船用柴油机汽缸套的过度磨损实例分析及管理

文/ 营口港务集团轮驳公司 张 冶大连中石油海运有限公司 张澜涛

船用柴油机汽缸套的过度磨损实例分析及管理

文/ 营口港务集团轮驳公司 张 冶大连中石油海运有限公司 张澜涛

针对船用柴油机常见的汽缸套异常磨损故障，结合实例分析其产生原因，提出相应的预防措施和对策，并对汽缸套的日常管理和维护提出切实可行的管理建议。

汽缸套；过度磨损；船用柴油机

根据MAN B&W公司分别对不同缸径柴油机汽缸套磨损率、活塞环磨损率和汽缸油耗损率的统计资料可知：小缸径的柴油机（缸径为26、35和42 cm）共455个汽缸套样本平均磨损率为0.037 mm/kh，第一道活塞环的磨损率为0.257 mm/kh，汽缸油的耗损率为1.22 g/（kW·h）；缸径为50、60和70 cm的柴油机共547个汽缸套样本平均磨损率为0.06 mm/kh，第一道活塞环的平均磨损率为0.48 mm/kh，汽缸油的耗损率为1.21 g/（kW·h）；超长行程型柴油机（如S80MC）共407个汽缸套样本的平均磨损率为0.075 mm/kh，第一道活塞环的平均磨损率为0.46 mm/kh，汽缸油的平均耗损率为1.36 g/（kW·h）。以MAN B&W 60MC为例，设计上以其缸径的0.6%为磨损极限，如以上述磨损量运行则缸套的寿命大约为60 000 h。但实际上由于柴油机汽缸工作条件的变化和维护管理不当，汽缸套的实际使用寿命往往达不到60 000 h。某些特殊机型特别是K80、K90以及部分超长行程型柴油机相继发生了多起缸套和活塞环过度磨损事故，甚至发生了拉缸的恶性事故。大量的调查表明，产生这种现象的主要原因是柴油机在低负荷运行时汽缸油注油量不当，而且多数发生在船舶航行于空气湿度高的区域时。

汽缸套的磨损是不可避免的，但过度磨损并没有一个确切的定义。一般来说，对于大型二冲程柴油机汽缸套，磨损率小于0.1 mm/kh属于正常磨损，磨损率大于0.1 mm/kh就被视为过度磨损。对于小型四冲程或采用表面强化处理的汽缸套，如镀铬汽缸套，正常的磨损率应在0.01～0.03 mm/kh范围内，磨损率若大于0.05 mm/kh就被视为过度磨损。同时还应注意汽缸套内径增量（总计磨损量），不同机型的柴油机允许值不同，一般来说（依柴油机的设计不同）磨损总量达0.4%D～0.7%D（D为缸套直径），燃烧室便已失去其密封性，从而导致拉缸等其他故障，因此必须进行修理或更换。

一、汽缸套过度磨损的特征

柴油机汽缸套的磨损是一种不可避免的损耗，若管理得当可使用7～8年或更久；若使用管理不当，则可能仅有2～3年的寿命。由于汽缸套的制造费用昂贵，再加上更换费时费工，故汽缸套换新是柴油机维护费用中一项昂贵的工作。尤其近年船舶多采用大功率柴油机，并使用价廉的劣质重油，更加速了汽缸套的磨损，因此如何控制汽缸套的不正常磨损是一项极为重要的课题。虽然各柴油机厂家及备件供货商对此问题不断投入巨大的人力、财力，诸如改善设计，提高汽缸及活塞环的材质或改进重油添加剂及燃油的各种处理装置，发展高碱性的汽缸油等，以期将汽缸套的磨损减少至最小，但控制汽缸套磨损最有效的方法仍有赖于轮机员正确操作及维持正常运转参数的维修保养观念，并实际按部就班地去实施保养工作。因此有必要充分了解此问题，以使汽缸套获得尽可能长的使用寿命。

