Rolls Royce 4012型柴油机缸套穴蚀的分析

刘丹+朱万武

摘 要：本文主要介绍了柴油机缸套穴蚀形成的主要原因及穴蚀的特征；从柴油机的工作工况、冷却水系统及柴油机本身的结构部件阐述影响穴蚀的因素；对预防缸套穴蚀提出一些建议。

关键词：柴油机；缸套穴蚀；孔洞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.052

1 概述

柴油机湿式缸套外壁与冷却液接触的表面被破坏成一些针状的孔洞，这些孔洞逐渐扩大、加深，最后形成深孔或裂纹。相对应的，不同类别的柴油机所相对应的特征也是不同的，但是它们对于穴蚀却有着一个共同的特点，那就是都是出现在侧推力较大的一边。Rolls Royce 4012型柴油机是大尼罗河石油有限公司某油田作业区内电站发电用的V型柴油机，缸径325mm、冲程370mm，燃烧原油。在进行18000H大修时，发现柴油机12个缸套中有6个穴蚀严重如图1、图2所示。

大修前测量了100%负荷时各个缸的爆压、排气温度，各缸爆压和排气温度偏差很大，发动机的振动也非常大。检修中发现高、低温恒温阀阀芯腐蚀严重。

2 缸套穴蚀的机理

對于柴油机壁面之上所产生的穴蚀，所产生的原因有很多，都是由各个方面不同的腐蚀而作用出来的结果。

2.1 高频振动产生的空泡腐蚀

随着活塞在运动之中不断的变化，侧推力也在不断的进行着变化。每当活塞在进行撞击的时候，气缸的表面壁都会进行不同的方面改变，并且并不是一直都是往同一个方向进行改变，而是有着一定得规律的方面改变。首先气缸的表面壁的方面为向外，当气缸的表面壁向外改变的时候，使得压力波的产生；接着气缸的表面壁的方向为向里，这时候所附近的压力有了下降，这就使得气泡的产生。当这时候压力进行了大规模的下降，下降到了一定程度的时候，所产生的气泡会大量的在气缸的表面壁残留。而当气缸的表面壁是继续重复之前的向外改变的时候，又会有新的压力波产生，这些产生的新压力波，会将之前产生的气泡慢慢击破，使得气泡又重新的变成水。而这些气泡在被新压力波击破而变为水的时候，会使得一部分温度猛然升高，从而造成一部分的高温和高气压。由此我们可以得到结论，这种在很短的作用力之下产生的高压波并不能够使得大范围受到伤害。仅仅只是因为气温骤然升高，而产生的高温气压，是并没有很大的作用力。因此只能够增加使用次数，多次使用才能够使得气缸的表面壁出现我们所需要的穴蚀。

2.2 电化学腐蚀

任何种类的水中，都含有一定的杂质，并不是百分百无杂质。而冷却水中也含有很多的杂质。在这些杂质的存在下，就会受到化学反应的不同程度的腐蚀。缸套一般由铁和石墨组成的铸钢制成，发电化学反应时，电极会发生不同程度的反应，通过失去或者得到电子的多少，从而形成了阳极和阴极两个电极。而这些因为化学反应而受到的不同程度的腐蚀，不仅仅和冷却水中的杂质有联系，同时也有着其他的影响因素。比如说水温以及等等其他的因素。

3 柴油机穴蚀产生的因素

3.1 缸套材质

气缸的套子，并不是有一般的普通材料而制作而成的，而是由特质的特殊材料制作而成的。这一特殊材料主要包括了机械性很低的石墨以及铁组成，为了弥补石墨这一材料本身所带有的缺陷，所以还使用铸钢这一特殊材料来进行搭配。正是因为铸钢这一材料在石墨的缝隙之中所产生的作用，而使得石墨能够将作用力更加集中地使用出来。而另一方面，为了能够使得气缸的套子达到一定的高温状态，这就十分容易造成气缸的被破坏，从而针孔才会出现。

3.2 活塞、缸套的结构形式

活塞在气缸之中也是十分重要的，也会产生十分重要的影响。而活塞于气缸的接触，也对气缸的套子产生着一定的作用。当活塞的长短有着一定的变化的时候，气缸之中的震动也会随之而降低。这就告诉我们，活塞的长度要合理适当。而另一个影响震动的原因，就是气缸的套子的厚度，震动的次数会随着缸壁的增厚而明显下降。但是气缸的表面壁也不能够十分厚重，这样也会造成不良的后果。由此我们可以得出结论，缸壁的厚度为0.06D（D为气缸的直径）。

