主机缸套异常磨损分析与管理策略

摘 要：航行中，主机气缸内连续性机械敲缸，检查发现缸套上面已经产生了1mm的台阶，而如此情况却在多艘船上出现。试着从气缸套的磨损机理入手，分析引起缸套异常磨损的可能因素，并提出实船管理策略，旨在找出产生异常磨损的真正原因，降低再次发生故障的可能性。

关键词：异常磨损；润滑机理；残油分析；管理策略

0 引 言

2017年7月，某轮在大西洋航行时，突然发现主机（MAN 6 S50MC-C，ALPHA电子气缸注油器）NO.6发生连续性机械敲缸，在得到驾驶台同意之后停车漂航，拆检，发现活塞环槽与缸套均出现了异常磨损，且缸套在第一道活塞环上止点的位置有约1mm的台阶，最终更换船存备用活塞与缸套后恢复航行。近年来，关于主机缸套发生缸套异常磨损的情况屡见不鲜。同行之间交流发现，电子气缸注油器或电控型的主机相比使用传统机械式注油器的主机，发生缸套异常磨损的概率较大。镀铬缸套的正常磨损率为0.01～0.03mm/Kh，磨损极限为0.4%～0.8%D（缸径），如果短期内超过这种磨损速率，我们认为缸套发生了异常磨损。

1 气缸润滑机理

随着低速二冲程发动机MEP（平均有效压力）的提高，劣质燃油的使用以及长期低负荷运行引起的燃烧不良等综合因素，让气缸润滑条件更加恶劣，如果实船管理中没有针对性的措施，会加大缸套发生异常磨损的概率，从而使气缸油本应具有的减摩、防腐、密封、带走燃烧残渣和降噪的作用而逐步丧失。

1.1 气缸润滑状态

高温是油膜形成的最大障碍，正常情况下，缸套上部表面温度在200℃左右，下部表面温度约90℃～120℃，高温让气缸油的黏度下降、氧化、蒸发。

活塞往复运动时的速度在行程中部时最大，而在上下止点时，速度为零。只有缸套中部才能实现液体动压润滑，在上下止点时，只能满足边界润滑。到达上止点位置时，由于高温和活塞环对缸壁的径向压力最大，尤其是第一道环，如果发生不正常的情况，可能边界润滑条件都无法满足。

劣质燃油中高硫分、高灰分、高残碳值、高硅铝和高沥青含量等会造成低温腐蚀、固体颗粒磨损和结炭增加，引起活塞环在环槽中咬住、断环、燃气下窜等连锁反应式故障。

1.2 磨损机理

缸套磨损存在腐蚀磨损、粘着磨损及磨料磨损三个方面的磨损机理，具体简述如下。

（1）腐蚀磨损

腐蚀磨损包括：a.缸套水温太低；b.气缸注油定时错误；c.由于气缸油量不足或气缸油分布不正常而无法中和燃烧产物中的H2SO4；d.燃油中进入海水或空气中盐分过高引起燃烧产物中存在HCL； e.热负荷过高使得活塞环断裂或其他形式损坏。

（2）由于油膜破坏引起的微咬合粘着磨损

油膜破坏性的粘着磨损主要原因包括：a.活塞环与缸套材质不匹配；b.注油定时不正确。c.热负荷过高使得活塞环断裂或其他形式损坏。d.缸套表面珩磨纹消失而产生“镜面”现象，产生“镜面”的原因来自化学性和机械性两个方面。一是气缸油中总碱值与燃油实际含硫量不匹配而中和过度（总碱度过高），剩余的堿值主要成份是氢氧化钙，与燃气中的二氧化碳在高温下生成碳酸钙（俗称石灰石），此物聚集在活塞项部和第一道活塞环处像磨刀石一样很快把缸套表面的珩磨纹磨掉，此为“化学性镜面”；二是活塞顶部过多的燃烧沉积物或不合适的活塞环将油膜破坏，此为“机械性镜面”。e.从扫气口进入气缸的空气含水量过高，比如：扫气温度过低、空冷器气液分离装置失效或空冷器漏水等。

（3）由于外部杂质引起的局部磨料磨损

产生磨料磨损的原因主要有：a.来自劣质燃油中的catalytic fines； b.由于其他磨损形式产生的铁质材料进入缸套与活塞环之间；c.燃烧产物中的硬质颗粒；e.来自空气中的杂质。