汽缸套过度磨损达临界值时，会产生下列现象：

（1）压缩压力降低；

（2）在低负荷运转时，转速波动较大；

（3）爆发压力降低，转速及功率亦随之而降；

（4）空气供应不足产生不完全燃烧后燃加重，造成排气温度升高并冒黑烟；

（5）启动性能变差，尤其在冷机时启动更显著，启动空气耗量多；

（6）恶劣情况下产生活塞窜气，使活塞下部空间及扫气孔的油泥增加，在筒状活塞式柴油机中将加速滑油的污染；

（7）容易使活塞环黏着或折断，减短其寿命；

（8）缸套内壁有上、下纵向的烧损痕迹；

（9）为维持与原新机相同的转速，耗油量必然增加。

二、汽缸套过度磨损的原因及实例分析

引起汽缸套内表面异常磨损的原因很多，不同种类的汽缸套、不同使用条件以及不同影响因素所引起的磨损，在磨损的部位、磨损的方式以及磨损的程度上都有很大的差异。

从传统磨损机理分析，柴油机汽缸套磨损的主要形式分为磨粒磨损、黏着磨损、腐蚀磨损和撞击磨损等，当柴油机在不同工况下工作时，不同的磨损形式会起主导作用。

【案例1】Sulzer RND68型主机由于汽缸注油器脏堵造成汽缸套、活塞环磨损

在吊缸时发现3、5缸的汽缸套和活塞环过度磨损严重，汽缸套的磨损率达2.1 mm/kh，汽缸套和活塞有轻微的纵向拉痕，经检查发现3、5缸的部分汽缸注油孔处有微小的裂纹，部分注油器的背部螺栓有松动现象，将松动的注油器分解检查，发现注油器的止回阀因积炭堵塞而失效，使燃气倒流进入薄膜片和蓄压器活塞，造成注油器孔道堵塞和汽缸注油孔产生裂纹，由于汽缸注油孔堵塞，造成了汽缸套和活塞环的过度磨损。

【案例2】Sulzer RND68型主机由于过量汽缸油造成汽缸积炭严重而磨损

该船自从接船后就一直存在汽缸套磨损率大、活塞环槽积炭严重的现象，为此仔细检查了汽缸注油器，缩短喷油阀雾化质量检查的周期，加强增压系统的管理等，缸套过度磨损问题虽然有一定程度的缓解，但没有得到根本性的解决。后来认为可能是燃油和汽缸油质量的问题，公司甚至将IFO 380的燃油改为IFO 180的燃油，但缸套过度磨损的问题仍然没有得到解决，浪费了大量的时间、人力和物力。造成汽缸套过度磨损的真正原因是主机汽缸油注油量过大，导致部分汽缸油燃烧使活塞环槽严重积炭，硬质颗粒增多并加速环槽和缸套的磨损，活塞环槽积炭和磨损又造成活塞环密封性下降和汽缸润滑条件变差，如此恶性循环造成缸套和活塞环的过度磨损。

【案例3】主机燃油系统进入铝矿粉造成缸套、活塞环异常磨损

某散货船在一港完货起航。次日海况恶劣、风浪大，船舶左右摇摆、上下颠簸。上午轮机长对主机做了适当减速，下午主机出现各缸排烟温度高、转速下降、冒黑烟和扫气箱多次着火等现象，换用轻油后也没有好转，主机还出现转速大幅度波动和爆燃现象。因前面海况恶劣不能停车检查，经请示公司同意返回出发港检查修理。抵港后轮机部对主机6只缸做了吊缸检查，发现汽缸套内较脏，有的缸活塞环断裂和咬死，缸套异常磨损，扫气箱脏污严重，排泄管堵死。对燃油系统进行拆检发现燃油供给管中、分油机内沉积很多铝矿粉，打开燃油沉淀柜、日用柜道门检查内部，油脚（铝矿粉）很厚，燃油驳运系统中也沉积很多铝矿粉。船上奋力抢修了1个多星期的时间，再加装新的燃油后，才恢复了航行能力。

1. 事故原因

（1）燃油舱的透气管是沿着货舱壁向上穿过货舱顶板至甲板的，而货舱中的铝矿粉就是从油舱透气管上的烂穿处进入燃油舱的。

（2）在大风浪中随着船舶颠簸翻滚上来的铝矿粉，沿着驳运系统进入沉淀柜，分油机无法完全分离，一部分就被供油系统喷入汽缸。

（3）燃油系统进入铝矿粉引起油嘴雾化不良、燃烧不良，破坏了汽缸润滑，铝矿粉起到了磨粒的作用，加剧了活塞环和缸套的不正常磨损，使活塞环咬死、断裂，导致进一步燃烧恶化。这样的恶性循环致使主机压缩压力降低，有的缸不能发火，有的缸爆燃进而造成转速下降和大波动等一系列难以维持正常运转的现象。

