【大型船舶柴油机活塞环常见故障及“中腾海”轮活塞环故障案例分析8000字（论文）】

I0引言对于船用柴油机而言，活塞环的工作性能对燃油燃烧情况和柴油机工作状态起着至关重要的作用。然而活塞环的工作环境却十分恶劣。第一道活塞环直接受到燃烧室中高温高压燃气的作用。活塞环受力复杂且运动形态复杂，在工作中活塞环主要运动有轴向运动、径向运动、轴向振动、径向振动、回转运动、扭曲振动、张合的交变运动等。活塞环承受严重的摩擦和磨损的同时，由于在高温环境下工作，润滑条件较差，易发生裂纹或者折断。而当滑油过多时，活塞环又会粘在环槽内无法运动。柴油机在运行中，也会引起活塞环受到磨损后厚度不均匀或磨损过快等异常磨损现象。从柴油机的发展历程中，不难发现活塞环承受的压力和热负荷的增加远远大于发动机本身负荷的增加。因此对于活塞环常见故障的分析和处理方法的研究必不可少。1活塞环的结构和工作条件1.1活塞环的结构和作用船用柴油机活塞环按照其功能作用分为气环（密封环、压缩环）和油环。1.1.1气环气环的主要作用是密封气缸和散热。气环的密封作用，主要是靠气环本身的弹性而紧贴与气缸壁，以及在气缸内气体压力的作用下而紧贴于气缸壁和环槽下平面实现的[[1]张天野[1]张天野.船舶柴油机[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2017.35.图1-1气环的第一次、第二次密封为了保证密封的可靠性，达到更好的密封效果，柴油机采用多道气环进行密封。当气环与气缸壁以及气环与环槽壁的贴合不够严密时，尤其是气环在环槽中悬浮时，气体通过多道气环形成的间隙起到节流作用，使得漏气大大减少，这种密封形式称为曲径式密封。气环的数量越多，气体的泄露越少，在防止燃气吹走活塞与气缸套摩擦表面上的润滑油膜以减少摩擦磨损的同时，也防止燃烧产物进入摩擦表面，减少磨料磨损，从而其延长吊缸周期作用。但是气环的数目越多会使活塞的摩擦功损失增加。通常高速机采用2～3道气环，中速机采用3～4道气环，低速机采用5～7道气环[[2]胡朔[2]胡朔，万骁.柴油机活塞环故障分析及处理[J].中国设备工程，2021(04):59～60.气环的散热作用是气环将活塞运行中过程中产生的热量径向传递给缸套。如图1-2。非冷却式活塞60-70%的热量通过径向散热。图1-2活塞到缸套的热传导目前，最新的活塞环结构包括基材，耐磨涂层，磨合涂层和侧面涂层。如图1-3。而早期的活塞环只有基材和磨合层，没有耐磨层和侧面涂层。图1-3活塞环结构（1）基材占据了活塞环的绝大部分，通常为合金铸铁或球墨铸铁材料。（2）耐磨层是活塞环最重要的一部分，通常采用一种部分是陶瓷部分是金属的复合涂层材料。这两种成分结合成的金属陶瓷，金属部分具有高弹性耐久性，陶瓷部分具有抗高温和抗咬合性，大大提高了活塞环整体耐磨性。（3）磨合涂层是为了活塞环早期能与缸套进行磨合，磨合涂层是一种具有氧化铝氧化不溶物的青铜基涂层，它有如下功能a.磨合涂层用作安全缓冲，以防止在活塞环与缸套磨合过程中出现拉缸问题；b.活塞环在被磨损后，若仍继续使用会对缸套形成黑色痕迹或孔抛光，活塞环换新后后，新的活塞环磨合涂层的基体可重新建立了缸套的开放颗粒结构（石墨）；c.磨合涂层还可以降低磨合过程中气缸的油耗。（4）侧面磨损会导致窜气和滑油消耗增加，并影响运行表面涂层，因此侧面涂层一般与活塞头上活塞环槽一致，都会对表面采用电镀的形式进行多孔性镀铬以提高耐磨性，或在活塞环工作面热喷涂铝制涂层以进行磨合。实际中，气环的截面（如图1-4）和切面（如图1-5）有着多种不同的形状，正确选用不同的气环不仅有利于提高密封性能和磨合，还会改善活塞环的工作条件。图1-4气环的截面形状图1-5气环的断面形状二冲程低速柴油机常采用的活塞环为矩形环，但上下平面外圆大、有导角，也称为苹果形压力分布环。