2 导致异常磨损的主要因素分析

2.1 气缸油的问题

（1）气缸油牌号的选择

船用气缸油复合添加剂因生产厂家，生产原料及配方不同，使用性能会存在很大差异，对要求苛刻的气缸润滑尤为重要。气缸油是由基础油与添加剂组成。基础油受提炼原油先天性质、炼制技术、厂家生产工艺等因素影响，使其在黏度指数、抗氧化性、稳定性等方面受到限制，只能依靠添加剂来改善综合性能。添加剂主要有清净剂（清除高温结胶和积碳）、抗氧化剂（阻止高温下与氧反应而变质）、抗腐蚀添加剂（避免硫分与有机酸的腐蚀）、黏度指数改良剂（改良黏度特性）、抗磨损添加剂（通过化学反应产生保护膜修复*接口润滑状态，防止金属间直接摩擦）、碱性添加剂（中和酸性燃烧产物）、极压添加剂（氯或磷等硫化物，发生接口润滑时保护金属表面防熔接或咬痕）等等。

注：*接口润滑，指高温高压状态，金属表面在高热膨胀时，将油膜瞬间挤开而形成金属表面间直接摩擦。

船东在选择气缸油时，最好使用市场上信誉良好的品牌，并根据服务通函要求给予船上正确的操作指导。

（2）注油定时

理论上，注油定时在活塞上行时，第一道活塞环经过注油孔时，开始向缸内注油，查阅某轮主机MAN 6S50ME-B9.2SPAF软件，设定注油定时是-71.5DEG.（指第一缸的定时是上止点前71.5DEG，根据发火顺序可以推算到其他各缸的定时）；某轮主机MAN 6S60ME-C8.5SPAF软件，设定注油定时是-66.7DEG.。

实船注油定时检查方法：

主机停车，将NO.1缸的其中一只注油枪取出，正车盘车，当从注油孔观察到第一道活塞环时，停止盘车，检查此时飞轮刻度a0，a0-3600=b0，b0与ECS系统中SPAF文件中设定值相比较是否一致。例如，SPAF中设定值是-71.50，那此时飞轮刻度应该是3600-71.50=288.50。

（3）注油率

在为了追求低燃油消耗，主机降功率，增加了气缸内水分与酸的形成，使得冷腐蚀增加；主机长期低负荷运行；SECA区域使用低硫油或馏分油（MGO），以上状况在实船管理中使用的气缸油注油率科学合理吗？传统的只依靠运行时间和基于扫气口检查的方法，可能不适应以上特殊的工况要求。解读MAN相关技术文件（sl2014-587），主机初期磨合的前500h和ACC模式下确定合适的ACC factor相当重要。

0～500h，根据时间如下步骤逐减气缸注油率，但每次递减都需要基于扫气口的仔细检查。

ACC factor确定，理论上说，500h后进入ACC（adaptable cylinder-oil control）模式，采用该模式的理念是尽可能将气缸油控制在一个“不多不少”的安全范围，既保证了气缸油的功效又节约了成本。ACC模式下气缸油的注油率=ACC factor*S%，S%含量可以从燃油的化验报告中获得，但ACC factor是要通过一定技术方法取得的。根据选用气缸油BN值不同，厂家推荐的ACC factor是不同的，图2是BN100在MK8以上的机型ACC范围。图中规定了最小注油率0.6g/kWh，只有当燃油含硫量达到一定值时（≥1.5S%m/m），进入ACC active area，确定ACC factor才有意义。

确定ACC factor不是通过计算得出的，而是通过扫气口检查或活塞下部残油取样化验分析Fe与BN成分决定的，图3显示了残油化验中BN与Fe含量合适的关系，BN≥10-25mgKOH/g； Fe≤200mg/kg。为了快速找到合适的ACC factor，可以通过sweep test程序得到不同注油率下残油成分中的BN与Fe含量，通过图表找到合适的ACC factor。

根据残油分析，可以送实验室也可由船用化验装置进行。实验室化验数据相对全面，但是送样困难，数据采集时间不及时。船上化验主要数据采集分析及时，但设备费用较高。

笔者认为，电控型主机的新船配此设备还是值得的。

sweep test：如图4所示，为了缩短找到合适ACC feed rate factor的周期，通过sweep test程序，测得不同注油率下各缸残油的Fe/BN含量，从而找到合适的ACC factor。sweep test需要满足一定条件，燃油的含硫量足够高（2.8～3.5S%m/m），4～6天的稳定负荷下运行，注油率分别从1.4，1.2，1.0，0.8，0.6g/kWh按每24h递减，每个注油率下运行24h后分别取样各缸扫气口残油化验，需要取样化验的油样还包括刚开始执行sweep test程序时的残油。sweep test 程序结束后，恢复到原先注油率下运行，直到化验结果得到合适的 feed rate factor。

