主机活塞头顶部频繁烧蚀和裂纹的原因剖析

上海远洋运输有限公司 齐文征

主机活塞头顶部频繁烧蚀和裂纹的原因剖析

上海远洋运输有限公司 齐文征

针对某船主机活塞头顶部频繁烧蚀和裂纹现象，总结出活塞头冷却腔结炭、喷油器工况不佳、主机排温过高是发生故障的主要原因，提出在以后的维护管理中的预防措施，供轮机人员参考。

活塞头；烧蚀；裂纹；剖析；维护管理

某集装箱船1997年12月30日由韩国三星重工建造。主机型号MANB&W6L80MC，额定功率为20 600 kW，额定转速93 r/min，营运转速89 r/min，二冲程直流扫气，两台ABB定压增压器，Auto Chief Ⅳ主机遥控系统，十字头式活塞，主机每缸有两只喷油器，前后各一只，使用IF380燃油。

一、故障现象

1.活塞头更换统计

查看维修保养记录发现，最近几年主机活塞头顶部由于出现烧蚀和裂纹而频繁进行更换（见表1，全新活塞头意为更换成原厂备件，翻新活塞头意为国内加工翻修后的活塞头）。通过表1，可以看出此轮从1997年出厂到现在，总共三个阶段频繁发生活塞头顶部烧蚀和裂纹：

① 2002年至2003年间。从1997年出厂到此时，有五年左右，六个活塞头全部发生烧蚀和裂纹。基本上更换为原厂全新活塞头。

② 2009年至2010年间。发生烧蚀和裂纹的活塞头全部更换为国内翻新活塞头。

③ 2012年。发生烧蚀和裂纹的活塞头更换为国内翻新活塞头。

表1 主机活塞头更换统计表

通过以上统计表可以看出，原厂新的活塞头使用寿命大约为五年，而翻新过的活塞头寿命较短，翻新次数多的话，更容易出现烧蚀和裂纹，甚至一个吊缸周期（8 000～10 000 h）就会出现烧蚀和裂纹。

2.活塞头烧蚀和裂纹的症状及危害

2011年底到2012年初，通过扫气筒检查，发现多只缸活塞头有不同程度的烧蚀和裂纹。活塞头的烧蚀和裂纹多出现在顶部中心附近，从中间开始逐渐向四周扩散（见图1a、b、c）。还有的活塞头顶部出现大小、深浅不一的麻点、凹坑、针眼小孔、塌陷和沟槽等，表面金属会出现层层剥落，造成活塞顶部的厚度逐步变薄。

图1 活塞头顶部烧蚀和裂纹

活塞头烧蚀，引起主机压缩压力降低和压缩比变化；活塞头裂纹扩大至活塞头内部冷却油腔后，冷却滑油会喷入汽缸，可能会引起活塞头进一步烧蚀和裂纹、排烟总管着火或爆炸，如主机在机动航行时发生活塞头裂穿，更可能导致主机排烟管出口处突然变形塌陷，这种情况已在同类型船舶中发生过。所以，活塞头出现烧蚀和裂纹后，应引起主管人员的高度重视。

二、活塞头的结构及冷却

1.活塞头的构造和材料

（1）活塞头的顶部呈下凹形（见图2），形状像“锅底”，有利于燃油和空气的混合；

（2）活塞顶采用薄壁结构，有助于活塞头的热量传导至活塞内部冷却油腔；

（3）第一道活塞环上方的活塞头外圆表面车有一道隔热环槽，是为了减小径向散热，保护第一道活塞环温度不至于太高；

（4） 由活塞头、活塞杆和活塞裙形成三个冷却腔A、B、C（见图2）；

（5） 活塞头采用耐热合金钢，耐热性较好。

2.活塞头的工作条件

主机在运转过程中，活塞头承受较高的热负荷和机械负荷。

（1）热负荷

活塞头的热负荷主要来源于高温燃气的作用，高温燃气温度可达1 800～2 600 ℃。高温燃气对活塞头的放热使活塞头温度升高。由于活塞头内部存在冷却油腔，热量大部分都经过冷却油腔传出，使活塞从燃烧室部位吸收的大量热量很快传给冷却油腔。活塞头表面和内部存在着较高温度差，这就给活塞头造成很大的热应力。热应力最大值出现在冷却油腔内振荡冷却孔、活塞头顶面、活塞头侧面的结合处。

（2）机械负荷

活塞头所承受的机械负荷最主要来自于高温高压燃气的压力，活塞头在最高爆发压力作用下所受的机械应力最大。机械应力也出现在冷却油腔内振荡冷却孔、活塞头顶面和活塞头侧面的结合处。

