smc型柴油機缸套裂紋原因分析及管理

smc型柴油機缸套裂紋原因分析及管理

man-b-w-smc長途汽車廣泛應用于現代船舶，增強程度非常高。為了提高經濟性,而將其燃燒爆發(fā)壓力提高到140kg/cm2以上,使燃燒室部件的機械負荷和熱負荷達到了相當高的程度,接近其材料所允許的極限,因而對其結構形式的要求日益苛刻。由于種種原因,近些年來SMC型主機缸套裂紋的事故經常發(fā)生,不但給船公司造成很大的經濟損失,還給輪機管理人員增添了既急又重的工作量。這個問題雖然有設計、制造及材料方面的缺陷,但在實地工作中加以科學管理,還是可以避免異常裂紋,延長缸套使用壽命的。現就該型主機缸套裂紋的原因以及日常管理中的注意事項作一分析探討。1熱孔冷卻的特點為了解決缸套機械負荷和熱負荷之間的相互矛盾,亦既欲降低其機械負荷應采用厚壁結構,欲降低其熱負荷應采用薄壁結構的矛盾,SMC型缸套采用了“薄壁強背”,“鉆孔冷卻”的結構。所謂薄壁就是燃燒室部件的受熱壁要薄,以減少熱應力。而強背則是在薄壁的背面設置強有力的支承,以減少機械應力。鉆孔冷卻是指它的凸肩部位的上半部分采用鉆斜孔冷卻,而且這些水孔共同構成了一層熱屏障,擋住了熱流向外傳遞,也就是說,冷卻水孔實際上將它們分為冷熱兩部分,熱流差不多可以被限制在缸套內壁表面與冷卻水孔之間的狹窄區(qū)域,從而分別減少了熱應力和機械應力。使之維持在可以接受的水平上。因此,把很薄的熱區(qū)稱為“薄壁”,而將很厚的冷區(qū)稱為“強背”。凸肩的下半部外側裝有冷卻水外套,它們之間形成水腔。冷卻水從機架上行引入此外套內水腔,又經水管進入缸蓋。缸套的下部懸空在機架內不用冷卻,使缸套中、下部有較高的溫度,這對氣缸套工況及消除該區(qū)腐蝕磨損有利。因而,這種結構被普遍應用在現代大型船舶的強載柴油機上。2預緊力作用下的應力氣缸套是柴油機的主要固定部件之一,是燃燒室部件中的主體。下半部要開氣口,布置氣道,其上半部要安裝缸頭等。因此,氣缸套上部受到氣缸蓋安置預緊力的作用,氣缸內壁受到燃氣高溫、高壓和腐蝕作用以及活塞的摩擦、敲擊和側推力作用。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,氣缸體又承受著很大的壓力。主機在工作時氣缸套內部受燃氣加熱,外部被水冷卻,在缸套內外之間造成溫差。因此,缸套內表面因膨脹受到外表面的阻礙而產生壓應力,缸套外表面因受到內表面的拉伸作用而產生拉應力。當定速穩(wěn)定工作時,溫差基本是不變的。3造成堆棧裂縫的主要原因機械負荷和熱負荷是引起缸套裂紋的主要原因。3.1機械應力的特性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。對缸套來說所承受的機械負荷主要是來自氣體壓力和安置預緊力。由氣體壓力引起的負荷又稱為機械應力。由于氣缸內的氣體力是周期變化的,其最大值為最高爆發(fā)壓力PZ,其變化頻率與單位時間內的循環(huán)次數(轉數)有關。因此又稱為高頻應力或稱脈動應力疲勞應力。由安裝預緊力引起的負荷稱為安裝應力,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。這些應力的數值大小均與螺栓預緊力成正比,與其凸肩的高度成反比。為了保證柴油機在運轉中的任何情況下氣缸蓋不與氣缸套脫開,應保證固定螺栓的預緊力。由此可知,氣缸套的安裝應力亦與最高爆發(fā)壓力成正比。3.2低頻應力的來源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烈程度。它包括熱應力和熱疲勞。由溫差作用形成的應力稱熱應力。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的破壞現象,熱疲勞對燃燒室部件破壞的主要表現是裂紋。它與柴油機的累計轉數并無多大關系,主要取決于機器的啟動——運行——停車的循環(huán)次數,故亦稱低頻應力。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:使材料的機械性能的降低;承載能力下降;使受熱部件膨脹、變形、局部產生“蠕變”,繼而產生較大的塑性變形,改變了原來的正常間隙;使?jié)櫥砻娴幕脱杆僮冑|、結焦、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,致使壁面產生了殘余應力。