船舶柴油机缸套穴蚀产生原因分析及预防措施

1、 论文题目：船舶柴油机缸套穴蚀产生原因分析及预防措施 摘 要 船用柴油机的穴蚀是指柴油机运转过程中，湿式气缸套外圆表面冷却壁上产生的不同于一般腐蚀和机械磨损的局部聚集小孔群腐蚀。气缸套穴蚀是船用中、高速柴油机普遍存在的严重问题。随着柴油机的功率增加、强载度的提高和高速、轻型化，气缸套穴蚀破坏就成为妨碍柴油机正常运转的首要问题，严重的影响柴油机的工作可靠性和气缸套的使用寿命。一般说来，船用中速和高速筒形柴油机，特别是高速、轻型大功率柴油机，气缸套存在不同程度的穴蚀。有的柴油机投入运转不久在气缸外圆表面就出现穴蚀小孔，甚至柴油机运转不足千小时就因缸套穴蚀穿孔而报废，而此时缸套内圆表面尚未磨损。为此

2、，本文主要对船舶柴油机气缸套穴蚀的现象和其机理进行了分析，通过分析其产生原因，提出了在一些日常维护保养中防止穴蚀发生的措施，并对船用柴油机气缸套的设计、制造与维修提出一些建议。关键词： 船舶柴油机、气缸套、穴蚀成因、预防措施Abstract The cavitation erosion of marine diesel engine is different from that of the common corrosion and mechanical wear caused by the surface cooling wall of the cylinder liner. Cylinde

3、r liner cavitation erosion is a serious problem in marine medium and high speed diesel engine. With the diesel engine power increased, strong load increase and high speed and light, cylinder liner cavitation damage has become the primary problem prevents the diesel engine runs normally, serious impa

4、ct on the diesel engine working reliability and liner service life. Generally, the ship with medium speed and high speed cylinder shaped diesel engine, especially in high speed and light high power diesel engine, cylinder liner have varying degrees of cavitation. Some diesel engine put into operatio

5、n soon outside the cylinder circular surface appeared pitting holes, even diesel engine running less than a thousand hours is because of the cylinder liner cavitation perforation and useless, but this time cylinder circular surface not yet worn out. Therefore, this paper mainly on marine diesel engi

6、ne cylinder liner cavitation phenomenon and its mechanism are analyzed, through the analysis of the causes, puts forward some measures to daily maintenance to prevent the occurrence of cavitation in and for the ship with diesel engine cylinder liner design, manufacturing and maintenance and puts for

7、ward some suggestions.Keywords: marine diesel engine、cylinder liner、cavitation erosion 、 control measures. 目 录第一章 绪 论1 1.1 选题背景1 1.2 本文研究的主要目的1 1.3 本文研究的意义1第2章 气缸套结构形式及作用 2.1气缸套结构形式2 2.2气缸套的作用3第3章 气缸套穴蚀产生的机理分析 3.1缸套穴蚀产生原因3.1.1 缸套穴蚀的主要外因：高频振动33.1.2 缸套穴蚀的主要内因：气缸套材质33.1.3 电化学腐蚀加速穴蚀3 3.2穴蚀分类13.2.1 冲击性穴蚀

8、33.2.2 液体腐蚀3第四章 影响缸套穴蚀的原因  4.1缸套方面的原因1 4.2冷却水方面的原因1  4.3频繁地起、停柴油机1  4.4超负荷、高转速1第五章 预防措施  5.1保证正常的活塞与缸套间隙.  5.2确保冷却水系统工作正常.  5.3加强运行中的管理.  5.4做好定期维护保养.总 结14致 谢15参考文献16第一章 引 言1.1 选题背景随着现代工业和现代交通运输业迅猛发展，对中小型柴油机的轻型、高速、增压、和重载需求在国内外市场中越来越成为主流。所以对气缸套强化指标大幅度提高，使缸壁承受机械和气体冲击

9、加剧。在减轻发动机重量设计中，主要手段为缸套减薄、活塞缩短、机体刚性变弱。因此，由来已久的气缸套穴蚀现象称为突出的问题。导致气缸套的使用寿命下降的主要原因是穴蚀的产生，重则造成气缸套开裂或穿孔，甚至造成发动机损坏和严重事故。1.2 本文研究的主要目的通过研究船舶柴油机缸套穴蚀产生原因分析及预防措施，清楚缸套穴蚀的成因，采取有效措施来预防气缸套穴蚀，从而延长气缸套的使用寿命。1.3 本文研究的意义中国历史上是一个航运大国，也是个航运强国。在600多年前，就有过郑和下西洋的壮举，这不仅在世界航运史上奠定一个里程碑，也激励着近代中国航运业的蓬勃发展。随着全球科学技术的日益进步，越来越多的高新技术在航