四冲程中速柴油机常用矩形环（等压环），四冲程高速机常用的是截面为梯形环断面为扭曲环的梨形压力分布环。1.1.2油环在筒状活塞式柴油机中，在气环下面装设有1～2道油环，油环把润滑油均匀的分布在气缸壁上，并把多余的润滑油刮下，以免窜入燃烧室，影响柴油机的正常运行[[3]龙骐[3]龙骐.简析柴油发动机活塞环结构特点及安装方法[J].南方农机，2021，52(01):54～55.不同的是图1-6（b）的双刃刮油环为平刀刃，而图1-6（c）的双刃刮油环为尖刀刃。双刃刮油环在两个刀刃之间开有泄油孔，环槽下也开有1-2道泄油孔，刮油效果更好[[4][4]王沫.活塞环正确拆装即故障判断方法[J].农机维修，2016，3(3):111.图1-6油环的结构形式刮油环在伴随活塞向下运动将刮在环槽内的油通过卸油孔排回到曲轴箱，在向上运动时，刮油环在缸壁表面布上一层油膜，使活塞在气缸壁内顺利滑动做功。因此刮油环的刮刃的尖端应该在下方，否则会使气环泵油作用增强，大量滑油进入燃烧室。在实际中，油环和气环配合使用，一般来说油环都安装在滑油较多的气环下面。1.2活塞环的工作条件活塞环的工作条件恶劣，第一道活塞环直接受到燃烧室中高温高压燃气的作用，由于燃气经过环的搭口、气缸壁和环槽处的泄露，其他活塞环也受到高温高压燃气不同程度的作用。活塞环受力复杂且运动形态复杂，在工作中活塞环主要运动有轴向运动和振动、径向运动和振动、回转运动、扭曲振动、张合的交变运动等[[5]李龙，胡启坤.活塞环折断及其故障分析[J].天津航海，2015(0[5]李龙，胡启坤.活塞环折断及其故障分析[J].天津航海，2015(02)：32～34.2活塞环的主要故障2.1活塞环的过度磨损活塞环在环槽内长时间做往复运动，由于高温高压下润滑困难，活塞环与气缸套、活塞环环与环槽产生摩擦和磨损，使得活塞环的搭口间隙和平面间隙变大。活塞环的磨损情势有分为疲劳磨损、偏向磨损、工作面擦伤等[[]梁思胜.船舶柴油机活塞环常见故障分析及处理措施[J].黑龙江科技信息，2016([]梁思胜.船舶柴油机活塞环常见故障分析及处理措施[J].黑龙江科技信息，2016(27):171.活塞环正常磨损应为均匀磨损，且活塞环外表面光滑无毛刺，无硬化层，呈鼓形。活塞环在环槽内活络，无磨损痕迹，活塞环的棱边无毛刺。缸套表面光滑、湿润。活塞环正常磨损率应处于0.1-0.5mm/kh之内，且一般船用大型低速二冲程柴油机活塞环的使用寿命在8000-10000小时，电喷式柴油机活塞环使用寿命可达到12000小时甚至更高。当活塞环表面有局部轻微擦伤、气缸套壁面存在轻微擦伤、活塞环环棱边尖锐且伴有毛刺时，可以判断活塞环出现了过度磨损现象。导致活塞环产生过度磨损的原因有很多，例如在活塞环磨合不良或未磨合期就投入正常使用，运转中长时间超负荷运动、滑油不足或油质不好，燃烧不良或燃油中含有硬质颗粒磨损活塞环等等。2.2活塞环的折断活塞环的第一、二道环受力复杂且直接受到高温高压气体的作用，往往容易发生断裂，尤其是搭口位置。造成活塞环折断的原因主要有：使用不当，活塞、缸套、连杆的影响，材料问题和制造质量问题等[[]王玉明.柴油机活塞环折断原因分析与预防措施[J].农机使用与维修，2019(06):66.]。活塞环折断后往往断成多段或者变成粉末，燃气大量进入扫气箱，同时气缸磨损加剧主机起动困难，燃烧恶化。断环可能会掉入扫气箱中，也可能进入涡轮增压器，损坏涡轮增压器叶片。活塞环断环主要是因为主机在运转过程中，轮机员或值班员维护不到位和活塞环装配质量差。常见原因有：搭口间隙小于装配间隙、环槽积炭严重、气缸套磨损产生磨台、环槽过度磨损、活塞环挂住扫、排气口、活塞环弹性不足径向涨缩疲劳、活塞环加工缺陷、活塞环安装方向错误、活塞环过度磨损后强度不够、缸套磨损严重、船舶使用燃油经常变动等[[]黄加亮[]王玉明.