船用柴油機汽缸套的過度磨損實例分析及管理

文/ 營口港務集團輪駁公司 張 冶大連中石油海運有限公司 張瀾濤

船用柴油機汽缸套的過度磨損實例分析及管理

文/ 營口港務集團輪駁公司 張 冶大連中石油海運有限公司 張瀾濤

針對船用柴油機常見的汽缸套異常磨損故障，結(jié)合實例分析其產(chǎn)生原因，提出相應的預防措施和對策，并對汽缸套的日常管理和維護提出切實可行的管理建議。

汽缸套；過度磨損；船用柴油機

根據(jù)MAN B&W公司分別對不同缸徑柴油機汽缸套磨損率、活塞環(huán)磨損率和汽缸油耗損率的統(tǒng)計資料可知：小缸徑的柴油機（缸徑為26、35和42 cm）共455個汽缸套樣本平均磨損率為0.037 mm/kh，第一道活塞環(huán)的磨損率為0.257 mm/kh，汽缸油的耗損率為1.22 g/（kW·h）；缸徑為50、60和70 cm的柴油機共547個汽缸套樣本平均磨損率為0.06 mm/kh，第一道活塞環(huán)的平均磨損率為0.48 mm/kh，汽缸油的耗損率為1.21 g/（kW·h）；超長行程型柴油機（如S80MC）共407個汽缸套樣本的平均磨損率為0.075 mm/kh，第一道活塞環(huán)的平均磨損率為0.46 mm/kh，汽缸油的平均耗損率為1.36 g/（kW·h）。以MAN B&W 60MC為例，設計上以其缸徑的0.6%為磨損極限，如以上述磨損量運行則缸套的壽命大約為60 000 h。但實際上由于柴油機汽缸工作條件的變化和維護管理不當，汽缸套的實際使用壽命往往達不到60 000 h。某些特殊機型特別是K80、K90以及部分超長行程型柴油機相繼發(fā)生了多起缸套和活塞環(huán)過度磨損事故，甚至發(fā)生了拉缸的惡性事故。大量的調(diào)查表明，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是柴油機在低負荷運行時汽缸油注油量不當，而且多數(shù)發(fā)生在船舶航行于空氣濕度高的區(qū)域時。

汽缸套的磨損是不可避免的，但過度磨損并沒有一個確切的定義。一般來說，對于大型二沖程柴油機汽缸套，磨損率小于0.1 mm/kh屬于正常磨損，磨損率大于0.1 mm/kh就被視為過度磨損。對于小型四沖程或采用表面強化處理的汽缸套，如鍍鉻汽缸套，正常的磨損率應在0.01～0.03 mm/kh范圍內(nèi)，磨損率若大于0.05 mm/kh就被視為過度磨損。同時還應注意汽缸套內(nèi)徑增量（總計磨損量），不同機型的柴油機允許值不同，一般來說（依柴油機的設計不同）磨損總量達0.4%D～0.7%D（D為缸套直徑），燃燒室便已失去其密封性，從而導致拉缸等其他故障，因此必須進行修理或更換。

一、汽缸套過度磨損的特征

柴油機汽缸套的磨損是一種不可避免的損耗，若管理得當可使用7～8年或更久；若使用管理不當，則可能僅有2～3年的壽命。由于汽缸套的制造費用昂貴，再加上更換費時費工，故汽缸套換新是柴油機維護費用中一項昂貴的工作。尤其近年船舶多采用大功率柴油機，并使用價廉的劣質(zhì)重油，更加速了汽缸套的磨損，因此如何控制汽缸套的不正常磨損是一項極為重要的課題。雖然各柴油機廠家及備件供貨商對此問題不斷投入巨大的人力、財力，諸如改善設計，提高汽缸及活塞環(huán)的材質(zhì)或改進重油添加劑及燃油的各種處理裝置，發(fā)展高堿性的汽缸油等，以期將汽缸套的磨損減少至最小，但控制汽缸套磨損最有效的方法仍有賴于輪機員正確操作及維持正常運轉(zhuǎn)參數(shù)的維修保養(yǎng)觀念，并實際按部就班地去實施保養(yǎng)工作。因此有必要充分了解此問題，以使汽缸套獲得盡可能長的使用壽命。

汽缸套過度磨損達臨界值時，會產(chǎn)生下列現(xiàn)象：

（1）壓縮壓力降低；

（2）在低負荷運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)速波動較大；

（3）爆發(fā)壓力降低，轉(zhuǎn)速及功率亦隨之而降；

（4）空氣供應不足產(chǎn)生不完全燃燒后燃加重，造成排氣溫度升高并冒黑煙；

（5）啟動性能變差，尤其在冷機時啟動更顯著，啟動空氣耗量多；

（6）惡劣情況下產(chǎn)生活塞竄氣，使活塞下部空間及掃氣孔的油泥增加，在筒狀活塞式柴油機中將加速滑油的污染；

（7）容易使活塞環(huán)黏著或折斷，減短其壽命；

（8）缸套內(nèi)壁有上、下縱向的燒損痕跡；

（9）為維持與原新機相同的轉(zhuǎn)速，耗油量必然增加。

二、汽缸套過度磨損的原因及實例分析

引起汽缸套內(nèi)表面異常磨損的原因很多，不同種類的汽缸套、不同使用條件以及不同影響因素所引起的磨損，在磨損的部位、磨損的方式以及磨損的程度上都有很大的差異。