活塞头所受的机械应力小于所受的热应力。活塞头顶部的烧蚀主要由热负荷引起，裂纹是由热负荷和机械负荷共同作用引起的。

3.活塞头的冷却

活塞头利用系统滑油采取振荡冷却。在空心活塞杆顶端固定着滑油管，冷却滑油由固定在十字头上的套管供入，经十字头与活塞杆底部的钻孔进入活塞杆中的滑油管内部，再进入活塞头的冷却油腔A（见图2），从A腔到B腔是通过20个直径为11 mm的倾斜钻孔喷射到外部环形油腔，再通过10个直径55 mm的孔到达C腔，最后经过活塞杆径向上的6个直径27 mm的孔到达活塞杆的环形空间内，通过活塞杆和十字头流到主机曲拐箱内。

这种冷却方式利用进出口位置不同（见图2）实现，进口高于出口，出口孔径大于进口孔径，保证冷却腔B和C中的冷却液只充满40%～60%，并以一定的循环速度流过。同时，由于活塞运动的往复惯性力，使得冷却液在腔室中产生上下冲刷振荡，加强对活塞顶的冷却作用。

本船的活塞油压力和系统滑油相同，设定为0.3 MPa，进口油温设定为45 ℃，出口温度为50～65 ℃。出口温度随主机负荷的增加而升高。

三、故障原因剖析

活塞头顶部烧蚀和裂纹，主要是由于冷却油腔结炭、喷油器工况不佳和主机排温过高等，造成活塞头顶部局部过热、烧蚀、脱炭和高温蠕变，导致金属晶体结构异变，机械性能下降。此外，燃油中含有杂质成分，钒与钠在燃烧中生成五氧化二钒和钠的氧化物，这种化合物高温易熔，当温度高于500 ℃时，就会熔于活塞头顶表面，产生高温腐蚀。在以上综合因素作用下，活塞头顶部出现大小、深浅不一的裂纹、麻点、凹坑、针眼小孔、塌陷等，表面金属也因之层层剥落，造成了活塞头顶部的烧蚀和裂纹。

1.活塞头冷却腔结炭

2012上半年，解体四只更换下来的活塞头，发现活塞头内部冷却腔A严重结炭，结炭厚度超过1 mm，甚至有的地方达到3 mm以上。冷却腔B内也有结炭现象，有的活塞头结炭厚度超过1 mm。如图3所示。

柴油机制造厂的通函注明：如果冷却腔表面有超过1 mm的积炭，可导致活塞头表面温度升高200 ℃以上。由于活塞头内部冷却腔严重结炭，导致换热效果降低，使活塞头顶部散热不良，引起局部过热，导致裂纹出现。

结炭原因：

（1） 活塞头顶部温度过高，致使冷却滑油和活塞头接触面温度较高。如果冷却滑油温度超过220 ℃，则滑油将会结炭。

（2） 冷却滑油杂质较多。

（3） 冷却滑油压力较低。滑油压力低，冷却滑油流速降低，冷却效果变差。

2.喷油器工况不佳

本船采用针阀式喷油器。两只喷油器分别安装在汽缸盖排气阀的两侧，它喷出的油束在汽缸中分布不均匀，且容易喷在活塞顶上，造成活塞头顶部局部过热。解体检修发现，大部分喷油器的喷嘴结炭严重，雾化不良，喷油器有滴漏现象。部分喷油器的针阀头部断，喷孔堵死和喷孔直径变大，开启压力变低。

喷油器工况不佳，导致雾化不良，使得喷油器直接向活塞头滴油或未经雾化的高压油束直接喷至活塞头顶面并附着在活塞头顶部燃烧，产生高温腐蚀，烧蚀活塞头，活塞头顶部会出现积炭，同时也会加速活塞头内部冷却滑油的结炭，冷却效果变差，使活塞头烧蚀和裂纹进一步恶化。

3.主机排温过高

主机排温过高，主要是主机超负荷、增压器效率差、空冷器脏堵、废汽锅炉烟道脏堵等原因造成的。这时，主机活塞头顶部热负荷高，活塞头内部冷却滑油容易结炭。

本船自出厂以后十年内，主机转速大都在85 r/min以上，主机全负荷运转，活塞头承受较高温度。2002年到2003年间，频繁更换有烧蚀和裂纹的活塞头。刚出厂时，主机各工况良好，活塞头内部冷却滑油结炭较少。随着时间的推移，大概到五年左右时，活塞头内部结炭较厚，滑油带走的热量较少，致活塞头顶部局部过热而产生裂纹。更换原厂全新活塞头后，五年左右后又频繁出现活塞头烧蚀和裂纹，罪魁祸首应该是活塞头内部冷却腔结炭太厚。

4.翻新活塞头

烧蚀和裂纹的活塞头送岸修理，厂家对活塞头的处理步骤：清洁，探伤检查；顶部粗车，露出金属本体光泽；着色探伤：高强度合金钢自动埋弧堆焊；整体回火处理，消除焊接应力；按标准图纸机加工。

由表1可以看出，国内翻新活塞头的使用寿命较短，多次翻修后寿命将更短。主要是因为翻修过的活塞头，其内部材料发生变化，存在应力集中。

四、维护管理

活塞头频繁烧蚀和裂纹给船舶的安全生产带来了不利影响：一方面增加了船舶工作量，另一方面也增加了备件和修理费用。为了避免活塞头发生烧蚀和裂纹，在日常的维护和管理中，应注意以下几个方面：

