山此產生的機械力是引起缸套穴蝕的根本原因。但是，許多事實表明，伴有腐蝕的穴蝕將導致材料損傷的加快，即腐蝕性穴蝕最為危險。 第四章 影響缸套穴蝕的因素4.1缸套方面的原因 缸套的剛度直接影響缸套的振動。剛度大，則受活塞沖擊時缸套變形小，振動小，則穴蝕破壞減輕?；钊跉飧字羞\動時，活塞對缸壁沖擊能量的大小取決于活塞的質量和活塞在氣缸中

20、橫擺的速度，活塞質量固定不變，但速度會隨活塞缸套的間隙減少而減小，對缸壁的沖擊能量也減小。 缸套外圓表而的粗糙度的大小也是影響穴蝕的一個重要因素，粗糙度大則當冷卻水流過氣缸套表而時容易產生氣泡，減小粗糙度可使氣泡小易產生，從而減輕穴蝕破壞。另外，缸套材料不同耐穴蝕性也不一樣。4.2冷卻水方面的原因4.2.1 冷卻水腔結構冷卻水腔通道過于狹窄，水流速度增高，則容易產生氣泡，穴蝕破壞加劇。柴油機設計時要求冷卻水腔內冷卻水的流速應低于2m/s，水腔寬度t=14%D或不小雨10mm,各處均勻一致，水流不形成死水區(qū)和渦流區(qū)，有利于降低穴蝕。4.2.2 冷卻水溫度與壓力 冷卻水溫度過高將加速腐蝕過程，但也

21、不宜長期水溫過低。實驗證明，鋼鐵和鋁等金屬材料在淡水溫度50到60時穴蝕嚴重，隨著水溫的升高，穴蝕破壞減輕。從發(fā)揮柴油機的效能和降低腐蝕和穴蝕出發(fā)，冷卻水腔淡水溫度在80到90最好。4.3頻繁地起、停柴油機 柴油機在使用中停機、工作相互交替過于頻繁，將加速氣缸套材料的穴腐蝕破壞。因為柴油機在工作時缸套主要受空泡的剝蝕破壞;停機時缸套受冷卻介質的化學腐蝕。不斷地停機、工作，交替地剝蝕和化學腐蝕，會加快缸套的破壞。4.4超負荷、高轉速 柴油機負荷不同，缸套和活塞的配合間隙及側推力的大小都會改變。在轉速小變的情況下，負荷增大會引起側推力的增大，活塞對缸壁的沖擊和缸套振動也會加劇。噴油提前角過大、爆壓

22、急增將引起活塞對缸套的沖擊增大。同樣，轉速的提高，也會加劇缸套的振動。第五章 預防措施5.1缸套問題的解決5.1.1 保證正常的活塞與缸套間隙 (1)要準確選配零件并用正確的裝配方法。在裝配過程中，正確使用量具，確定測量部位，注意保持零部件的清潔; (2)在柴油機投入正常使用前，應嚴格按規(guī)定程序做好磨合工作;(3)定期進行吊缸檢查，吊缸時應對燃燒室部件進行徹底清潔;同時要進行一系列的測量工作(如活塞、缸套、活塞環(huán))，發(fā)現(xiàn)問題及時調整改進。5.1.2 提高氣缸套抗穴蝕強度 (1)優(yōu)質選材 鑄鐵中最易穴蝕是石墨,在同樣的基體中,球狀或分枝少的團絮石墨耐穴蝕能力最好;片狀石墨則脈絡越細、貫穿越深越不

23、利。在基體組織方面,珠光體比鐵素體抗穴蝕性能強,所以,應根據(jù)內燃機的性能參數(shù)、特點,選擇抗穴蝕能力強的優(yōu)質材料。 (2)氣缸套表面處理氣缸套的外表面鍍復硬層或進行氮化處理,提高其表面硬度和光潔度,在缸套外表面涂上不同的涂料層。采用鍍銘、滲氮、噴陶瓷、涂環(huán)氧樹脂或涂尼龍等工藝使金屬表面與冷卻水隔開,或使缸套外圓表面強化,可有效地防止電化學腐蝕與穴蝕。5.1.3 減輕缸套振動(1)提高缸套剛度,如增加缸套壁厚或采用不等厚缸壁,縮短上、下支承間的跨距,增加輔助支承和增加支承凸緣厚度配合鉆孔冷卻等;(2)選擇合適的缸套定位環(huán)帶與機體的配合,或者裝橡膠密封圈以吸收振動能量;(3) 緩和活塞對缸套的沖擊;

