淺談輪機主機缸套裂紋的預防

淺談輪機主機缸套裂紋的預防

0老齡船主機氣缸套裂紋的原因在管理老船時，經(jīng)常會出現(xiàn)從主機桶中刪除裂縫的問題，這不僅給公司造成了巨大的經(jīng)濟損失，也給年輕船的管理者帶來了很大的工作量。問題涉及設計、制造和材料，但如果駕駛員能夠及時根據(jù)實際情況采取強硬措施，科學管理，不分青紅皂白地避免異常裂縫，延長使用壽命，并討論老船氣閥套筒的原因和日常管理。1主機框架的工作條件和損壞位置1.1壓應力和拉應力作用氣缸是柴油機的主要固定部件之一,是燃燒室部件中的主體.柴油機的工作循環(huán)是在氣缸的工作空間里進行的,活塞在氣缸內(nèi)部往復運動.氣缸下半部要開氣口、布置氣道,上半部要安裝缸頭等.因此,氣缸套上部受到氣缸蓋安裝預緊力的作用,氣缸內(nèi)壁受到燃氣的高溫、高壓和腐蝕作用以及活塞的摩擦、敲擊和側(cè)推力作用.氣缸的冷卻水空間受到冷卻水的腐蝕和穴蝕.當采用貫穿螺栓把氣缸體、機架和機座緊固到一起時,氣缸體承受很大的壓力.當主機運轉(zhuǎn)時,缸套內(nèi)外之間產(chǎn)生溫差,缸套內(nèi)表面(觸火面)由于膨脹受到外表面(水冷面)的阻礙而產(chǎn)生壓應力,缸套外表面(水冷面)因受到內(nèi)表面(觸火面)的拉伸作用而產(chǎn)生拉應力.1.2缸套上的裂紋.c缸套裂紋的部位基本上是集中在兩個位置:缸套的裂紋以觸火面占多數(shù),特別是應力集中和金屬堆積的地方,多見于缸套上部凸肩區(qū).除此之外,在過度圓角處、水套加強筋處以及氣口附近亦是多發(fā)區(qū).除了觸火面外,冷卻側(cè)的某些應力集中處,例如:缸套外圓柱面和缸套凸肩交界處等,有時也產(chǎn)生裂紋.某船在不到一年的時間里裂了3個缸套,主機型號是SULZER5RTA,而且是22年的老齡船.經(jīng)詢問和查找記錄了解到3個缸套裂紋都發(fā)生在燃燒室,即缸套上部的觸火面,沿垂直方向裂開,多達23道裂紋.NO.1缸裂紋長度為8mm、10mm和20mm三處,NO.4缸為70mm和100mm的裂紋兩處,NO.5缸約200mm的裂紋兩處.2主要原因是機械負荷和熱負荷2.1機械應力和最高爆發(fā)壓力機械負荷是指柴油機部件承受最高燃燒壓力、慣性力、振動沖擊等的強烈程度.對于缸套主要是來自安裝預緊力和氣體壓力.由安裝預緊力引起的負荷是安裝應力,它主要存在于上部凸肩部位.在其危險斷面上承受拉應力、剪應力以及彎曲應力.這些應力的數(shù)值大小與螺栓預緊力成正比,與其凸肩的高度成反比.由此可知,氣缸套的安裝應力亦與最高爆發(fā)壓力成正比.氣體力引起的為機械應力.由于氣缸內(nèi)的氣體力是周期變化的,其最大值為最高爆發(fā)壓力,其變化頻率與單位時間內(nèi)的循環(huán)次數(shù)(轉(zhuǎn)速)有關(guān).因此稱為高頻應力,由此產(chǎn)生的稱為脈動疲勞.根據(jù)材料力學厚壁圓筒的公式在某一半徑處受到的是切向應力與徑向應力,由此可知觸火面受到的切向應力最大(拉應力),徑向應力最大(壓應力).而水冷面受到的切向應力最小(拉應力),徑向應力為零.由上述可知,燃燒室部件中由氣體力而產(chǎn)生的機械應力都和最高爆發(fā)壓力成正比.就上面提到在一年之內(nèi)裂3個缸套,其機械負荷過大是其原因之一.由于船舶污底較嚴重,為了控制爆發(fā)壓力而使主機轉(zhuǎn)速維持在84r/min,而且還開著應急鼓風機航行,排氣溫度都近400℃,主機負荷過大,爆發(fā)壓力過高.經(jīng)查3個缸套使用的時間分別是NO.1缸是44787h、NO.4缸是46000h、NO.5缸是47000h.基本是使用5年多時間.且為國產(chǎn)缸套,由于國產(chǎn)缸套工藝不過關(guān),都是國內(nèi)一些專業(yè)廠家仿原廠家制造的,在尺寸上可能有些差異,致使裝配精度變差,由此造成缸套的偏磨或過度磨損,局部受力不均.所以當主機長時間超負荷運行、爆發(fā)壓力過高時,易造成缸套裂紋,這是缸套裂紋的主要原因.2.2熱負荷過高造成的危害熱負荷是指柴油機的燃燒室部件承受溫度、熱流量及熱應力的強度.包括熱應力和熱疲勞.熱負荷可用熱應力大小來表示,而由溫差形成的應力稱為熱應力.因此,缸壁的熱應力與溫差成正比.熱疲勞是指在交變熱應力作用下出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象,熱疲勞對燃燒室部件破壞的主要表現(xiàn)是裂紋.