2.2 燃油的问题

劣质燃油的特点：高密度、高黏度、高硫含量、高残碳值、高沥青含量、高灰分、高水分、高凝点、硅铝（cat fines）含量超标、钒钠含量高、稳定性差等。其中高残碳值、高硅铝、高沥青含量容易造成燃油高压油泵的柱塞与套筒偶件和油头针阀偶件卡住。高灰分、硅铝含量超标、其他硬质颗粒以及燃烧不良产物容易在缸套与活塞环之间形成磨料磨损，尤其是高硅铝含量产生的磨损速度很快。高硫含量且气缸供油量长期不匹配容易使缸套表面发生腐蚀磨损。高钒钠含量容易引起高温腐蚀。

关于catalyst fines，见图5，其主要成分是AL2O3+SIO2，燃油提炼时使用的催化剂，ISO8217-2017允许标准是60mg/kg，柴油机厂家要求小于15mg/kg。一旦大量进入燃烧室会嵌入缸套表面，引起快速剧烈的磨料磨损，同时还会对油头和油泵有磨损。据经历过“硅铝磨损”的同行介绍，当其含量达到一定标准后，24h内就发生断环和缸套快速磨损的严重后果。

2.3 燃烧不完善的问题

（1）长时间超负荷运行：主机超负荷运行包括超热负荷和机械负荷，下列情况可能会产生，如：船体被海生物严重污染后依然高负荷运行、恶劣海况航行、燃烧室部件密封不良引起高排温、各缸负荷严重不均引起个别缸高负荷运行等。

配有COCOS-EDS软件的主机监控系统，可以在主机负荷曲线界面观察。

（2）长期低负荷运行（经济航速）：由于市场不景气，船舶跑经济航速已是司空见惯，主机长期部分负荷运行，势必会产生燃烧不良、燃烧室及排气系统积碳。如此，主机的日油耗量是减少了，但主机工况会渐渐变差，故障率提高，维护保养周期缩短。另外，主机长期部分负荷运行，要依据扫气口检查或活塞下部残油化验结果适当调整气缸注油率。

（3）长期燃烧不良或后燃：可以通过测量示功图，结合主机的热工参数分析判断。

（4）冷却水系统：良好的缸套水冷却，有如下指标，水质化验指标正常、压力正常、温度正常等。对于没有JBB或LDCL系统的缸套冷却系统，冷却水温过低会加重低温腐蚀，过高会破坏气缸油油膜的形成。如果长期水质不良，使得缸套水腔壁结垢加重，久而久之会形成主机高温冷却水进出口温差变大，引起燃烧室部件热应力变大。

（5）主机活塞下部正确放残：目前的主机活塞下部放残都设计成常开型的，实船管理中要定期确认放残管是否畅通。

2.4 设计与材质问题

（1）活塞頂部与活塞环部分变形：这种现象容易发生在翻新的活塞头，和热负荷过大、断环、积碳严重等引起的活塞环槽变形、损坏，当发生如此现象后，油膜无法形成。

（2）活塞环与缸套材质匹配合适：活塞环的表面硬度应在HB180-250之间，且同一环的表面硬度差小于HB20，环的表面硬度应该略高于缸套表面硬度HB10-20，如果环的表面硬度太高，容易引起环与缸套的异常磨损。营运中，活塞环备件的来源十分重要，原则上要选用原厂备件，一旦某次使用的活塞环因为材质、加工工艺等质量问题而使缸套产生异常磨损，最终只能更换缸套才能彻底解决问题。

（3）搭口、天地间隙：厂家关于环的搭口、天地间隙有推荐值，如果过分小于该值，运行中的活塞环没有膨胀余地而产生对顶弯曲，或环在槽中咬死而损坏。建议新活塞环在安装前在缸套内做予安装检查，仔细检查环在缸套内状态，尤其是搭口倒角处是否存在对气口有刮擦的可能。