10、运业上得到运用，航运服务的便捷、高效和低成本使航运业成为全球使用最为广泛的交通运输方式。随着国际航运业的发展和科学技术水平的不断提高，现代船舶的操作难度也不断增加，需要注意的事项也越来越多，船舶航运领域对船舶的安全航行也越来越重视。气缸套是柴油机的重要零部件之一，它的工作条件恶劣，极易产生腐蚀。从对柴油机气缸套故障的大量调查资料中得知，气缸套外圆柱表面的穴蚀占相当大的比例，直接影响柴油机的寿命。正确分析气缸套穴蚀产生的原因，对于预防穴蚀，提高气缸套寿命有着重要的意义。第二章 气缸套结构形式及作用2.1 气缸套结构形式气缸内表面由于受高温高压燃气的作用并与高速运动的活塞接触而极易磨损为提高气缸的

11、耐磨性和延长气缸的使用寿命而又有不同的气缸结构形式和表面处理方法。气缸结构形式有三种：无气缸套式、干式气缸套和湿式气缸套。无气缸套式机体即不镶嵌任何气缸的机体，在机体上直接加工出气缸。优点是可以缩短气缸中心距，使机体尺度和质量减小，但是成本高。如图1 图1 无气缸套式机体湿式气缸套外壁与冷却液直接接触，壁厚5-8mm，利用上下定位环带实现径向定位，轴向定位靠套上部凸缘与机体顶部相应的支承面配合实现。优点是机体上没有密封水套，容易铸造，传热好，温度分布均匀，修理方便。缺点是机体刚度差，容易漏水。如图2 图2 湿式气缸套 干式气缸套不予冷却液接触，壁厚为2-3mm，外表面和座套孔内表面均须精加工，

12、以保证必要的位型几个都和便于拆装。优点是机体刚度大，气缸中心矩小，质量轻，加工工艺简单。缺点是传热较差，温度分布不均匀，容易发生局部形变。如图3 图3 干式气缸套2.2 气缸套的作用气缸套是一个圆筒形零件，置于机体的气缸体孔中，上面由气缸盖压紧固定。活塞在其内孔作王府运动，其外有冷却水冷却。作用有：(1)缸盖、活塞共同构成气缸工作空间。(2)筒形活塞柴油机的气缸套承受活塞侧推力，成为活塞往复运动的导程。(3)将活塞组件及本身的热量传递给冷却水，使之工作温度合适。(4)二冲程柴油机的气缸套不值有气口，由活塞启闭，实现配气。 第 2 页 第三章 气缸套穴蚀产生的机理分析船用柴油机为提高冷却效果，大

13、多采用湿式气缸套，闭式循环淡水冷却，这种冷却的特点是循环流动的冷却水直接与高温的湿式气缸套外表面接触而带走热量。船用柴油机气缸套穴蚀的形成是一个复杂的物理、化学过程。造成气缸套穴蚀的因素有很多，目前普遍认为是由气缸套在活塞往复运动冲击下产生的高频振动和冷却水携带的电解质所致，这两种因素同时存在或交替进行均会引起缸套的穴蚀。其中气缸套高频振动导致的空泡溃灭是产生穴蚀的根源，而由电解质引起的电化学腐蚀则起到了促进作用。一般气缸套穴蚀会先在某处出现一层氧化膜,然后随时间的推移出现一个个小孔穴,并不断地逐步向外扩展。各类穴蚀形式见表1气缸套部位穴蚀现象连杆摆动平面内的两侧外壁有带状深孔群,其中活塞主推

14、力两侧较严重冷却液进口处和液流转弯处有蜂窝状孔洞支承面及上下配合密封凸肩处有蠕虫形、条沟状凹坑 表1 气缸套各类穴蚀形式穴蚀程度有三种形式如图4所示 图4 不同位置穴蚀的立体表现形式1)轻微穴蚀,在图4左侧C处,在穴孔处不存在腐蚀痕迹与产物,表面较为洁净,呈擦亮状,与周围其它部位相比显露出较少的铁锈和杂质,呈现类似于高温氧化的红褐色,其平面表现形式如图5(a)所示;2)为剧烈穴蚀,在图4中部B处,表现为损坏层较深,形成不规则形状坑穴,形态类似于强酸静态腐蚀,其平面变现形式如图5(b)所示;3)穴蚀为损毁性穴蚀,在图4右侧A处.坑穴可能穿透气缸套,蚀冷却液进入气缸,或冷却水进