1.活塞头解体保养

采用振荡冷却的活塞头，2～3个吊缸周期，应解体、检查，清洁活塞头冷却腔内部的积炭，更换活塞头上的各橡皮密封圈，检查清洁20个11 mm的小孔。

如吊缸检修中发现活塞头顶部烧蚀，应用顶部样板加塞尺测量活塞头顶部，记录测量结果，如果烧蚀超过了顶厚的三分之一，就应更换活塞头。

船龄超过十年的船舶，应加大活塞头的检查次数，每个月至少通过扫气筒检查活塞头的状况。

三个月检查一次曲拐箱时，如在曲拐箱底部或滤网旁发现有鱼鳞式炭片，可能某缸活塞头内部冷却腔有结炭现象。再通过活塞油出口温度加以判断，如有某缸冷却滑油出口温度偏低，则这个缸的活塞头内部冷却腔有结炭现象，利用靠泊时间，更换或清洁活塞头内部冷却腔。

2012上半年更换了NO.1/2/3/6缸的活塞头，NO.1/2/3缸更换的是国内翻新件，NO.6缸的活塞头是原厂全新。NO.1/2/3缸的冷却滑油出口温度比以前高出2～3 ℃，NO.6缸的冷却滑油出口温度则比以前高出4 ℃左右。由此看来还是原厂全新活塞头热传导较好。

2.冷却滑油的油质、油压和油温

（1）油质

活塞头冷却滑油如氧化变质，黏度会增加，热传导率将会进一步降低，故冷却滑油一定要有足够好的品质，确保干净无杂质、无变质。平时保养注意：

① 每个月清洗滑油自清滤器的回油滤器，检查有无铁杂质和炭片。

②每三个月解体清洗滑油分油机，保证其正常的分离效果。可使滑油分油机的分油量控制在额定分油量的三分之一以下，以提高其分离质量。

③每四个月取样化验冷却滑油，及时发现异常指标。

（2）油压

活塞头冷却滑油要有足够高的压力，以增加冷却滑油的流速，增强冷却效果。平时保养注意：

① 每天检查滑油自清滤器的工况，如压差过大，应及时清洗其内部滤芯。

② 每天记录冷却滑油压力，如有异常，应及时查找原因。

③每天检查滑油泵有无异常振动和声响，如有问题，及时解体滑油泵。

④每四个月取样化验冷却滑油，及时发现异常指标。

（3）油温

冷却滑油进口温度不能太高，正常在40～50 ℃之间。平时注意:

①每天检查记录冷却滑油进主机的温度。

②每天检查滑油冷却器的滑油调温阀，保证其工作正常。

3.喷油器的保养

喷油器的好坏直接影响着雾化质量。由于喷油器的原因，造成缸套、缸盖、排气阀和活塞头等燃烧室部件烧蚀、磨损和裂纹的现象，已屡见不鲜。对针阀式喷油器的保养应注意：

①每4 000 h解体喷油器，最好更换喷嘴，检查针阀偶件，清洁止回阀内的泄放小孔，视情研磨各接触面，泵压测试启阀压力，检查有无滴漏现象。

②每4 000 h，清洁固定喷油器的弹性垫圈，如卡死必须给予更换。

③每2～3个喷油器保养周期后，更换针阀偶件。

4.进排气系统

如果主机的进排气系统污染，会造成供气量不足，使燃烧不良，排烟温度升高，增加了主机热负荷。故平时维修保养如下：

①每8 000 h解体主机增压器，清洁喷嘴和转子，确保扫气压力和增压器转速正常。

② 每三个月主机空冷器化学清洗，确保空冷器压差正常。

③每三个月清洁扫气箱油渣，清洁扫气口和口琴阀，确保无脏污。

④每三个月废气锅炉烟道冲洗。

⑤每天蒸汽冲洗废气锅炉烟面。

5.其他注意事项

为了防止活塞头温度过高，保证雾化良好，平时还应注意：

①主机劣质燃油IF380，黏度大，应提高燃油温度至135～140 ℃，以提高燃油雾化。

②每月测取主机各缸示功图，检查各缸爆炸压力、压缩压力以及各缸功率，如有异常及时查找原因并进行调整。

③在浅水、顶流和大风浪海况等情况下，应及时控制主机的油门，避免超负荷。

五、结束语

活塞在主机运转过程中起着举足轻重的作用。因此，平时对主机活塞头要进行科学的管理，不能只凭经验认为活塞头一般不会出现问题，而忽视了对活塞头的检查、清洁、测量和液压检查。同时，要求主管人员了解活塞头材料特性，科学控制主机负荷，加强对活塞头的管理，注重实践，积极思索，善于总结，努力提高管理水平，避免活塞头频繁发生烧蚀和裂纹。