柴油机活塞环折断原因分析与预防措施[J].农机使用与维修，2019(06):66.[]黄加亮.轮机维护与修理[M].大连:大连海事大学出版社，2010.195～202.2.3活塞环粘着活塞环的粘着是指活塞环在环槽内无法自由运动。这种情况大多是因为活塞或气缸过热、注油过多或滑油不干净、燃烧不良等原因造成环槽结炭和油泥沉积物，固化的沉积物阻止活塞环在环槽内运动。这种情况往往出现在第一、二道活塞环上。活塞环粘着后失去密封作用，导致气缸漏气、活塞环失去弹性易折断、主机功率下降、气缸套磨损加重，甚至形成拉缸。2.4活塞环弹性丧失活塞环在环槽内和气缸壁贴合、密封气缸依赖于活塞环的弹性。伴随着柴油机的长期运转，活塞环经过长期使用，产生不均匀磨损或因为过热、粘着和材料疲劳等原因使其弹力部分或全部丧失，造成环的密封作用下降或消失，影响柴油机的正常运转[[]张雨.基于证据理论的内燃机活塞缸套活塞环组件磨损状态识别[J].内燃机学报.2014，22(1):91～95.]。[]张雨.基于证据理论的内燃机活塞缸套活塞环组件磨损状态识别[J].内燃机学报.2014，22(1):91～95.[]李娟.活塞环技术状态鉴别方法[J].农机使用与维修，2013(10):90.3活塞环故障处理在船舶日常管理中，轮机部成员应对所有的主管设备都进行事前预防和事后处理。轮机值班人员在值班期间负责对机舱的机电设备进行有效的监控，确保人身、设备和船舶的安全。大管轮负责对主推进设备即主机按维修保养计划进行检查、试验、保养和维修。3.1吊缸3.1.1常规吊缸在船舶日常管理之中，由于航运任务繁重以及主机吊缸所需时间较长，而各港口不允许靠港作业，往往没有条件检查活塞环的磨损情况，船舶只能定期吊缸更换活塞环，通常主机各缸每8000小时进行吊缸更换排气阀、换新活塞环同时检查缸套磨损情况。在实际中，主机某缸距离上次吊缸时间将近8000小时时，船舶将在合适的时间和环境停车抛锚进行吊缸，将活塞吊出后采用专用工具取出活塞环，并检查其磨损状况。在取出活塞环前需要测量活塞环的平面间隙。平面间隙也叫天地间隙，当环紧贴环槽下平面时，环与环槽上平面的间隙。取出活塞环后测量活塞环的搭口间隙。搭口间隙是活塞环工作/运转时的热胀间隙[[]陈定文.内燃机活塞环磨损试验研究[J].摩擦学学报.1998，18(4):38～[]陈定文.内燃机活塞环磨损试验研究[J].摩擦学学报.1998，18(4):38～39.3.1.2紧急吊缸活塞环在柴油机运行中折断时，断口和断环会将气缸壁表面刮蹭，发生响声，甚至可能造成拉缸；或者使滑油污染产生大量油雾。断环则有可能调入扫气箱或者涡轮增压器，损坏涡轮增压器叶片。活塞环折断后密封压缩能力变差，使得主机燃烧不良，排气冒黑烟。发现这些现象后，机舱值班人员应在第一时间向轮机长报告，轮机长申请立即停车，紧急吊缸更换活塞环。3.2封缸运行当活塞环折断影响到主机的运转，且当时情况不允许停车吊缸或者备件不足时，应该降低主机转速，减少该缸的喷油量。当故障无法排除时，为了避免造成更严重的影响，应立即单缸停油减/停缸运行，将喷油滚轮停止工作，但要注意需减小油门防止柴油机超负荷、柴油机降速防止增压器喘振、降低负荷防止柴油机异常振动。到港后或在抛锚后通过吊缸更换新的活塞环[[]吴伯才.船[]吴伯才.船用柴油机活塞环断裂故障分析和处理[J].宁波大学学报（理工版），2001(02):55～58.封缸后，柴油机处于故障状态下运转，因此轮机值班人员要增加机舱巡回检查次数，主管轮机员应加强对推进设备的管理，确保船舶动力装备安全可靠的运行。