15、入机油箱底壳,对柴油机造成灾难性损坏,其平面表示形式如图5(c)所示4)图4中的D处,那是没有受到的穴蚀源影响的上下两处,其平面表现形式如图5(d)所示 图5 穴蚀的平面表现形式3.1缸套穴蚀产生原因3.1.1缸套穴蚀的主要外因：高频振动由于缸套和活塞之间的间隙，柴油机运转时，活塞在侧推力作用下不断地冲撞缸套的左、右侧，使气缸套高频振动。缸套高频振动和缸套的弹性变形使冷却水空间交替地增加和减小，冷却水相应交替膨胀与被压缩。膨胀时受拉伸作用形成瞬间低压，被压缩时形成瞬间高压，此外，冷却水进口和流动时产生漩涡使冷却水通道内压力变化，也会形成瞬间高压和低压。在瞬间低压时产生空泡，瞬时高压时

16、空泡溃灭使缸套外圆表面频繁收到冲击。3.1.2缸套穴蚀的主要内因：气缸套材质缸套一般由铸刚制成，它由铁的基体和石墨夹杂物质所组成，石墨机械性能较差，近似在材料中布满了裂纹和空洞。在拉伸载荷的作用下，石墨夹杂的两端极易产生应力集中，致使裂纹扩大。在高达1GPa冲击力作用下，缸套表面微小局部金属发生塑性变化，不断地作用使金属疲劳而剥落。此外，缸套振动能量的转化，液体间摩擦和空泡破裂时产生大量的热，缸套表面局部产生高温使金属达到融化状态，高压作用下更易造成金属破坏，剥落后形成针孔。3.1.3电化学腐蚀加速穴蚀 冷却水是含有氧气、氢气、杂质等的电解质溶液。铸钢是多极合金，各极在电解液中的电位不同，形成

17、电化学腐蚀。不论是析氧反应和析氢反应，铁是低电位在阳极上成为例子进入冷却水中被腐蚀。在缸套穴蚀处，由于空泡腐蚀产生的冲击波，使铁原子内部的电子活力增大，使该处铁原子较其他处易失去电子而被腐蚀。3.2 穴蚀分类3.2.1冲击性穴蚀柴油机在工作过程中，气缸内的压力是周期性变化的。当活塞与缸套之间的间隙增大时，活塞将产生横摆而不断撞击缸套壁，使水套中冷却水压力产生很大波动，局部地方压力降到该温度下的饱和蒸汽压力时，溶于水中的空气便以气泡形式分离出来;同时该处水汽化为气泡，继而在冷却水中压力又再次升高时，气泡突然爆破，产生瞬时高温、高压，使缸套外壁承受很高的冲击、挤压应力。这一过程反复进行，促使材料疲

18、劳破坏，从表而一粒粒地剥落下来，形成穴蚀。此外，冷却水流速过大也是产生穴蚀的一个原因，因为流速高处压力极低，当低至该温度下的饱和蒸汽压力时，就使其外壁水腔中的水发生交替的膨胀和压缩，导致水中气泡的形成和溃灭，气泡的溃灭产生强烈的冲击力作用于缸壁，从而也会造成穴蚀。3.2.2 液体腐蚀穴蚀 气泡溃灭使缸套外壁受到冲击破坏，使材料中的固体质点逐渐被粉碎或者遭到疲劳破坏，即所谓“材料穴蚀”。对于铸铁，首先会使其中的石墨剥落，逐渐形成针孔，在这些窄的孔洞里，所受到的冲击能量将会更大，使得穴蚀加速向深处发展。这样，缸壁新鲜金属表而暴露后，就不断向水中析出离子，由于受到冲击，在局部范围内就会形成高电流密度

