船舶柴油机缸套穴蚀的原因分析及预防措施

在船舶湿式汽缸套的冷却壁面上，由于受到电化学作用、化学作用、应力作用和机械作用等影响会引起多种腐蚀，其中有一种主要是在连杆摆动平面方向汽缸套冷却壁面上出现蜂窝状小孔群损伤的现象被称为“穴蚀”，这种损伤除以局部形式聚集的凹坑形式出现外，常常表现为损伤表面是清洁的，没有腐蚀生成物的沉集，随着柴油机的继续使用，这些凹坑会逐渐扩大、变深，最终在汽缸套壁上形成穿通的小孔洞。在柴油机修理时，有些被更换的汽缸套不是由于内壁被磨损到超过极限，而是由于外壁穴蚀孔深度己超过汽缸套壁厚一半以上。为防止进一步的穴蚀破坏而造成穿孔和由穴蚀引起裂纹，不得不换新，因此，穴蚀直接影响着柴油机的可靠性和使用寿命。一、船舶柴油机缸套穴蚀的形成缸套穴蚀的形式主要是局部聚集的蜂窝状的孔穴和麻点。各种型号柴油机穴蚀的共同特点是：穴蚀均是最早聚集出现在连杆运动(摆动)的平面内，并且多发生在侧推力较大的一边。1、缸套穴蚀的一般特征①穴蚀发生在缸套上、下定位止口，特别是下止口与缸体定位凸台的配合处。②穴蚀常发生在水套狭窄区，在缸体与缸套穴蚀面对应部位也常发生穴蚀，但缸体的穴蚀较轻。③缸套材料的质量低劣，加工表面粗糙，穴蚀的发生会提前并更趋严重。④穴蚀随柴油机的结构形式和强化程度的不同而不同，一般是随柴油机强化程度的提高而趋严重，如经常用于内河拖轮主机的6160型老型号柴油机几乎没有穴蚀现象，而在强化后才出现穴蚀问题；又如6300型柴油机由原来294kW强化至441kW后，穴蚀现象变得很严重。⑤穴蚀的发生大大缩短了柴油机的使用寿命。每到一个大修期或不到一个大修期就得另换一组新缸套，而一般缸套正常的寿命为3个大修期。2、缸套穴蚀的机制原理缸套穴蚀是不可轻视的，而柴油机缸套穴蚀的主要机制就是“电化学腐蚀”、“空泡腐蚀”以及和其它腐蚀机制的综合作用。（1）电化学腐蚀我们知道，金属被电化学腐蚀的条件：一是处于电解质溶液中；二是各部分存在着电位差。柴油机缸套外表面与冷却水直接接触，海水是当然的电解溶液，而淡水中也难免含有一些杂物、氧气、氢气及渗漏入水腔中的燃气等。因此，缸套正处于电化学腐蚀的条件下，受到电解液强烈的腐蚀作用。柴油机缸套大多用铸铁制造，铸铁是多相合金，各相的电位不同，例如铁(Fe)与碳化铁(Fe₃C)比较，碳化铁比铁更不易失去电子，电位较高，因而，铁成为阳极，碳化铁成为阴极，在冷却水中进行如下两种形式的反应：A、析氧反应：在铁(Fe):上2Fe-4e→2Fe²+(进入冷却水中)在碳化铁(Fe3C)上：O₂+4e十2H₂O→4OH¯B、析氢反应：在铁(Fe)上：Fe-2e→Fe²+(进入冷却水中)在碳化铁(Fe₃C)上：2H+2e→2H→H₂即在阳极上，铁(Fe)成为离子进入冷却水中，铁被腐蚀。电化学腐蚀的强烈程度不仅与冷却水中含有氢和氧的浓度有关，而且还与温度有关。冷却水中的氢、氧含量大时，电化学腐蚀加剧；冷却水的温度越高，电化学腐蚀反应速度越快。在缸套穴蚀处，由于空泡腐蚀产生的冲击波，即高的压力峰及温度峰的作用，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。（2）空泡腐蚀空泡腐蚀是在气缸内压力的循环变化和活塞的侧推力作用下引起缸套的弹性变形和高频振动而产生的。缸套的高频振动对冷却水不断产生交替的拉伸和压缩。当冷却水受到拉伸时水的连续性遭到破坏，由于水的内聚力小于附着力，使紧贴缸壁的那部分水层被振离缸壁，仅剩一薄层水膜贴附缸壁，水膜与大部分水层间形成局部瞬时真空，在水中便出现含有蒸气的“空泡”；与此同时，冷却水瞬时受热汽化，也在水中出现“空泡”；再者就是缸壁振动加速度很大时，导致冷却水的运动跟不上，甚至连水膜也难附于缸壁而被弹离缸壁表面，致使冷却水层与缸壁之间出现局部真空而产生含有水蒸汽或由水中产生的其他气体的空泡。