它使觸火面一側受到拉伸,冷卻面一側受到壓縮。由于啟動——停車的多次重復,這種現象就多次出現,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一—全負荷運轉——停車過程中數值變化很大,這樣就使一些燃燒室零件在短期內出現了裂紋。4缸套上凸肩段缸套的裂紋,以觸火面占多數,特別是應力集中和金屬堆積的地方,如:工作條件最惡劣的缸套上部凸肩區(qū),是發(fā)生裂紋最多的部位。除此以外,在過度圓角處、水套加強筋以及氣口附近亦是發(fā)生裂紋的多見地。除觸火面外,冷卻側的某些應力集中處,有時也產生裂紋,如:外圓柱面和缸套凸肩交界處等。5減少所受的機械負荷和熱負荷從以上的分析中可以看出,缸套裂紋的主要原因是其所承受的機械負荷和熱負荷不合理所造成的,因此,在主機日常運行中應從減少其機械負荷和熱負荷入手,加強運行管理,避免缸套裂紋的發(fā)生。5.1螺帽的收縮力當代新型柴油機的氣缸蓋螺栓均采用液壓拉伸器固緊。在安裝時,為了避免缸頭螺栓預緊力不均,應清潔螺帽與缸頭接觸面以及螺帽和螺桿的陰陽螺紋,按規(guī)定液壓力,最好一個人用同一專用工具逐一用力收緊。任何導致力的大小和力臂長短的差異,均會造成螺帽收緊力矩不均勻。因此,有時為了爭取時間,數人用不同的收緊工具和方法收緊螺帽或個別螺帽用錘子從切線方向打緊的方法都是不可取的。5.2主機熱負荷隨試驗工況的變化情況下會發(fā)生熱負荷轉化雖然主機航行是在定速狀態(tài),但由于主機安裝的是全制式調速器,它具有能自動調節(jié)油量以保持任一設定轉速不變的工作特性,因此,在大風浪天、頂風頂流、淺水區(qū)以及狹窄航道等外界負荷變化大的情況下,導致主機熱負荷也將隨之增大,有時甚至超負荷運轉。此時,要求我們輪機管理人員更要加強責任心,不分晝夜地及時對主機油門進行調整,杜絕超負荷運轉,限制主機熱負荷使之在一定范圍之內,這對機器經濟、安全、可靠地運轉是十分重要的。5.3煙氣溫度的均勻度通常我們用柴油機的排氣溫度來判斷熱負荷的高低。的確它對于評定柴油機來說是簡單和實用的。因為在正常情況下,當柴油機循環(huán)噴油量增加時,燃燒室部件的溫度和排氣溫度都增加。但要注意的是,僅靠排煙溫度的均勻度還不能說明各缸的負荷就是均勻的,除排溫表自身的誤差外,在檢修活塞、噴射泵和油頭等設備后以及隨著運轉時間的不斷延長,它們磨損的程度和各自的工況都發(fā)生了變化的情況下,就很容易引起各缸負荷的不均勻,導致單缸熱負荷過高。所以,要經常及時地測取燃燒壓力、壓縮壓力等各熱力參數來分析判斷各缸負荷是否均勻,以便及時給予調整。排煙溫度應嚴格控制在規(guī)定的最高允許值以下。在日常工作中,不但要注意參數絕對數值的大小,還要注意參數本身的變化和各缸間的同名參數間的差異。參數的驟變或各缸數值相差變大往往是故障的先兆。5.4注油量的調整氣缸潤滑很重要,運行中除要保證氣缸油總供油量和油的品質合乎要求外,還要注意每個注油點上的供油情況,要求所有缸及所有點供油量應相同,亦即各缸注油器觀察玻璃管內的指示圓珠均應在一條水平線上。若航行中個別圓珠較低,說明該點供油量少,容易引起低速斷油,致缸套內壁沿注油孔方向磨出一道垂直磨痕。注油器上各注油量的微調旋鈕,因備車等原因,被手壓注油后常發(fā)生變化,甚至有個別旋鈕常卡死在里面,引起單點斷油。所以,當主機啟動運轉后,都要立即給予關注,發(fā)現異常及時調整至正常注油狀態(tài)。主機在長期低速運轉時,如過運河,氣缸油量必須適當增加,正常航行后立即恢復原位。平日應定期通過日用油柜測定日耗量,油量少了顯然是不允許的,多了既是一種浪費,也是有害的,所以,注油量的及時適當調整,是延長缸套使用壽命、控制磨損率在0.1mm/每千小時以內、按要求控制消耗的重要措施。通過掃氣口檢查缸套工況時可發(fā)現,缸套內壁表面的左側比右側干凈光亮,甚至在缸套右側內壁上掛有微黃色的燃燒產物,究其原因是:當掃氣道內部較臟時,被掃氣空氣吹入氣缸內的燃燒垃圾所致,因此,及時清潔掃氣道和氣口及保持排泄管的暢通是減少缸套磨料磨損的有效措施。