19、，这就很容易产生电化学腐蚀，即所谓“液体腐蚀”，因而在受破坏处形成一层腐蚀产物，以后的气泡溃灭又更容易地将这一层腐蚀产物炸裂剥落，正因为这种穴蚀和腐蚀的共同作用，加剧了材料的破坏，最终形成向纵深不断发展的穴蚀孔。从机械运动来说，缸套受到活塞规律性的撞击而产生弯曲振动，山此产生的机械力是引起缸套穴蚀的根本原因。但是，许多事实表明，伴有腐蚀的穴蚀将导致材料损伤的加快，即腐蚀性穴蚀最为危险。 第四章 影响缸套穴蚀的因素4.1缸套方面的原因 缸套的刚度直接影响缸套的振动。刚度大，则受活塞冲击时缸套变形小，振动小，则穴蚀破坏减轻。活塞在气缸中运动时，活塞对缸壁冲击能量的大小取决于活塞的质量和活塞在气缸中

20、横摆的速度，活塞质量固定不变，但速度会随活塞缸套的间隙减少而减小，对缸壁的冲击能量也减小。 缸套外圆表而的粗糙度的大小也是影响穴蚀的一个重要因素，粗糙度大则当冷却水流过气缸套表而时容易产生气泡，减小粗糙度可使气泡小易产生，从而减轻穴蚀破坏。另外，缸套材料不同耐穴蚀性也不一样。4.2冷却水方面的原因4.2.1 冷却水腔结构冷却水腔通道过于狭窄，水流速度增高，则容易产生气泡，穴蚀破坏加剧。柴油机设计时要求冷却水腔内冷却水的流速应低于2m/s，水腔宽度t=14%D或不小雨10mm,各处均匀一致，水流不形成死水区和涡流区，有利于降低穴蚀。4.2.2 冷却水温度与压力 冷却水温度过高将加速腐蚀过程，但也

21、不宜长期水温过低。实验证明，钢铁和铝等金属材料在淡水温度50到60时穴蚀严重，随着水温的升高，穴蚀破坏减轻。从发挥柴油机的效能和降低腐蚀和穴蚀出发，冷却水腔淡水温度在80到90最好。4.3频繁地起、停柴油机 柴油机在使用中停机、工作相互交替过于频繁，将加速气缸套材料的穴腐蚀破坏。因为柴油机在工作时缸套主要受空泡的剥蚀破坏;停机时缸套受冷却介质的化学腐蚀。不断地停机、工作，交替地剥蚀和化学腐蚀，会加快缸套的破坏。4.4超负荷、高转速 柴油机负荷不同，缸套和活塞的配合间隙及侧推力的大小都会改变。在转速小变的情况下，负荷增大会引起侧推力的增大，活塞对缸壁的冲击和缸套振动也会加剧。喷油提前角过大、爆压

22、急增将引起活塞对缸套的冲击增大。同样，转速的提高，也会加剧缸套的振动。第五章 预防措施5.1缸套问题的解决5.1.1 保证正常的活塞与缸套间隙 (1)要准确选配零件并用正确的装配方法。在装配过程中，正确使用量具，确定测量部位，注意保持零部件的清洁; (2)在柴油机投入正常使用前，应严格按规定程序做好磨合工作;(3)定期进行吊缸检查，吊缸时应对燃烧室部件进行彻底清洁;同时要进行一系列的测量工作(如活塞、缸套、活塞环)，发现问题及时调整改进。5.1.2 提高气缸套抗穴蚀强度 (1)优质选材 铸铁中最易穴蚀是石墨,在同样的基体中,球状或分枝少的团絮石墨耐穴蚀能力最好;片状石墨则脉络越细、贯穿越深越不

23、利。在基体组织方面,珠光体比铁素体抗穴蚀性能强,所以,应根据内燃机的性能参数、特点,选择抗穴蚀能力强的优质材料。 (2)气缸套表面处理气缸套的外表面镀复硬层或进行氮化处理,提高其表面硬度和光洁度,在缸套外表面涂上不同的涂料层。采用镀铭、渗氮、喷陶瓷、涂环氧树脂或涂尼龙等工艺使金属表面与冷却水隔开,或使缸套外圆表面强化,可有效地防止电化学腐蚀与穴蚀。5.1.3 减轻缸套振动(1)提高缸套刚度,如增加缸套壁厚或采用不等厚缸壁,缩短上、下支承间的跨距,增加辅助支承和增加支承凸缘厚度配合钻孔冷却等;(2)选择合适的缸套定位环带与机体的配合,或者装橡胶密封圈以吸收振动能量;(3) 缓和活塞对缸套的冲击;