它與柴油機的累計轉(zhuǎn)數(shù)并無多大關(guān)系,主要取決于機器的啟動-運行-停車的循環(huán)次數(shù),估亦稱低頻應力.熱負荷過高對燃燒室部件所造成的危害是多方面的,主要有:使材料的機械性能降低;承載能力下降;使受熱部件膨脹、變形、局部產(chǎn)生“蠕變”,繼而產(chǎn)生較大的塑性變形,改變了原來的正常間隙;使?jié)櫥砻娴幕脱杆僮冑|(zhì)、結(jié)焦、蒸發(fā)乃至燒掉;使有些部件受熱面燒蝕;使受熱部件承受的熱應力過大,產(chǎn)生疲勞破壞等.當停車冷卻后,由于非塑性變形的水冷面要復原,而塑性變形的觸火面不能復原,致使壁面產(chǎn)生了殘余應力.它使觸火面一側(cè)受到拉伸,冷卻面一側(cè)受到壓縮.由于啟動-停車的多次重復,這種現(xiàn)象就多次出現(xiàn),使壁面受到低頻率的脈動應力作用.由于在高溫下材料強度降低,而低頻應力在柴油機啟動-全負荷運轉(zhuǎn)-停車過程中數(shù)值變化很大,這樣就使一些燃燒室部件在短期內(nèi)出現(xiàn)了裂紋.前面提到缸套裂紋的另外原因是熱負荷過大.由于使用國產(chǎn)活塞環(huán),材料和工藝有差異,活塞環(huán)的耐磨性較差,經(jīng)查記錄,主機吊缸時發(fā)現(xiàn),使用5000多小時,第一道令已磨去7mm,第二道令磨去約5mm,且彈性變差.致使缸套和活塞環(huán)的密封性能下降,因而會引起燃氣大量地漏泄.再加上主機燃燒不良,排溫過高,熱負荷增大,缸套的熱應力增加,如長期如此必將使缸套產(chǎn)生裂紋.3日常管理的關(guān)鍵(1)少低頻應力無論停泊、變速還是定速航行,及時正確對冷卻水溫度進行合理的調(diào)節(jié)和控制,水溫變化控制在3～5°C.使冷卻水溫度保持穩(wěn)定在正常值,以減少低頻應力的產(chǎn)生,這是減少缸套裂紋的有效途徑.除特殊情況,應盡量保持主機長期處在冷卻水溫度穩(wěn)定的暖缸狀態(tài).操作時嚴格控制暖缸速率,如果時間允許,要盡量延長暖缸時間,最終使暖缸溫度升到接近正常使用值.切忌在缸套水溫度太低時起動主機,因冷車起動水溫變化過大,會使缸套的觸火面與水冷面溫差過大,產(chǎn)生過大的熱應力.再加之溫度突變,太高或太低對燃燒室部件都是不利的,更容易造成缸套腐蝕磨損甚至產(chǎn)生裂紋.(2)調(diào)整主機轉(zhuǎn)速根據(jù)船舶的裝載、污底等情況以及大風浪天氣、頂風頂流、淺水區(qū)、狹窄航道以及大舵角轉(zhuǎn)向等外界負荷變化較大的情況來選擇合適的主機轉(zhuǎn)速,避免主機熱負荷過大甚至超負荷運轉(zhuǎn).此時,輪機值班人員要及時調(diào)整主機油門,杜絕超負荷運轉(zhuǎn),這對主機的安全、可靠的運轉(zhuǎn)是十分重要的.(3)燃油系統(tǒng)故障治理通過掃氣口檢查缸套工況,及時清潔掃氣道和掃氣口及保持泄放管的暢通是減少磨料磨損的有效措施.保證良好的燃油凈化處理,提高燃油凈化質(zhì)量;正確控制燃油進機溫度和黏度;按時維修燃油噴射系統(tǒng)各部件;合理控制掃氣溫度和提高掃氣壓力;及時清潔掃氣口;確保燃油良好霧化;保證合適的噴油定時和高油泵的可靠性.(4)冷器氣面的清洗為減少缸套的過度磨損和腐蝕磨損,空冷器氣面要定期用化學清洗,清洗后要用淡水及時沖洗,并對氣面進行反復換水沖洗,直至將化學藥劑沖洗干凈為止.(5)缸頭螺栓的安裝大多數(shù)柴油機的缸頭螺栓均采用液壓拉伸器固緊.在吊缸檢修安裝時,為了保證缸頭螺栓均勻上緊,應清潔螺帽與缸頭接觸面以及螺帽和螺桿的螺紋,按規(guī)定壓力,最好一個人逐一用力收緊,切記不要用錘子或其他工具等加力收緊.(6)提前吊缸,保持密封對于老齡船的主機,由于缸套磨損較大致使密封性能下降,所以,主機要提前吊缸,以確保良好的密封性能,防止燃氣的大量漏泄以避免掃氣道著火而引起缸套裂損,減少缸套和活塞環(huán)的過度磨損.(7)定期檢查和處理供水，確保質(zhì)量如果冷卻水處理不當或不及時導致局部結(jié)垢、腐蝕、臟堵,會造成傳熱不良和局部過熱,因此,輪機人員要認真仔細做好冷卻水化驗和處理.(8)合理調(diào)整活水油的溫度無論是變速還是定速航行,都應及時調(diào)整活塞冷卻溫度,使其保持穩(wěn)定在使