3.3活塞环的修复活塞环更换但无备件时，一些时候可以采用修复的方法[[]MaksarovVV,KrasnyyVA,KlochkovDA.Modelingwearprocessofoilscraperpistonringswithpyrolyticchromiumcoating[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries，2021,1753(1).]。对于磨损不太严重的活塞环，将活塞环搭口的两端修挫成圆角，防止刮伤气缸壁并将毛刺修挫。同时修挫上下端面棱边，减少气缸的磨损和擦伤，并有利于润滑。而当活塞环弹性丧失时，用橡皮锤锤轻轻敲击活塞环内圆，从[]MaksarovVV,KrasnyyVA,KlochkovDA.Modelingwearprocessofoilscraperpistonringswithpyrolyticchromiumcoating[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries，2021,1753(1).[]YichenZhou.FaultDetectioninaDieselEnginebyAnalysingtheInstantaneousAngularSpeed[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing，2001,15(3):549～564.4“中腾海”轮活塞环故障案例分析4.1“中腾海”轮简介“中腾海”轮是由上海外高桥造船有限公司于2009年7月出厂交付中远海运散货运输有限公司的干散货船。船舶总长292米，宽45米，载重178242吨。主机型MANB&W6S70MCMK-6，制造厂为沪东重机机械厂，六缸，缸径700mm，冲程2674mm，额定功率16860KW，持续使用功率14330KW。“中腾海”轮主机采用MANB&W提供的专用船用柴油机活塞环，第一道活塞环采用RVK-C铸铁基材，镀铬底面，采用等离子镀层法在外圆工作表面镀了一层0.5毫米厚的渗碳硬化铬、钼、镍硬化涂层，0.1mm铝磨合涂层，搭口采用重叠式搭口，开卸荷槽；第二道活塞环基材采用CF5铸铁，0.1mm铝磨合涂层，镀铬底面，斜搭口；第三道环CF5铸铁，0.1mm铝磨合涂层，斜搭口；第四道活塞环基材采用CF5铸铁,0.5毫米厚的渗碳硬化铬、钼、镍硬化涂层，0.1mm铝磨合涂层，斜搭口。从2021年12月24日到2022年4月2日100天的时间内，“中腾海”轮共更换两次活塞环：2022年1月26日在董家口港锚地进行主机第1缸吊缸（运转1663h）更换活塞环和填料函；2022年3月9日在SUDESTE港（巴西）锚地进行主机第4缸吊缸（运转8821h）更换活塞环。4.220220126活塞环故障案例分析4.2.1事故经过2022年1月26日在董家口港锚地等候进港期间，打开扫气箱进行清洁和检查。在清理过程中发现在主机第1缸（运转1663h）内发现两块活塞环断裂后碎块（分别约为20mm、35mm），并发现一根断裂的弹簧，经过观察和分析判断：主机第1缸第一道活塞环搭口处出现断裂，填料函第四道刮油环箍紧弹簧断裂。轮机长当即将情况向船长和公司机务说明，在得到主管机务和港口当局的同意后，立即组织吊缸抢修。活塞吊出后，第一道活塞环搭口处断裂，与掉入扫气箱的两块活塞环碎块吻合，填料函第四道刮油环缺失，铜环错位。其他三道活塞环检查正常，更换箍紧弹簧、更换全部活塞环后装复。4.2.2事故原因“中腾海”轮主机1缸在活塞环更换仅1663小时就出现活塞环断裂和填料函刮油环箍紧弹簧断裂事故，查阅轮机日志、维修记录、检测报告以及轮机长、大管轮工作经历和现场分析，得出一下原因：活塞环磨合不充分。活塞环换新后，应按照规定要求，使活塞环达到磨合时间，不应该过早的进行高负荷运行。