2. 事故教训

（1）要切实加强对货舱（尤其是散货舱）的各透气管、测量管的检查、保养，发现损坏要及时修理。

（2）要严格按照船舶燃油管理的各项规定，做好对燃油的管理工作。如定期对油柜、各过滤器和分油机进行解体清洁检查，发现垃圾、油脚过多要及时查明原因、消除各种隐患，确保主机在海况恶劣环境中的安全运转。

三、汽缸套过度磨损的防止对策（防止汽缸套过度磨损的管理注意事项）

（1）定期打开汽缸的扫气室或检查口，检查汽缸套、活塞和活塞环的状态。

（2）定期测量柴油机运行参数，如爆发压力、压缩压力及排气温度等，防止单缸超负荷。

（3）尽量避免柴油机长期低负荷运转。

（4）定期进行喷油系统包括喷油泵、喷油阀试压或雾化检查。

（5）根据汽缸工作条件的变化，合理调整汽缸注油量。

（6）根据燃油的质量，合理选择汽缸油碱值。加燃油时应及时采样，并定期送岸进行化验。如果待加燃油与正在使用的燃油相比质量变化太大，应及时采取必要的预防措施。

（7）注意燃油的净化处理，保持燃油分机有效运行。

（8）吊缸时，检查汽缸注油孔和布油槽，并进行手动注油检查。

（9）加强汽缸冷却水的化验和处理，防止汽缸套钻孔冷却孔结垢或堵塞。

（10）定期清理扫气空间的污垢和及时更换增压器空气进口滤网。

（11）柴油机运行中注意扫气空气凝水排泄，完车时应打开各缸空气泄放阀。

（12）注意调节汽缸冷却水温度。

四、降低汽缸套磨损的方法

由The Motor Ship公布的实际案例显示，对不同机型的柴油机，有如下降低汽缸套磨损的方法：

（1）对过度局部磨损（拉缸）的冷疗。过度局部磨损（拉缸）现象始于某一较小区域中润滑油膜短时间遭到破坏，导致局部过热并形成一种“凸出”，当活塞环经过这一凸起部位时接触应力增大，导致磨损加快并产生更多的热量，使凸出增高并进一步增大接触应力，这种状况可能导致在凸起的最高点处出现熔焊现象，造成磨损。由于油膜已经遭到破坏，因此此时若采取加大润滑油供油率的措施也将无济于事，而加强柴油机的散热、降低缸壁温度则被认为是解决这一问题的更为合理的方法。如某Sulzer RLB90型柴油机，其汽缸套偶尔会发生过度局部磨损（拉缸）现象（经确定是由燃油引起的），当过度局部磨损（拉缸）情况出现时，轮机员即将冷却水出口温度降到75 ℃，拉缸情况几乎会立即减缓并随之消失。

（2）冷腐蚀的热疗。某油船RTA84T型柴油机接船后发现其汽缸套磨损率非常高，跟踪查明其原因在于酸性腐蚀。为了消除这种情况，对汽缸套下部进行了隔热，以提高缸套温度。初期缸套下部用水冷却，其磨损率曾高达0.7 mm/kh。对缸套下部进行隔热（虽然仍保留了用水冷却）使行程中段区域温度得以提高，结果磨损率降低到0.3 mm/kh以下。在最后作出的修改中，生产厂家的设计人员已将汽缸套下部的冷却水去掉，这种做法进一步减轻了腐蚀性磨蚀。

五、结 论

汽缸套是柴油机中重要的零部件之一，其工作情况对燃油燃烧的完善程度和工作状态起着至关重要的作用。随着柴油机监控技术的发展，油液分析技术、磨损监控技术、缸套油膜监控技术等应用于新兴现代化船舶上，这为轮机员分析判断汽缸内的工作状态提供了有利的依据。因此，对汽缸套进行管理和维护，提高其运行寿命，对保证柴油机的安全、可靠和经济运行是尤为重要的。

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

ZHANG Ye，ZHANG Lan-tao