摘要：缸套穴蝕是船舶柴油機汽缸套常見的一種損傷形式，這對船舶柴油機工作的可靠性和使用壽命有很大影響。缸套穴蝕主要形式是局部的蜂窩狀的孔穴和麻點，而缸套穴蝕的成因機制主要有電化學腐蝕、空泡腐蝕等。隨著柴油機轉速、有效壓力、比功率的提高，相應的比重量逐漸降低，其結構日益緊湊和零部件壁厚減薄，船舶柴油機缸套穴蝕破壞日益引起人們的關注。文章論述了柴油機主要部件、冷卻水系統(tǒng)、柴油機工況等因素對穴蝕的影響，最后指出預防穴蝕的基本措施和檢修方法。

關鍵詞：船舶柴油機 缸套穴蝕 機理 預防 檢修

1 概述

穴蝕是水力機械或機件與液體相對高速運動時在機件表面產(chǎn)生的一種破壞。穴蝕又稱空泡腐蝕或者氣蝕。隨著柴油機轉速、有效壓力、比功率的提高，相應的比重量逐漸降低，其結構日益緊湊和零部件壁厚減薄，船舶柴油機缸套穴蝕破壞日益引起人們的關注，不少缸套的更換的原因并不是磨損所導致而是穴蝕破壞造成的，缸套的穴蝕破壞已經(jīng)成為船舶柴油機的嚴重問題，必須采取有效的預防措施，以延長缸套的使用壽命。

2 缸套穴蝕的特征分析

2.1 故障發(fā)現(xiàn)

在進行吊缸的過程中，發(fā)現(xiàn)氣缸套外困椎面左右側聚集著蜂窩狀光亮小孔群，說明缸套發(fā)生了穴蝕。

2.2 缸套穴蝕的主要形式

局部聚集的蜂窩狀的孔穴和麻點。

2.3 缸套穴蝕的部位

穴蝕是一種從零件的表面開始的局部腐蝕。通過相關資料和對所在船舶缸套的實際觀察，發(fā)現(xiàn)濕式氣缸套外圓表面的穴蝕，一般集中在如下的幾個區(qū)域：

a．柴油機左右側方向，特別是在承受側推力最大一側的偏上方，并沿圓柱方向成帶狀分布；

b．缸套主承推側下支撐的密封圈附近缸壁，穴孔在密封槽上沿相互連接，呈蠕蟲條溝狀凹坑；

c．冷卻水進口、水流轉向處和水腔狹窄處對應的缸壁上。

2.4 缸套穴蝕的特點

從外觀上看，腐蝕處呈現(xiàn)的是一種局部的蜂窩狀或者分散狀凹坑的強烈侵蝕現(xiàn)象。與電化學腐蝕的樣子不同，表面沒有電化學腐蝕那種典型的橙褐色的腐蝕生成物，比較干凈清潔，往往呈現(xiàn)類似高溫氧化的紅褐色。穴蝕的情況通常是嚴重的。根據(jù)資料顯示，一般電化學腐蝕的腐蝕速度為0.05-0.10mm/kh，而穴蝕的速度要快得多，可達1.5-5.0mm/kh，幾乎快30~50倍。

穴蝕發(fā)生主要集中在高速柴油機上，隨著功率和強化度的增加，在中速機上也常有發(fā)生。下面所給出的資料（表1）為3種國產(chǎn)高速柴油機缸套的穴蝕情況。