当冷却水受到压缩时，“空泡”也受到压缩，空泡内水蒸气迅速液化而使空泡破灭，空泡周围的水迅速冲向空间，产生极强的冲击波作用在缸壁表面上。这个冲击力虽然作用时间和作用空间很小，但它是连续反复地产生和作用在缸壁的极小面积上，碾压金属，使金属产生塑性变形及疲劳损坏，使缸壁表面金属逐步爆裂和掉落而形成孔洞和凹穴。（3）其它腐蚀导致缸套穴蚀破坏的第三个因素是其它腐蚀，包括化学腐蚀、热化学腐蚀(氧扩散)和冲刷腐蚀。冷却水中不可避免的含有硫化氢(H₂S)、氧气(O₂)、二氧化硫(SO₂)、二氧化碳(CO₂)等气体，这些物质都会和缸套金属发生化学反应，使金属发生化学腐蚀。有关试验证实，温度升高10℃，化学反应速度提高2～4倍。穴蚀处因受冲击波作用，局部会有较大的升温，故该处的金属与上述气体的反应比其他处快，该处化学腐蚀也较激烈。我们知道，铁在高温下的氧化过程是一种复杂的热化学过程，在高温下氧不仅与铁反应生成化合物，并且氧原子与铁原子还经过多相扩散层而进行不断地扩散。氧化层大体由三种氧化物构成，即三氧化二铁、四氧化三铁、氧化亚铁。一般地，氧化亚铁中的氧原子不满定额，其晶格不完整，氧原子与铁原子较易通过氧化亚铁而扩散，温度越高，氧化层中的氧化亚铁就越多，氧原子和铁原子就越易扩散。因此，在缸套表面穴蚀处因受冲击波作用局部温度升高增加了该处氧原子和铁原子的活力，同时也增加了该处的氧化亚铁量，故该处氧原子与铁原子扩散速度比较快，使该处热化学腐蚀加剧。在缸套外侧流动着的冷却水易将其表面的腐蚀产物层(四氧化三铁、三氧化二铁、氧化亚铁)冲刷掉，使得缸套基体金属再受腐蚀。如此重复，就造成所谓的冲刷腐蚀。显然，冷却水流速越大，冲刷腐蚀就越严重。对于不同型号的柴油机，上述各种腐蚀对缸套的影响作用不尽相同。一般说来，空泡腐蚀使缸套疲劳，电化学腐蚀和其它腐蚀使缸套被腐蚀破坏。它们之间既有区别又有联系，既相互影响又相互促进，如空泡腐蚀产生的冲击波使电化学腐蚀和其它腐蚀加快，已被电化学腐蚀或被其它腐蚀的部分更容易被空泡腐蚀的冲击波冲击剥落，最终结果，使缸套的破坏速度加快。缸套产生穴蚀的主要原因是空泡腐蚀，影响空泡腐蚀的因素也是多方面的，例如柴油机零件结构方面，冷却水系统方面和柴油机工况方面等。二、船舶柴油机主要部件结构对穴蚀的影响空泡腐蚀是由于缸套高频振动而产生的，其振动强度与柴油机的转速、气缸内的燃气压力、活塞组件的重量、活塞与缸套配合的热态间隙等参数成正比；与撞击时活塞与缸套的接触面积、重力加速度成反比；还与缸套的组成材料有关。1、缸套结构的影响从减轻穴蚀腐蚀角度出发，要求减小缸套在工作中的振动强度，一个有效的办法是增加缸套的厚度。虽然缸套厚度随其自振频率而增高，但由于缸套刚度增大的效益更大，其结果是振动强度随缸套壁厚的增大而明显下降。一般推荐的缸套壁厚为0.06D(D为气缸直径)。当缸套壁厚大于0.08D时，则缸套不易发生穴蚀，但缸壁过厚也带来笨重、散热不良而导致热负荷过大、材料的机械性能下降等缺点。2、活塞结构的影响活塞长度的影响。活塞长，可以减小其在缸套中的倾斜量，增大与缸套的接触面积，并且长活塞还对缸套的振动起衰减作用。所以，加大活塞长度能减轻缸套的弹性变形，降低缸套的振动频率。但在加大活塞长度的同时，必然会增加活塞的重量及其产生的惯性力。显然，这对于高速柴油机是极为不适合的。因此，活塞的长度要适当。相对于活塞销轴线，活塞上、下两部分重量分配对缸套的振动也有影响。