注意缸套的正確磨合也很重要。新出廠的主機,應該嚴格按照說明書規(guī)定程序進行磨合,新?lián)Q了缸套與活塞環(huán)時,其基本磨合原則是:在連續(xù)運轉時逐漸增加負荷并需定時檢查,達到相互貼合的效果。后者磨合時至少增大50%的氣缸供油量,幾十小時后逐漸恢復正常,只有這樣才是減少熔著磨損的有效措施。常規(guī)吊缸時,活塞令最好不要全換,象SMC型主機活塞共4道令,換2道比較合適,因為,這對減少缸套的磨損會有一定的好處。如果缸套換新了,所有的令就必須全部換新,決不能使用部分舊令,因為舊令的表面,不但已經相當的硬化,而且還存在橢圓度。所以,它既不能與缸套內壁相互完全貼合,又不能適應新缸套的跑合磨損。5.5缸套冷卻控制因修理等原因,主機處在冷車狀態(tài),此時可采用分段提升冷卻水溫度的方法進行暖缸,操作時嚴格控制暖缸速率在冷卻水泵排量的10%以內。如時間允許,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。在時間不允許的情況下,最低也要暖至50℃以上時才能啟動主機。因為,只有高于50℃以上水溫時才能阻抑缸套表面的腐蝕,才是減輕缸套腐蝕磨損和熱應力的有利措施。即便是吊缸也不宜將水溫降到最低,采用上放水口,亦即保留缸套水腔有幾十度水溫的水,防止缸套溫度突變,吊缸結束后,先開放氣考克,再稍開進水閥,控制補水速度,使水慢慢補充并趕出空氣,便于減少空泡穴蝕。在需要停止暖缸的情況下,也要控制溫降速度或讓其緩慢地自然冷卻降溫為佳,不宜采用將水放光,風機直吹等急促降溫措施降溫。如無特殊情況,應盡量保持主機長期處在溫度穩(wěn)定的暖缸狀態(tài)。因水溫突變、太高或太低,對燃燒室部件都是不利的。切忌缸套冷卻水溫度低于20度以下時起動主機。因冷車起動后水溫變化過大,會使缸套的觸火面與冷卻面之間溫差過大,產生過大的熱應力,再加氣體力作用到冷卻面的機械應力都是拉應力,二力相互迭加,數值較大,就更容易產生裂紋。5.6保持水溫穩(wěn)定主機由海速降為港速,進入機動變速用車狀態(tài),此時,冷卻水溫度也以較快的速度隨之降低,當水溫降至正常使用值以下5℃左右時,就要逐漸打開暖缸閥,并且根據主機轉速或冷卻水溫度的高低及時控制閥的開度大小,同時配合控制主海水泵的起停,力爭保持水溫穩(wěn)定在正常使用值。在水溫控制過程中,應使上下變化的幅度越小越好,變化占用的時間越長越好。直至停車轉為正式暖缸保持溫度穩(wěn)定在正常值上?？傊?無論定速、變速航行還是停泊,及時正確對冷卻水溫度進行調節(jié)和控制,使冷卻水溫度保持穩(wěn)定在正常值,是減少缸套裂紋的有效途徑。5.7掃氣溫度對缸套工作的影響以及其他保護由SMC型缸套的結構知道,其下部不用冷卻。因此,缸套中、下部有較高的溫度,這對缸套工況及消除該區(qū)腐蝕磨損很有利。又由柴油機工作過程可知,在壓縮過程初期,氣缸壁溫度高于空氣溫度,而在后期,空氣溫度又高于缸壁溫度,因此缸套工作在這溫差多變過程中。若掃氣溫度太低,勢必給缸套上下部分以及缸套內外造成較大的溫差,導致其本身熱應力增加。所以,掃氣溫度應控制在40度以上為佳。尤其在機動變速航行以及海水溫度較低的情況下,更應該及時給予調整。輪機人員均知,主機要完全燃燒1kg燃油,就需要14kg還多的理論空氣量,所以,為了給主機供應足夠的新鮮空氣使之良好燃燒,機艙安裝了足夠的強制供風系統(tǒng),一般在主機透平處開設一至兩個直吹風口,供透平壓氣機吸風專用。當外界大氣溫度較低,尤其主機處在停泊暖缸或機動低速用車時,應關閉或控制直吹主機的供風機或供風口。由此,既縮小了機體與環(huán)境之間的溫差,又有利于暖缸溫度的提升。5.8自動慢轉的主拉動閥主機停車30分鐘后的所有情況下,在起動以前,必須始終執(zhí)行慢轉。帶自動慢轉的主起動閥,由時間繼電器控制其自動慢轉,非自動慢轉的主起動閥,由人工轉換慢轉開關來實現慢轉。慢轉時打開示功考克,吹出燃燒室內的殘油水等,防止爆燃或敲擊帶來的危害。5.9臨時停車時,停車時總有異常情況,在停車時即停車時,為了隨時掌握燃燒室部件的工況是否正常,一定要抓住停航的有利時機,通過掃氣口對氣缸磨損、活塞環(huán)工作、氣缸潤滑、活塞冷卻