從傳統(tǒng)磨損機理分析，柴油機汽缸套磨損的主要形式分為磨粒磨損、黏著磨損、腐蝕磨損和撞擊磨損等，當柴油機在不同工況下工作時，不同的磨損形式會起主導作用。

【案例1】Sulzer RND68型主機由于汽缸注油器臟堵造成汽缸套、活塞環(huán)磨損

在吊缸時發(fā)現(xiàn)3、5缸的汽缸套和活塞環(huán)過度磨損嚴重，汽缸套的磨損率達2.1 mm/kh，汽缸套和活塞有輕微的縱向拉痕，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)3、5缸的部分汽缸注油孔處有微小的裂紋，部分注油器的背部螺栓有松動現(xiàn)象，將松動的注油器分解檢查，發(fā)現(xiàn)注油器的止回閥因積炭堵塞而失效，使燃氣倒流進入薄膜片和蓄壓器活塞，造成注油器孔道堵塞和汽缸注油孔產(chǎn)生裂紋，由于汽缸注油孔堵塞，造成了汽缸套和活塞環(huán)的過度磨損。

【案例2】Sulzer RND68型主機由于過量汽缸油造成汽缸積炭嚴重而磨損

該船自從接船后就一直存在汽缸套磨損率大、活塞環(huán)槽積炭嚴重的現(xiàn)象，為此仔細檢查了汽缸注油器，縮短噴油閥霧化質(zhì)量檢查的周期，加強增壓系統(tǒng)的管理等，缸套過度磨損問題雖然有一定程度的緩解，但沒有得到根本性的解決。后來認為可能是燃油和汽缸油質(zhì)量的問題，公司甚至將IFO 380的燃油改為IFO 180的燃油，但缸套過度磨損的問題仍然沒有得到解決，浪費了大量的時間、人力和物力。造成汽缸套過度磨損的真正原因是主機汽缸油注油量過大，導致部分汽缸油燃燒使活塞環(huán)槽嚴重積炭，硬質(zhì)顆粒增多并加速環(huán)槽和缸套的磨損，活塞環(huán)槽積炭和磨損又造成活塞環(huán)密封性下降和汽缸潤滑條件變差，如此惡性循環(huán)造成缸套和活塞環(huán)的過度磨損。

【案例3】主機燃油系統(tǒng)進入鋁礦粉造成缸套、活塞環(huán)異常磨損

某散貨船在一港完貨起航。次日海況惡劣、風浪大，船舶左右搖擺、上下顛簸。上午輪機長對主機做了適當減速，下午主機出現(xiàn)各缸排煙溫度高、轉(zhuǎn)速下降、冒黑煙和掃氣箱多次著火等現(xiàn)象，換用輕油后也沒有好轉(zhuǎn)，主機還出現(xiàn)轉(zhuǎn)速大幅度波動和爆燃現(xiàn)象。因前面海況惡劣不能停車檢查，經(jīng)請示公司同意返回出發(fā)港檢查修理。抵港后輪機部對主機6只缸做了吊缸檢查，發(fā)現(xiàn)汽缸套內(nèi)較臟，有的缸活塞環(huán)斷裂和咬死，缸套異常磨損，掃氣箱臟污嚴重，排泄管堵死。對燃油系統(tǒng)進行拆檢發(fā)現(xiàn)燃油供給管中、分油機內(nèi)沉積很多鋁礦粉，打開燃油沉淀柜、日用柜道門檢查內(nèi)部，油腳（鋁礦粉）很厚，燃油駁運系統(tǒng)中也沉積很多鋁礦粉。船上奮力搶修了1個多星期的時間，再加裝新的燃油后，才恢復了航行能力。

1. 事故原因

（1）燃油艙的透氣管是沿著貨艙壁向上穿過貨艙頂板至甲板的，而貨艙中的鋁礦粉就是從油艙透氣管上的爛穿處進入燃油艙的。

（2）在大風浪中隨著船舶顛簸翻滾上來的鋁礦粉，沿著駁運系統(tǒng)進入沉淀柜，分油機無法完全分離，一部分就被供油系統(tǒng)噴入汽缸。

（3）燃油系統(tǒng)進入鋁礦粉引起油嘴霧化不良、燃燒不良，破壞了汽缸潤滑，鋁礦粉起到了磨粒的作用，加劇了活塞環(huán)和缸套的不正常磨損，使活塞環(huán)咬死、斷裂，導致進一步燃燒惡化。這樣的惡性循環(huán)致使主機壓縮壓力降低，有的缸不能發(fā)火，有的缸爆燃進而造成轉(zhuǎn)速下降和大波動等一系列難以維持正常運轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

2. 事故教訓

（1）要切實加強對貨艙（尤其是散貨艙）的各透氣管、測量管的檢查、保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)損壞要及時修理。

