某中速大功率柴油机气阀烧蚀原因分析和验证

青岛淄柴博洋柴油机股份有限公司 李 良 孙记树 刘美庆 李福海

柴油机是船舶的心脏，气阀是柴油机的重要零部件之一，一旦漏气，将影响柴油机的正常运转，现代柴油机的强化程度较高，本文研究的中速大功率船用柴油机，气缸直径为330mm，四冲程，活塞行程为440mm，最高爆发压力可达17.5MPa，燃烧发火温度瞬间达到1800℃，一旦阀线局部漏气，在高温、高压燃气吹蚀下，很快就可将阀面吹蚀，作为船舶推进用柴油机，就需停机检修，或者被迫单缸停油，封缸运行，影响极其恶劣。

问题简述

某公司反馈其三艘船上的主机均出现了气阀烧蚀问题，引起了我们高度重视。前后经多次上船验证及检查，发现气阀主要存在以下两种情况：

1、排气阀锥面出现烧蚀且烧蚀的材料已经被熔化吹走，如图1所示。

图1 排气阀锥面烧蚀拆检图

2、进气阀锥面上出现烧蚀且烧蚀的材料已经被熔化吹走，如图2所示。

图2 进气阀锥面烧蚀拆检图

据该公司反馈，该公司的船作为远洋渔业运输船，作业区域为南太平洋，从港口开往渔场的过程中，柴油机运转非常良好，各项参数非常平稳，载鱼后回港，整个回港大约需要50～60天左右，一般船运行30天后会出现气阀烧蚀，且气阀烧蚀前，没有任何征兆，均为突发性气阀烧蚀。

气阀烧蚀原因分析

气阀的工作性质和条件决定了造成气阀烧蚀的原因很多。气阀直接与高温高压的燃气接触，若燃油较为劣质，含有大量的钒、钠、硫等元素，这些元素燃烧形成的氧化物和盐很容易造成“高温腐蚀”；排气阀还须承受很高的机械负荷、燃烧过程所产生的爆发压力及落座时的撞击而形成的冲击性交变载荷，易造成气阀密封面弹性、塑性变形；气阀的材料以及与气阀工作相关零部件的工作状况也可能是气阀烧蚀的重要因素之一。

1、气阀材料

发生气阀烧蚀质量问题，首先考虑的是气阀材质是否满足设计要求，本进气阀和排气阀图纸要求材料和机械性能如表1所示。经检测，进、排气阀的材料均满足设计要求。

表1 进、排气阀材料性能

2、阀线情况和烧蚀情况

从现场烧蚀情况看，柴油机进气阀和排气阀均有烧蚀情况，进、排气阀的阀线上均有麻点。初步推理得出：阀面上覆盖杂质，气阀高速落下，并在转阀器作用下将杂质碾碎吹掉，杂质过多后，垫在阀面上的杂质连成线甚至连成片，造成此处漏气，在高温高压燃气吹蚀下，迅速将阀面吹掉，如图3、图4所示。

图3 气阀烧蚀麻点状态图

图4 气阀烧蚀小缺口状态图

由此得出进入燃烧室的空气中可能存在大量杂质，基于以上初步判断，在该公司其中一艘船的柴油机上，我们对进气道各个零部件进行了拆检，检查进气道情况，发现：

（1）机体进气腔内壁锈蚀严重，有大块的缺失，如图5所示。

图5 进气腔内部情况

（2）进气腔内盖板表面锈蚀严重，如图6所示。

图6 气室盖拆检图

（3）中冷后接管锈蚀严重，如图7所示，放水阀已彻底被锈块堵死。

图7 中冷后接管拆检图

图8 气缸盖进气接管拆检图

拆检的情况也印证了杂质进入进气道，落在阀面上，最终造成气阀烧蚀。

3、进气道各部件腐蚀原因分析

由上述情况看出，进气道相关零部件锈蚀和腐蚀，形成锈块，锈块等杂质落入阀面最终导致了气阀烧蚀。探究气阀烧蚀的原因时，重要的一点就是探究进气道相关零部件腐蚀的原因。

金属材料受周围介质的作用而损坏，称为金属腐蚀。金属的锈蚀是常见的腐蚀形态。腐蚀时，在金属的界面上，发生了化学或电化学作用，使金属转为氧化状态，从根本上说，就是金属单质被氧化成化合物。腐蚀与下列条件有直接关系：