（4）气缸油注油槽形状：如果缸套气缸油注油槽形状是连续圆环（非波浪型）形状，高温下活塞环过油槽时，环的上下边缘容易与油槽相擦，久而久之，缸套磨出台阶，活塞环损坏。此种注油槽形状设计引发的故障引起了MAN厂家的重视，并在后期的产品中作了改进。

2.5 实船管理中存在的问题

通过对照上文缸套磨损机理中的分析，引起缸套异常磨损的真正原因归根结底大都来源于实船管理中存在的问题。这些问题，主要体现在管理者的管理理念，对新技术、厂家新要求掌握不足，凭老经验操作，缺乏通过技术手段掌握可靠的数据支持，尤其在共轨式气缸注油系统、燃油管理和电控型主机性能参数测量与调整方面等。

3 实船管理策略

3.1 扫气口检查的重要性

掌握正确的检查方法与判断标准很重要，检查时借助电筒、反光镜、塞尺、非金属棒等工具进行操作，检查者要通过扫气口两侧进行检查，不能仅仅通过主机操作侧的道门口检查，还要进入扫气箱仔细检查，每次检查两人以上，并根据厂家提供的检查表如实记载《主机扫气口检查记录表》，拍照存档，便于后期比较。实船管理中，轮机长与大管轮的工作责任心、方法和经验决定了检查结果的可靠性，太多事实证明，当主机缸套发现异常磨损时，前期的扫气口检查工作都没有做仔细。

3.2 气缸油系统的管理

气缸油定时、注油率等问题上文作了简述，在实船管理中需要注意以下问题：

（1）Alpha电子注油器：系统中进口、出口处蓄压器压力分别为1.5bar，30～40bar，确保正常。

（2）估算功率（Estimated Engine Load）与PMI功率调整至相差小于2%。

（3）最小注油率在0.6～0.7g/kWh，有条船主机把此值设定在1.7g.kWh，运行几千小时后，出现了各缸套异常磨损的严重事故。

（4）低负荷下长期运行，因为冷腐蚀发生机率提高，需要适当提高缸套水温，注油率适当增加（此时经常性的扫气口检查是十分必要的）。

（5）使用低硫HFO时，注油率推荐最小注油率并经常扫气口检查。

（6）使用LSMGO时，推荐使用低碱值气缸油，如果船上只有高碱值气缸油，建议使用最小注油率并加强扫气口检查，从上文可知，碱值过高会引起缸套镜面化，大家往往会担心注油率降低后基础注油量不足，而不采取任何措施，短时间运行可能问题不大，但长时运行会给缸套带来严重磨损。

（7）确保TACHO系统的正常运行。

（8）由于电控型注油器的注油并非每个冲程都注油的，如果缸套珩磨纹没有而镜面化后，缸套表面储油能力降低，活塞环与缸套“干摩擦”的机率增加，缸套异常磨损会加快。

3.3 充分利用MAN ME系列的PMI系统，掌握发动机工况

PMI（pressure measuring indicating system）系统分为在线（ON-LINE）和非在线（OFF-LINE）两种方式。PMI系统配上COCOS-EDS系统，可实现对主机的数据记录、监视、柴油机性能分析诊断、记录延伸等，系统通过船舶局域网经过VPN（虚拟专用网络），由海事通讯卫星和地面通讯网络，最终将信息送到岸基管理部门。根据MAN的发展计划，目前已实现通过船舶通讯卫星经过船舶专用VPN-局域网-M GUARD模块-MOPB，进行发动机控制系统数据在线升级。

ME系列柴油机根据PMI测量的数据调节主机性能参数时可参考如下步骤进行：

（1）测量主机低负荷时的平均指示压力Pi，并进行各缸之间的均衡调节；

（2）测量主机高负荷时的平均指示压力Pi，并进行各缸之间的均衡调节；

（3）检查主机高负荷时的压缩压力，并进行各缸之间的均衡调节；

（4）评估主机平均压缩压力，根据柴油机特性适当整体调整；

（5）检查主机高负荷时的爆压，并进行各缸之间的均衡调节；

（6）评估主机平均爆压，根据柴油机特性适当整体调整。

以上6点是调节主机性能参数的基本顺序，轮机人员在调节过程中要思路明确，坚持这样的原则：所有软件上的调节都是建立在机械设备工况正常的基础上进行的。不可操之过急，不要只追求单项参数“令你满意”。以笔者的经验，不必试图将所有参数的偏差调得都接近0，因为那样，你会“难以满足”，只要在厂家推荐的允许范围之内就好了。