当活塞重量一定时，活塞销轴上、下两部分的重量分配不当，如头重裙轻，将会使活塞在换向时摆动力矩增加，从而增加活塞对缸套的撞击力，加重缸套的振动，甚至破坏缸套内壁面上的润滑油膜，发生拉缸的现象。活塞销轴线相对活塞中轴线的偏移量值大小对缸套振动同样有较大影响。理论计算和实验都证明：活塞销轴线相对于活塞中心线向最大侧推力方向偏移适当的量值，会改变侧推力的大小，可以有效地减轻活塞在膨胀冲程内换向时冲击力的急剧变化。3、活塞与缸套配合间隙的影响活塞与缸套间存在的间隙使活塞在横摆时带有冲击性。活塞冲击缸套的能量是由活塞横摆时在横向产生的速度和自身质量决定的。这里的速度是变量，它随活塞与缸套间的间隙的增大而增大，所以，间隙越大，缸套受活塞的冲击越大，振动也就越大，因而越容易发生穴蚀，显然，缩小活塞与缸套的间隙是降低缸套振动强度的有效措施之一，但其缩小的程度要按柴油机的具体情况而定。4、缸套支承形式和止口配合间隙的影响中、小型柴油机的缸套一般都是悬挂在机体中，其支承一般都是上部有一凸肩及导向的凸缘，而下部是一道第二支承凸缘。两支承的跨距越大，缸套的振动也越大。但考虑到冷却水腔的需要，跨距不能缩得过小。采用螺旋支承缸套，可以减小缸套的振动强度，但由于生产加工困难而很少采用。上、下止口处的配合间隙过小或过大都不利于减轻穴蚀的产生。一般说来，只有在安装缸套以及安装中不会使缸套严重失圆变形的前提下，配合间隙尽可能取小些。其值要比缸套产生的振幅值小，有利于减小缸套的振动和空泡腐蚀。三、冷却水系统对穴蚀的影响柴油机冷却水系统影响缸套穴蚀的因素包括：冷却水温度、冷却方式、冷却水腔结构和布置以及冷却水的水质等，但影响的程度并不相同。1、冷却水温度的影响柴油机冷却水的温度与穴蚀程度有密切的关系。每一种柴油机均有一对应的最易产生穴蚀的温度。资料显示这一温度为40～60℃。冷却水在这个温度以下时，穴蚀随水温的升高而趋严重；到这个温度时，穴蚀最严重，温度继续上升，穴蚀将会减轻。但冷却水的温度不能太高，当水温接近沸腾温度时，缸壁处过多的“蒸气泡”将严重影响热量的传递。冷却水温也不能过低，发动机温度过低会引起燃烧不良、积碳、磨损加剧和耗油率增加等不良后果。2、冷却方式的影响柴油机的冷却方式分为开式冷却系统和闭式冷却系统两种。开式冷却系统直接用海水作为冷却介质，为避免海水中的盐类物质受热沉淀结垢，冷却水的温度要保持在50～55℃范围内，而这一温度正有利于穴蚀的发展。而且含有大量盐的冷却水又是强电解液，缸套的电化学腐蚀加剧。海水中还含有大量气体和杂质对缸套直接产生化学腐蚀作用。因此，采用开式冷却水方式，缸套穴蚀最易发生并且发展迅速。在闭式冷却水系统中，能够提高并保持较高的冷却水温度和压力。一般控制温度在80～90℃，压力在(1～1.2)×105Pa左右。采用闭式冷却可以使用经过软化、净化后的冷却水，可以较长时间不换水，还可以加入减少穴蚀腐蚀的添加剂。因此，采用闭式冷却方式，可以有效地减少缸套穴蚀的发生和发展。3、冷却水腔容量和布置的影响冷却水腔夹层太窄，易产生空泡，加上该处温度较高，并且空泡破裂产生的冲击波反复传递，这些都将加速缸套的穴蚀。冷却水腔设计不良，会产生局部涡流区或死水区，该处冷却效果不良，易局部高温，易发生穴蚀。四、柴油机工况对穴蚀的影响（1）柴油机转速的影响运动部件的惯性力随柴油机转速的升高而增大，同时增加转速，也就增加了活塞撞击缸套的频率，因此会使穴蚀加剧。（2）柴油机负荷的影响柴油机负荷的变化，将引起缸内气体压力、侧推力、工作温度、活塞间隙等因素都发生变化，而这些因素将从各方面影响缸套的振动。可以说柴油机的负荷对缸套的穴蚀程度的影响是复杂的。如果柴油机在额定转速