3.3 活塞与缸套之间的配合间隙

对于活塞以及气缸的套子之间，也是有着一定的联系。活塞所产生的冲击力，也是有着一定外在因素所决定的，而活塞所产生的冲击力越大的时候，那么气缸的表面壁，就十分容易产生穴蚀。

3.4 缸套的支承形式和止口的配合间隙

气缸套与机架接两触点之间的距离越大，活塞运动使缸套产生的振动也越大。气缸套与机架之间的安装配合间隙也是气缸产生穴蚀的因数。一般情况下，缸套安装在机架中的变形量不超过设计数值极限，缸套与机架之间的安装间隙尽量取小值。这样就可以减少缸套的振动和空泡腐蚀。

3.5 冷却水系统冷却方式和冷却水温度

冷却水的温度也对气缸的套子之中的穴蚀有着一定的影响。通过大量的调查研究，我们可以得出，最适合的温度是在四十摄氏度到六十摄氏度之间。而当不是在这个温度范围之中的时候，随着冷却水温度升高穴蚀程度增加，在此之间，我们可以知道，穴蚀最严重。而超过这个范围之后，穴蚀的严重程度也会随着温度的变化而产生变化，当温度到达沸点时，缸套壁面处产生过多的蒸汽泡将严重影响热的传递。冷却水温度太低会引起燃烧不良、积碳、燃油消耗增加。开式冷却中的海水作为冷媒直接接触缸套表面，很容易产生电化腐蚀和化学腐蚀。闭式冷却系统中冷却水中添加防腐的添加剂是十分重要的。

3.6 冷却水腔的容量和布置形式

冷却水的设置十分重要，不论是夹层还是水腔。如果冷却水的设计不够合理完善，那么会造成不同程度上的后果，从而使得穴蚀的出现。

3.7 柴油机的负荷及转速

柴油机不同的改变，都会使得气缸的内部条件因素而发生随之变化而产生的变化。而这些随之产生的变化，正是使得气缸的套子之中产出的穴蚀变的十分复杂。这些穴蚀并不会仅仅只是停留在原貌，而是会随着活塞冲击气缸的套子，而随之产生相对应的增加。

4 防止缸套穴蚀的措施

①大尼罗河石油有限公司某油田作业区内电站发电用的Rolls Royce 4012型柴油机是定速发电用机，通过现场试验监测到的振动数据，柴油机负荷在75%及以下运行时，随着负荷的增大，振动增大不是很明显，当负荷达到80%时及以上时，柴油机的振动明显加大，考虑到负荷增大缸套穴蚀的加剧，将柴油机的负荷控制在75%以下负荷运行；②根据维修前现场测得的爆压数值和排气温度数据，各缸的排气温度和爆压相差较大，各缸的负荷不均匀，通过调整柴油机的各缸的高压油泵的喷油定时，使各缸的排气温度和爆压均匀，提高原油进机的温度，定期更换喷油器的喷油嘴，改善燃油的雾化状况，通过上述方式使柴油机降获得较柔和的工作过程，从而降低缸套的振动强度，减少穴蚀的损坏；③选用新型材料或在缸套外壁镀铬、渗氮、涂陶瓷材料，以提高材料抗穴蚀能力；④控制油、水温度，不使油、水工作温度过低，以保证活塞与缸套有合适的配合间隙；⑤在冷却水腔中安锌块的目的是为了实施阴极保护，防止电化学腐蚀。⑥由于该型柴油机每个缸套下面都有一个可拆装的缸套附件与机架通过螺丝连接在一起，如果安装质量不好，会造成活塞销轴线相对活塞中心线的偏移量加大，严重时缸套附件与机架连接处漏水，在维修安装时控制好缸套附件的安装质量，保证活塞的侧推力只是处在适合的位置，由此而进行改变，从而延长缸套穴蚀的时间。⑦在柴油机到膨胀水箱的管路中加节流板，排除缸套中的气泡，定期维修高温水恒温阀，保证缸套内水的温度在75～90℃之间，使用清洁的软水，及时清除活塞与缸套间的水垢，避免水道变窄，在冷却水中加水添加剂，添加剂能在气缸的表面壁产生一层薄膜来进行气缸的安全保护作用，这就很好的做到了防御各种腐蚀方式的腐蚀。

参考文献：

[1]刘彦辉.柴油机缸套穴蚀问题的探讨[J].腐蚀与防护，2011.

[2]席敬波，周烈，鲁大鹏.船舶柴油机缸套穴蚀产生原因分析及预防措施[J].科协论坛，2009（01）：12.

[3]陈建.柴油机缸套穴蚀产生的机理[J].上海：上海师范大学学报，2000.