（1）相对湿度

相对湿度越高，金属表面水膜越高，空气中的氧透过水膜到金属表面。相对湿度达到一定数值时，腐蚀速度会大幅度上升，这个数值为临界相对湿度，钢的临界相对湿度为70%。

（2）温度

温度与湿度有直接关系，干燥的环境下，温度再高也很难锈蚀，而在湿度达到临界相对湿度后，温度每增加10℃，锈蚀速度可提高2倍。

（3）空气中其他杂质

当空气中含有二氧化硫、硫化氢等酸性气体时，酸性气体与水分结合形成液态酸，更加加重金属腐蚀。

由此可见，提高进气道各相关零部件的防腐蚀能力，优化柴油机进气温度，以及降低进气腔内相对湿度是改善气阀烧蚀的着力点。

改进措施

通过上述原因分析，有针对性地对其进行改进，以改善气阀烧蚀情况。

1、提高进气道相关零部件的防腐蚀能力

进气道相关零部件及其防锈处理要求（如表2所示），就目前国内喷漆条件来说，存在喷漆不匀，易脱落及附着力不强等缺点。在湿度较高的环境下，燃料油中的硫燃烧生成酸性气体二氧化硫(SO)，在催化剂的作用下进一步氧化生成三氧化硫（SO），与水蒸汽结合形成液酸（HSO/HSO），会对进气道零部件表面进行腐蚀，腐蚀后的锈质进入气阀阀面引起气阀烧蚀，而较大的锈块，堆积在进气腔及中冷后接管下部，堵塞了放水阀，使湿度更高，加速了零部件腐蚀。

表2 进气道相关零部件防锈处理对比

对于机体进气道，更改其处理方式如下：

（1）内面及外表面的喷涂

所用涂料为长期暴露型环氧铁红防锈底漆，色调为铁红色。一次喷涂的必要涂膜厚度为15～25µm。

（2）进气腔等喷涂

喷漆前应彻底清除两个进气腔内的夹砂、铁锈等杂物。

低温侧（进气腔A）使用环氧树脂终饰层涂料，色调为白色。喷涂方法分为两次喷涂，必要涂膜厚度为35～45µm。

高温侧（进气腔B）要使用max280℃的耐热涂料，色调为银灰色。喷涂方法为一次喷涂，必要涂膜厚度为15～25µm。

更改处理工艺，进行喷塑处理后的中冷后接管，如图9所示。更改处理工艺，进行喷塑处理后的进气接管，如图10所示。

图9 中冷后接管喷塑图

图10 进气接管喷塑图

2、中冷后的空气温度优化

由上文中气阀烧蚀的原因分析可知，温度对湿度以及零部件的腐蚀速度有着很大关系，将柴油机进气腔温控阀调节温度由原≤35℃调整为≤45℃，此温度既能保证进气量，又能保持空气干燥，减少了冷凝水的量，有效控制了金属零部件的腐蚀，降低了由于空气湿润而引发的积碳黏着，以及酸性水份的形成。

装船验证

将改进后的进气道各个零部件更换到原气阀烧蚀的柴油机上，并调整中冷后进气温度为≤45℃，有效地改善了此船气阀烧蚀现象。

此船经过1年多的航行后，公司对其进行了回访和拆检，从拆检结果看，此船上的柴油机运行了5000小时之后未再发生气阀烧蚀现象，柴油机在控制中冷后的温度后（45℃左右），气道冷凝水明显减少；对气室盖进行拆检，如图11所示，与未进行喷塑处理时的气室盖对比，明显发现，改进处理后的气室盖未有锈蚀现象发生。

图11 气室盖内、外表面情况

本文通过某中速大功率船用柴油机装船使用的实际情况，对气阀烧蚀原因进行了全面分析和逐步排查，提出了气阀烧蚀的主要原因是进气道相关零部件锈蚀和腐蚀，形成的锈块等杂质落入阀面，气阀高速落下并在转阀器作用下将杂质碾碎吹掉，杂质过多后，垫在阀面上的杂质连成线甚至连成片，造成漏气，在高温高压燃气吹蚀下，迅速将漏气部位阀面吹掉，最终导致气阀烧蚀；实施了本文提到的改进措施，并经实船验证后，气阀烧蚀问题基本得到了解决，可为解决同类柴油机气阀烧蚀问题提供较好的参考价值。

同时为了更好地避免气阀烧蚀问题产生，还可采用棘轮式转阀器，经过验证，棘轮式转阀器能有效的防止气阀偏磨及异物的堆积，提高气阀使用寿命。