在磨合期间，需要按要求逐步加大负荷，适当增加注油量，以免供油不足致使活塞环断裂。环槽清洁不彻底。根据向接班前大管轮询问得知，在上次进行吊缸更换活塞环时，由于时间仓促并未对环槽内积炭进行彻底清洁，未使用砂纸进行打磨。环槽内积炭，活塞环上部受到周期性高温高压燃气压力，极易因产生弯曲疲劳而折断。4.2.3事故教训加强船舶人员安全意识，提高船员的分析、判断能力，严格执行安全操作规章制度，不可赶时间，交急差。加强轮机长（部门长)对船舶现场监督力度，提高船舶的可靠性。提高各主管轮机员对主管设备的责任心4.320220309活塞环故障案例分析4.3.1事故经过2022年3月9日在SUDESTE港（巴西）锚地等候进港期间运转打开扫气箱进行清洁和检查，并计划在检查结束后对主机第4缸（8821h）进行正常吊缸检修。在清洁扫气箱时，在主机第4缸扫气箱内发现多块活塞环断块（长度均小于20mmm），经判断为主机第4缸第一道活塞环断裂。随后按照吊缸计划进行主机第4缸正常吊缸检修。活塞吊出后，用专用工具将活塞环取出发现：第一道活塞环断裂，在环槽内断为两截，端口断裂缺失，与扫气箱内发现的断块吻合，活塞环表面检查发现第一道活塞环表面出现被硬质颗粒划伤后形成的划痕，棱边有毛刺，活塞环内圆有黑色硬化层，POP（PortsonPlane)槽内填满黑色硬化层，活塞环槽内有较多积炭和油泥；其他三道活塞环均出现不同程度的积炭和磨损现象，活塞环内圆有少量黑色硬化物，CL(ControlledLeakage)槽内有黑色硬化层，活塞环槽内有积炭和油泥。经测量第二、三、四道活塞环均属于正常磨损。在对活塞环槽进行仔细清洁后，更换全部活塞环。经检查缸套正常，更换新的排气阀后装复。4.3.2事故原因“中腾海”轮主机4缸活塞环断裂并伴随有多块断块，这些断块和环内断裂的活塞环极易造成气缸的磨损，甚至可能吹入排气管或者进去增压器涡轮端，造成更为严重的后果。查阅轮机日志、维修记录、检测报告以及轮机长、大管轮工作经历和现场分析，得出一下原因：更换活塞环超期：由于从上一港张家港靠港前，公司航运部门指示下一航次任务目的地为黑德兰港（澳大利亚），大管轮经过计算，前往黑德兰港后进行主机第4缸正常吊缸检修符合8000小时内的要求，便未在张家港对主机第4港进行吊缸及活塞环换新，且在打开扫气箱清洁并检查时，主机第4缸扫气箱内无异常，活塞环无异常。在船舶行驶至台湾海峡时，公司航运部门指示前往新加坡加油并将航次任务目的地港改为SUDESTE港（巴西），期间实际航行54天，主机第4缸吊缸检修及活塞环换新超期近1000小时，致使第一道活塞环过度磨损后强度不足而断裂。主机长期高转速运转。在从张家港到SUDESTE港（巴西）航次中，由于船舶空载（仅6舱压载海水），为达到更高的经济性，主机长期保持高转速运转长达近50天，活塞环长期高负荷运作，磨损增加极易造成断裂。更换的燃油品质变动。“中腾海”轮在新加坡加装燃油2100吨，经过一周的化验燃油合格并投入使用。然而在实际中使用中发现本次加装的燃油粘度较大，品质较差。燃油中的灰分过高，极有可能造成燃烧室内温度过高，活塞环和缸套的磨损增加。4.3.3事故教训（1）船舶设备的检修，各主管应及时按照检修计划表进行检修。对于即将超期的主管设备更应该加强重视，宁可提前检修也不要超期。（2）在更换燃油后，要在净化燃油时采取措施，适当调整燃油的加油温度，以减小不同性能指标的燃油所带来的影响。5活塞环的日常检查和维护5.1活塞环的检查方法对于活塞环的检测，最常用的检查方式为扫气口检查。扫气口检查是最简单也是最直接的检查方式，通过打开扫气箱道门进行活塞环的检查工作，能够直接看到气缸、活塞环、填料函的工作情况[[]赵在理.柴油机扫气口检查的方法与内容[J].水运