（2）要嚴格按照船舶燃油管理的各項規(guī)定，做好對燃油的管理工作。如定期對油柜、各過濾器和分油機進行解體清潔檢查，發(fā)現(xiàn)垃圾、油腳過多要及時查明原因、消除各種隱患，確保主機在海況惡劣環(huán)境中的安全運轉(zhuǎn)。

三、汽缸套過度磨損的防止對策（防止汽缸套過度磨損的管理注意事項）

（1）定期打開汽缸的掃氣室或檢查口，檢查汽缸套、活塞和活塞環(huán)的狀態(tài)。

（2）定期測量柴油機運行參數(shù)，如爆發(fā)壓力、壓縮壓力及排氣溫度等，防止單缸超負荷。

（3）盡量避免柴油機長期低負荷運轉(zhuǎn)。

（4）定期進行噴油系統(tǒng)包括噴油泵、噴油閥試壓或霧化檢查。

（5）根據(jù)汽缸工作條件的變化，合理調(diào)整汽缸注油量。

（6）根據(jù)燃油的質(zhì)量，合理選擇汽缸油堿值。加燃油時應及時采樣，并定期送岸進行化驗。如果待加燃油與正在使用的燃油相比質(zhì)量變化太大，應及時采取必要的預防措施。

（7）注意燃油的凈化處理，保持燃油分機有效運行。

（8）吊缸時，檢查汽缸注油孔和布油槽，并進行手動注油檢查。

（9）加強汽缸冷卻水的化驗和處理，防止汽缸套鉆孔冷卻孔結(jié)垢或堵塞。

（10）定期清理掃氣空間的污垢和及時更換增壓器空氣進口濾網(wǎng)。

（11）柴油機運行中注意掃氣空氣凝水排泄，完車時應打開各缸空氣泄放閥。

（12）注意調(diào)節(jié)汽缸冷卻水溫度。

四、降低汽缸套磨損的方法

由The Motor Ship公布的實際案例顯示，對不同機型的柴油機，有如下降低汽缸套磨損的方法：

（1）對過度局部磨損（拉缸）的冷療。過度局部磨損（拉缸）現(xiàn)象始于某一較小區(qū)域中潤滑油膜短時間遭到破壞，導致局部過熱并形成一種“凸出”，當活塞環(huán)經(jīng)過這一凸起部位時接觸應力增大，導致磨損加快并產(chǎn)生更多的熱量，使凸出增高并進一步增大接觸應力，這種狀況可能導致在凸起的最高點處出現(xiàn)熔焊現(xiàn)象，造成磨損。由于油膜已經(jīng)遭到破壞，因此此時若采取加大潤滑油供油率的措施也將無濟于事，而加強柴油機的散熱、降低缸壁溫度則被認為是解決這一問題的更為合理的方法。如某Sulzer RLB90型柴油機，其汽缸套偶爾會發(fā)生過度局部磨損（拉缸）現(xiàn)象（經(jīng)確定是由燃油引起的），當過度局部磨損（拉缸）情況出現(xiàn)時，輪機員即將冷卻水出口溫度降到75 ℃，拉缸情況幾乎會立即減緩并隨之消失。

（2）冷腐蝕的熱療。某油船RTA84T型柴油機接船后發(fā)現(xiàn)其汽缸套磨損率非常高，跟蹤查明其原因在于酸性腐蝕。為了消除這種情況，對汽缸套下部進行了隔熱，以提高缸套溫度。初期缸套下部用水冷卻，其磨損率曾高達0.7 mm/kh。對缸套下部進行隔熱（雖然仍保留了用水冷卻）使行程中段區(qū)域溫度得以提高，結(jié)果磨損率降低到0.3 mm/kh以下。在最后作出的修改中，生產(chǎn)廠家的設計人員已將汽缸套下部的冷卻水去掉，這種做法進一步減輕了腐蝕性磨蝕。

五、結(jié) 論

汽缸套是柴油機中重要的零部件之一，其工作情況對燃油燃燒的完善程度和工作狀態(tài)起著至關重要的作用。隨著柴油機監(jiān)控技術的發(fā)展，油液分析技術、磨損監(jiān)控技術、缸套油膜監(jiān)控技術等應用于新興現(xiàn)代化船舶上，這為輪機員分析判斷汽缸內(nèi)的工作狀態(tài)提供了有利的依據(jù)。因此，對汽缸套進行管理和維護，提高其運行壽命，對保證柴油機的安全、可靠和經(jīng)濟運行是尤為重要的。

[1]滿一新.船機維修技術[M].大連:大連海事大學出版社,2008.

[2]頡敏杰,丁雪興,夏群英.柴油發(fā)動機汽缸套磨損及預防措施[J].潤滑油與燃料,2007(2):22-24.

[3]滿一新.改善低速柴油機汽缸套工作性能的技術措施[J].大連海運學院學報,1994(2):31-36.

[4]黃勝,郁其祥.240柴油機缸套-活塞環(huán)摩擦副匹配優(yōu)化試驗[J].機車車輛工藝,2004(1):18-21.

Reason analysis and countermeasure of piston ring breaking of marine diesel engine

ZHANG Ye，ZHANG Lan-tao