24、(4) 減小活塞與缸套的間隙;(5) 在一些穴蝕較為嚴重的領域,還可以在氣缸套水套壁等處涂敷人造樹脂、油漆等材料,這些材料具有良好的抗腐蝕能力,其良好的塑性可以有效地吸收沖擊波。5.1.4 缸套外圓表面覆蓋保護層或強化層 采用鍍鉻、滲氮、噴陶瓷、涂環(huán)氧樹脂或涂尼龍等工藝師金屬表面與冷卻水隔離開來，或使缸套外圓表面強化，可有效地防止電化學腐蝕和穴蝕。例如12V180柴油機缸套表面鍍鉻，8300柴油機機體冷卻水腔表面涂環(huán)氧樹脂，其防腐蝕和穴蝕效果較好。5.2確保冷卻水系統(tǒng)工作正常(1)適當提高冷卻水的壓力，以利于抑制溶于水中的氣體析出;(2)適當提高冷卻水的溫度，以防比蒸汽氣泡的形成并容易形成蒸汽

25、，對氣泡的破裂起機械阻尼作用;(3)對閉式冷卻系統(tǒng)中的膨脹水箱加蓋，僅留1個出氣管孔，使冷卻水中的氣體排出，以防空氣從此處溶入水中;(4)在冷卻水中加防蝕劑，使冷卻水的PH值保持在8到9之間，或者在冷卻水中加入一些具有消汽作用的添加劑等。緩蝕劑能在柴油機水腔內壁表面形成一層保護油膜，減少冷卻液的表面張力，緩和了氣泡爆裂時對水腔壁的沖擊。緩蝕劑一般分兩種：無機緩蝕劑。目前國內外所使用的均以亞硝酸鹽和硼酸鹽為主要成分，前者具有很好的防垢和防銹雙重作用，后者為堿性物質，可提高冷卻水的PH值。乳化防銹油。乳化防銹油一般由有機防銹添加劑、乳化劑和基礎油三部分組成。采用防銹油處理冷卻水，除有防腐蝕作用外，

26、還有一定的潤道作用，因此常用于活塞的冷卻水處理。我國船舶常用的防銹油中NL型乳化防銹油適用于硬度0.7到0.8毫克當量/升，氯離子不超過0.4毫克當量/升的一般水。Dromus B防銹油的使用，要求在水質硬度要求在2.5到3毫克當量/升之間，使用濃度則是初次加入時按0.7%，運行時保持在0.5%到0.25%之間。在冷卻水腔內安裝鋅塊實施陰極保護，防止電化學腐蝕。例如6300、8300型柴油機氣缸套表面裝鋅帶，并堅持定期更換，也能較好地防止穴蝕。 5.3加強運行中的管理 (1)在運行中調整好各缸負荷的均勻性，減少柴油機負荷波動，尤其避免超負荷運行，提高整機運轉的平穩(wěn)性以減少柴油機的振動; (2)

27、盡可能減少開機、停機交替變化的次數(shù); (3)運行中應控制柴油機的轉速，不要超過標定轉速; (4)在運行管理中應注意防比活塞與缸套過熱，注意活塞環(huán)的工作狀態(tài)是否正常;保證滑油的質量。5.4做好定期維護保養(yǎng) (1)修配時，在允許的范圍內盡量減小活塞與氣缸套的配介間隙; (2)仔細檢查冷卻水箱的空氣蒸汽閥工作性能;(3)調整最佳噴油提前角; (4)可以將穴蝕不嚴重的氣缸套有穴蝕的位置旋轉一個方向繼續(xù)使用，以提高氣缸套的使用壽命; (5)在柴油機的定期吊缸檢查中，適當安排拉出缸套，及時清除水垢，保持流道暢通;(6)若氣缸套缸壁已有穴蝕凹坑形成，則可對已形成的穴蝕凹坑及其附近區(qū)域涂上熱塑性或熱固性塑料及

28、陶瓷等。但這些材料對缸套的熱傳導有一定的影響。常用的材料有氯丁橡膠、聚苯乙烯和聚氯乙烯等。也可采用環(huán)氧樹脂填料進行填補。其工藝簡單，只要將工作表面清理好（如除銹、除油污、干燥等），將配制（6101環(huán)氧樹脂100，奔二甲酸二丁脂15、多乙烯多胺12至14、鐵粉或石棉絨15至20）好的環(huán)氧樹脂填料平坑洼處，按干燥要求（在常溫下20自然固化24h）后，便可安裝使用。機體的水封部位也可采用此法修復，而且修補部位的防腐蝕性也明顯提高。根據(jù)環(huán)氧樹脂粘接劑的性質，它的膨脹系數(shù)小，耐熱性在100左右，均能夠滿足氣缸套水腔的環(huán)境條件。因冷卻水的出水溫度一般小于90（即汽缸頭出水溫度指示）。對傳遞缸壁的熱量也無明顯影響。修理時或更換氣缸套時，在外表面局部易產生腐蝕處預先鍍上一層環(huán)氧樹脂膜，以防止