3.4 加强燃油管理

（1）燃油申请时，注明具体燃油规格（参照租船合同），如：ISO8217-2010（2017）IFO 380CST RMG，以免出现加油规格模糊。提前做好油舱准备，合理安排加油舱，按比例添加燃油添加剂，尽可能减少不同港口和不同规格的燃油被混舱的概率。

（2）加油前，仔细核对加油信息，向供应商索要燃油化验单（盖章），如发现不正常立刻与租家、公司相关部门报告。嚴格执行加油程序，全程取样与监督，对不良现象拍照。

（3）认识cat fines对设备伤害的严重性，cat fines有个重要特性就是溶水性好，通过沉淀、有效分离和过滤是完全可以将其含量降到相对安全的范围。

①燃油沉淀柜、日用柜可靠放残；在换用不同港口、规格的燃油舱时，控制燃油沉淀柜、日用柜内的油位，减少混油比例。

②加热温度尽可能提高，但不能引起水分汽化，温度控制在96℃～98℃。

③控制分离量（小于30%额定流量），必要时双机并联或串联运行以满足日常使用需要。

④根据燃油密度选用合适的比重环对cat fines的去除有重要意义，在保证出水口没有油的提前下，比重环内径越大对分离效果越好。从不更换比重环的实船操作习惯不利于分离质量的保证。

⑤目前，MAN厂家推荐使用10μm燃油精滤器，从磨损机理分析，大于15μm的颗粒对磨料磨损有主导作用，因此保证此滤器的清洁与完整性十分重要。但早期船舶配置的燃油滤器精度在50μm左右，这种情况下，只能通过分离来保证了。

⑥ 必要时对分油机出口处燃油取样送检化验，为日后的分油机管理工作积累经验。

⑦定期保养分油机，清洁分离盘、配水装置等，保证其正常工作。

（4）船上的燃油不要储存太久，但新加燃油需要沉淀些日子再使用。每次新油使用初期，密切關注主机、副机、锅炉的燃烧状况，发现异常情况，综合分析，停止使用有怀疑的燃油，做好燃油使用记录、机器参数记录、取样、拍照取证等工作，为索赔提供证据支持；或条件允许对新加燃油进行第三方取样化验，确认可靠之后方可使用。建议管理部门建立全球港口燃油质量信用清单，提醒船员高度重视。

（5）加强船舶油料加装、使用记录管理，可参照船舶进入SECA时的用油记录，详细的用油记录有助于帮助对意外情况的分析。

3.5 燃烧室部件保养

常规的维护保养要点，本文不做讨论，针对缸套异常磨损的问题，如下问题需要在实船中关注。

（1）活塞环安装检查，先将新环放在缸套里预安装，检查各环在缸套上中下不同部位时，与缸套的贴合情况，是否存在透光、接触面不均匀、环的搭口与扫气口相刮等现象，并做出具体分析与处理。

（2）喷油器拆检：每缸中喷油器的启阀压力要差不多，滑阀式喷油器不要在试验台上做雾化测试，因为在做雾化测试时，针阀受到高压差而产生升程低的高频振动，造成磨损或咬住的可能。

（3）排气阀拆检：关注阀杆与阀座密封堆面的角度与磨损程度。正常情况下，冷态时阀与座为内接触，受热状态下会慢慢变成平行接触，在每次拆检和研磨后需要检查测量两者间的相对角度是否正确，如果在冷态时接触面不在内口处，运行中容易发生“blow by”。密封堆面耐热合金层一般是3mm，最大磨损量达到2mm就不能使用了。

4 结束语

缸套产生异常磨损，可能因素很多，笔者认为类似cat fines磨料磨损和注油定时错误会引起极短时间内的快速异常磨损，而气缸油不足、冷腐蚀之类的腐蚀磨损引起的异常磨损是个长期积累的过程。燃烧室部件的日常管理在于精细化，重在防范。对设备的按计划保养和视情保养都不能马虎，主机主要热工参数测量与分析并调整在最佳状态、扫气口检查、扫气口残油取样化验、分油机管理、过滤设备的检查保养，燃烧部件的保养对提高主机运行的可靠性有十分重要的意义。

作者简介：

朱晓亮，高级轮机长，（E-mail）zxl@josco.com.cn，13962766360