表1 3種國產(chǎn)高速柴油機缸套的穴蝕情況

3 缸套穴蝕的機理分析

缸套外表面冷卻壁上通?？赡墚a(chǎn)生空泡腐蝕、電化學腐蝕等，但是主要還是以空泡腐蝕為主。其現(xiàn)象往往是各種腐蝕綜合產(chǎn)生的結果。

3.1 缸套穴蝕的外因—高頻振動

氣缸套的穴蝕易發(fā)生在筒狀活塞式柴油機的冷卻壁面上，以及支承密封配合凸肩處和進水及水流急轉處的壁面上。

引起缸套穴蝕的主要原因是由于活塞在作往復運動的同時，還要受到側推力的作用，活塞在側推力作用下不斷沖擊缸壁的左右側，使汽缸產(chǎn)生高頻振動。活塞與缸套在橫向的貼合面的不斷變化，造成活塞撞擊缸壁并引起缸壁的振動。在活塞到達上止點并繼續(xù)形成膨脹的同時，側推力的方向也隨即變化，并以極高的速度和能量撞擊缸壁，引起橫向振動。在活塞的撞擊下，缸壁先向外彎曲后又朝里回振。氣缸套在向外彎曲時，對周圍的冷卻水產(chǎn)生一個壓力波；當氣缸套朝里回振時，缸套外壁附近冷卻水的壓力急劇降低，壓力的降低會引起冷卻水中的氣體析出形成氣泡，若壓力降低到該冷卻水溫度所對應的飽和蒸汽壓時，也會引起冷卻水汽化沸騰產(chǎn)生大量氣泡附著在缸套表面。當氣缸套壁再次向外彎曲時，新形成的壓力波將擊破小汽泡，并使部分汽泡又冷凝為水，當汽泡受到高壓沖擊而爆破時，就在破裂區(qū)附近產(chǎn)生高壓波，從而產(chǎn)生局部的液壓沖擊，使局部壓力和溫度急劇升高。理論和實踐證明，在微小氣泡的中心區(qū)壓力可高達幾十兆帕，由于產(chǎn)生絕熱壓縮，其溫度可高達幾百度。這種高壓波以極短的時間作用于很小的范圍內，就對缸壁產(chǎn)生強烈的破壞能力。這樣持續(xù)反復作用，促使材料疲勞，材料顆粒從缸套表面剝落下來，使缸套表面變得粗糙，接著出現(xiàn)蜂窩狀的小孔群，即為穴蝕。

3.2 缸套穴蝕的主要內因—缸套材質

缸套一般由鐵和石墨組成的鑄鋼制成，石墨的機械性能很差，在鑄鋼中布滿了裂縫和空洞。在拉伸載荷的作用下，石墨夾雜的兩端容易產(chǎn)生應力集中，致使裂縫擴大。當沖擊力很大的時候，缸套表面微小局部金屬發(fā)生塑性變形，不斷地作用使金屬疲勞而剝落。此外，與液體問摩擦和空泡破裂時，使缸套表面局部產(chǎn)生幾乎使金屬達到融化狀態(tài)的高溫，又在高壓作用下，更易造成金屬破壞，剝落后形成針孔。

3.3 電化學腐蝕

金屬被電化學腐蝕的條件：一是處于電解質溶液中；二是各部分存在著電位差。柴油機缸套外表面與冷卻水直接接觸，海水是當然的電解溶液，而淡水中也難免含有一些雜物、氧氣、氫氣及滲漏入水腔中的燃氣等。因此，缸套正處于電化學腐蝕的條件下，受到電解液的強烈的腐蝕作用。

3.4 其它腐蝕

導致缸套穴蝕破壞的第四個因素就是其它腐蝕，包括化學腐蝕、熱化學腐蝕（氧擴散）和沖刷腐蝕。冷卻水中不可避免的含有硫化氫、氧氣、二氧化硫、二氧化碳等氣體，這些物質都會和缸套金屬發(fā)生化學反應，使金屬發(fā)生化學腐蝕。

4 影響缸套穴蝕的其它因素

4.1 活塞結構的影響

首先活塞的長度對缸套的振動有較大的影響。活塞越長，那么它在缸套中的傾斜量就越小，與缸套的接觸面積越大，并且較長的活塞可以對缸套的振動起到衰減的作用。所以，增大活塞長度能減輕缸套的變形，降低缸套的振動頻率。但在增大長度的同時，活塞本身的重量和慣性力也隨之增大。顯然，活塞的長度要適當。

4.2 缸套結構的影響

從減輕穴蝕腐蝕角度出發(fā)，減小缸套在工作時的振動，一個有效的方法是增加缸套的厚度。缸套厚度的增加預示著自振頻率的增加，但是由于缸套剛度增大的效益更大，其結果是振動強度隨缸套壁厚的增大而明顯下降。缸套壁厚增大，則缸套不易發(fā)生穴蝕。但是隨之產(chǎn)生的負面影響也很大，比如由此帶來的笨重、散熱差、機械性能下降等。

4.3 活塞與缸套配合間隙的影響

活塞與缸套間存在的間隙使活塞在橫擺的時候對缸套產(chǎn)生沖擊，這種沖擊的大小是由活塞橫擺產(chǎn)生的速度和自身質量決定的。也就是說，速度越大、自身重量越大，那么，活塞對缸壁的沖擊就越大。所以，間隙越大，缸套受活塞的沖擊就越大，振動也就越大，越容易發(fā)生穴蝕?？s小活塞與缸套的間隙是降低缸套振動的有效途徑。

4.4 冷卻水系統(tǒng)對穴蝕的影響

柴油機冷卻水系統(tǒng)影響缸套穴蝕的因素包括：冷卻水溫度、冷卻方式、冷卻水腔結構和布置以及冷卻水的水質等，但影響的程度并不相同。

4.5 冷卻方式的影響

柴油機的冷卻方式分為開式冷卻系統(tǒng)和閉式冷卻系統(tǒng)兩種。開式冷卻系統(tǒng)直接用海水作為冷卻介質，為避免海水中的鹽類物質受熱沉淀后結垢，冷卻水溫度一般控制在50~55℃范圍內。而且含有大量鹽的海水又是強電解液，勢必加劇缸套的電化學腐蝕。因此，采用開式冷卻水方式，缸套穴蝕最易發(fā)生。在閉式冷卻水系統(tǒng)中，能夠提高并保持較高的冷卻水溫度和壓力。一般控制溫度在80~90℃，壓力在（1~1.2）×105Pa左右。使用閉式冷卻可以使用經(jīng)過軟化、凈化后的冷卻水，可以較長時間不換水，還可以加入防止穴蝕腐蝕的添加劑。因此，采用閉式冷卻方式，可以有效地減少缸套穴蝕的發(fā)生和發(fā)展。