24、(4) 减小活塞与缸套的间隙;(5) 在一些穴蚀较为严重的领域,还可以在气缸套水套壁等处涂敷人造树脂、油漆等材料,这些材料具有良好的抗腐蚀能力,其良好的塑性可以有效地吸收冲击波。5.1.4 缸套外圆表面覆盖保护层或强化层 采用镀铬、渗氮、喷陶瓷、涂环氧树脂或涂尼龙等工艺师金属表面与冷却水隔离开来，或使缸套外圆表面强化，可有效地防止电化学腐蚀和穴蚀。例如12V180柴油机缸套表面镀铬，8300柴油机机体冷却水腔表面涂环氧树脂，其防腐蚀和穴蚀效果较好。5.2确保冷却水系统工作正常(1)适当提高冷却水的压力，以利于抑制溶于水中的气体析出;(2)适当提高冷却水的温度，以防比蒸汽气泡的形成并容易形成蒸汽

25、，对气泡的破裂起机械阻尼作用;(3)对闭式冷却系统中的膨胀水箱加盖，仅留1个出气管孔，使冷却水中的气体排出，以防空气从此处溶入水中;(4)在冷却水中加防蚀剂，使冷却水的PH值保持在8到9之间，或者在冷却水中加入一些具有消汽作用的添加剂等。缓蚀剂能在柴油机水腔内壁表面形成一层保护油膜，减少冷却液的表面张力，缓和了气泡爆裂时对水腔壁的冲击。缓蚀剂一般分两种：无机缓蚀剂。目前国内外所使用的均以亚硝酸盐和硼酸盐为主要成分，前者具有很好的防垢和防锈双重作用，后者为碱性物质，可提高冷却水的PH值。乳化防锈油。乳化防锈油一般由有机防锈添加剂、乳化剂和基础油三部分组成。采用防锈油处理冷却水，除有防腐蚀作用外，

26、还有一定的润道作用，因此常用于活塞的冷却水处理。我国船舶常用的防锈油中NL型乳化防锈油适用于硬度0.7到0.8毫克当量/升，氯离子不超过0.4毫克当量/升的一般水。Dromus B防锈油的使用，要求在水质硬度要求在2.5到3毫克当量/升之间，使用浓度则是初次加入时按0.7%，运行时保持在0.5%到0.25%之间。在冷却水腔内安装锌块实施阴极保护，防止电化学腐蚀。例如6300、8300型柴油机气缸套表面装锌带，并坚持定期更换，也能较好地防止穴蚀。 5.3加强运行中的管理 (1)在运行中调整好各缸负荷的均匀性，减少柴油机负荷波动，尤其避免超负荷运行，提高整机运转的平稳性以减少柴油机的振动; (2)

27、尽可能减少开机、停机交替变化的次数; (3)运行中应控制柴油机的转速，不要超过标定转速; (4)在运行管理中应注意防比活塞与缸套过热，注意活塞环的工作状态是否正常;保证滑油的质量。5.4做好定期维护保养 (1)修配时，在允许的范围内尽量减小活塞与气缸套的配介间隙; (2)仔细检查冷却水箱的空气蒸汽阀工作性能;(3)调整最佳喷油提前角; (4)可以将穴蚀不严重的气缸套有穴蚀的位置旋转一个方向继续使用，以提高气缸套的使用寿命; (5)在柴油机的定期吊缸检查中，适当安排拉出缸套，及时清除水垢，保持流道畅通;(6)若气缸套缸壁已有穴蚀凹坑形成，则可对已形成的穴蚀凹坑及其附近区域涂上热塑性或热固性塑料及

28、陶瓷等。但这些材料对缸套的热传导有一定的影响。常用的材料有氯丁橡胶、聚苯乙烯和聚氯乙烯等。也可采用环氧树脂填料进行填补。其工艺简单，只要将工作表面清理好（如除锈、除油污、干燥等），将配制（6101环氧树脂100，奔二甲酸二丁脂15、多乙烯多胺12至14、铁粉或石棉绒15至20）好的环氧树脂填料平坑洼处，按干燥要求（在常温下20自然固化24h）后，便可安装使用。机体的水封部位也可采用此法修复，而且修补部位的防腐蚀性也明显提高。根据环氧树脂粘接剂的性质，它的膨胀系数小，耐热性在100左右，均能够满足气缸套水腔的环境条件。因冷却水的出水温度一般小于90（即汽缸头出水温度指示）。对传递缸壁的热量也无明显影响。修理时或更换气缸套时，在外表面局部易产生腐蚀处预先镀上一层环氧树脂膜，以防止