4.6 冷卻水腔容量和布置的影響

冷卻水腔夾層太窄的話，易產(chǎn)生空泡，如果溫度較高，并且空泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波反復傳遞，這些都將加速缸套的穴蝕。所以冷卻水腔設計不良而造成的冷卻水腔狹窄，會產(chǎn)生局部渦流區(qū)或死水區(qū)，效果不良，易局部高溫，從而發(fā)生穴蝕。

4.7 柴油機負荷的影響

柴油機負荷的變化，將會引起缸內氣體壓力、側推力、溫度、活塞間隙等諸多因素的變化，而這些因素將從不同的方面影響缸套的振動。所以說柴油機的負荷對缸套的穴蝕程度的影響是復雜的。測試時，讓柴油機在額定轉速下滿負荷工作，結果發(fā)生的穴蝕是正常。當?shù)拓摵桑?/SPAN>30%負荷以下）運轉時，缸套的振動隨負荷增大而減?。怀摵蛇\轉時，缸套的振動又隨著負荷增大而增大。

4.8 柴油機轉速的影響

運動部件的慣性力隨柴油機轉速的升高而增大。增加轉速也就是增加活塞撞擊缸套的頻率。因此，會使穴蝕加劇。

5 預防缸套穴蝕的措施

5.1 缸套外圓表面覆蓋保護層或強化層

采用鍍銘、滲碳、噴陶瓷、涂環(huán)氧樹脂等工藝，使缸套外圓表面與冷卻水隔離，或者使外圓表面得到強化，可以有效地防止缸套的穴蝕。

5.2 適當增加缸套壁厚

根據(jù)前面所闡述的缸套壁厚對穴蝕的影響，我們可以根據(jù)具體的情況增加缸套的局部厚度，從而提高缸套自身的剛度，改變其固有頻率，避免發(fā)生共振現(xiàn)象。在減少振動的同時，也可以保證冷卻水道的狹窄程度，使冷卻均勻，盡量減少氣泡的產(chǎn)生。

5.3 在冷卻水腔內安裝鋅塊

在冷卻水腔中安裝鋅塊的目的是為了實施陰極保護，防止電化學腐蝕。這種方法可操作性強，經(jīng)濟方便，堅持定期更換能取得良好的效果。

5.4 在冷卻水中添加適當?shù)?/SPAN>NL乳化防銹油

在缸套的外表上涂乳化防銹油能形成一層很薄的保護膜，不但可以防止電化學腐蝕，而且可以減弱空泡破裂時的沖擊波對缸套表面的沖擊作用，從而減輕穴蝕。通常我們添加的量采用淡水質量的0.75%。

5.5 正確調整噴油定時

在日常的輪機管理中，正確調整噴油定時是十分必要的。目的是防止最高爆發(fā)壓力過高而產(chǎn)生振動加劇。

5.6 膨脹水柜加蓋

防止空氣的進入也就是防止氣泡的產(chǎn)生，對防止空泡腐蝕有好處。

5.7 提高裝配質量

盡量保證缸套不在缸內歪斜，活塞不在氣缸中偏缸，以保證活塞缸套的配合間隙，減小活塞對缸套的沖擊，減小缸套的振動從而防止缸套的穴蝕。

6 檢修處理

針對已經(jīng)發(fā)生的穴蝕情況，具體采用如下的幾種方法：

6.1 當缸套穴蝕深度未超過說明書所示極限時，通常可把承受側推力的方向轉90°安裝繼續(xù)使用，以改變穴孔所在的位置。

6.2 注意是否按活塞與缸套規(guī)定的配合間隙下限裝配，盡可能減少活塞與缸套的配合間隙，保持缸套的支撐剛度。

6.3 定期徹底清理缸體與缸套的冷卻水通道。

6.4 提高檢修質量，保證垂直于連桿擺動平面的曲柄與活塞銷軸線的平行線。

6.5 對于已經(jīng)破損或修補缸套的空泡腐蝕破壞，可在缸套外表面涂敷熱塑性或熱固性塑料及陶瓷等。

7 結束語

總之，在具體操作的過程中要依據(jù)具體機型、結構以及產(chǎn)生的原因，對穴蝕進行必要的檢修，方能收到良好的效果。

參考文獻

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[5] 陳建．柴油機缸套穴蝕產(chǎn)生的機理．上海：上海師范大學學報，2000

作者：劉文貴  來源：天津航海