淺談低負荷工況下船用主機低溫腐蝕的預防

湯明

摘 要：文章分析了低負荷工況下，船舶二沖程主柴油機低溫腐蝕的形成原因，低溫腐蝕對柴油機的危害，并闡述了防止低溫腐蝕的管理措施。

關鍵詞：船舶主柴油機；低負荷；低溫腐蝕；預防措施

中圖分類號：U664.81 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0174-02

Abstract： This paper analyses the causes of low temperature corrosion in the marine two-stroke diesel engines under the low load condition and its hazards to the marine diesel engine as well. Finally， it also expounds some precautions to avoid the low-temperature corrosion.

Keyword： marine main diesel engine；low load；low-temperature corrosion；precaution

引言

國際航運市場持續處于低谷階段，為節約燃油費用船東和租船人要求船舶使用“最低安全經濟航速”。因而，大多數船舶主柴油機長期處于40%-60%的低負荷運轉，從而引起低溫腐蝕造成主機零部件損壞，增加船舶維修保養費用。

1 低溫腐蝕的成因

船舶柴油機低溫腐蝕必須具備三個要素：硫化物、水、低溫環境。由此形成的液態硫酸是低溫腐蝕的主要原因。

1.1 硫化物的來源

船舶主柴油機燃用高硫燃油，燃油燃燒后，生成二氧化碳、二氧化硫、水以及釩、鐵、鈉的氧化物等燃燒產物。高溫環境中釩、鐵、鈉的氧化物的催化作用，促使二氧化硫進而氧化成三氧化硫。

1.2 水的來源

氣缸中的水分有三個來源：（1）燃油中含有的水分；（2）燃油燃燒生成的水分；（3）掃氣中攜帶的水分。因此，燃油品質和掃氣空氣的處理質量決定了氣缸內水分的含量。

1.3 低溫環境的產生

柴油機低負荷工況下，按高負荷工況設計的冷卻水系統工作參數與氣缸實際工況不匹配，冷卻水量過剩，水溫低，造成氣缸壁溫度降低，同時，過量的低溫冷卻水造成掃氣溫度降低，促使氣缸溫度進一步下降。

柴油機高負荷工況下，三氧化硫與水蒸汽結合產生硫酸蒸汽，僅極少量的硫酸在缸壁上凝結，大部分硫酸蒸汽隨柴油機排氣排出氣缸。少量液態硫酸遇到高堿性氣缸油，氣缸油中的碳酸鈣與硫酸產生中和化學反應生成少量硫酸鈣和水。活塞環的往復運動能將少量硫酸鈣從氣缸壁刮下，形成粉末排出燃燒室。然而，柴油機低負荷工況時，缸壁溫度低于硫酸蒸汽的露點，硫酸以液態形式大量附著于氣缸壁。液態硫酸與氣缸油中的碳酸鈣發生反應，生成大量硫酸鈣，在活塞頭、環槽和缸壁上聚集，在燃氣高溫作用下，形成黑色殘留物粘在氣缸壁表面。掃氣口檢查時，可見到氣缸壁上有明顯的黑色殘留物（見圖1）。黑色殘留物不是柴油機腐蝕和拉缸的產物，用棉紗蘸上輕油用力擦拭，可以去除。然而，這種狀況是低溫腐蝕的前兆。黑漆狀殘留物說明氣缸中的硫酸已經大量形成。

2 低溫腐蝕的危害

2.1 氣缸壁磨損

附著在氣缸壁上的液態硫酸與氣缸表面的鐵及鐵合金產生化學反應生成氧化鐵，并在磨損中從氣缸壁上剝落，使氣缸壁布滿細小的空穴，這是氣缸套腐蝕磨損的典型表現。金屬剝落形成空穴，破壞了氣缸油油膜的形成和分布，使氣缸套磨損加劇。

2.2 活塞環磨損

低溫腐蝕生成的細小的氧化鐵及氧化亞鐵顆粒，從氣缸壁剝落，夾雜在氣缸套和活塞環之間形成磨粒。活塞運動時，加劇了氣缸套和活塞環的異常磨損。此外，大量硫酸存在，使得氣缸內硫酸鈣（積碳的主要成分）增加，在低負荷工況下，活塞頭及活塞環槽嚴重積碳，阻礙活塞環在環槽中的運動，造成活塞環粘著磨損（如圖2所示）。

3 低溫腐蝕的預防措施

為防止低溫腐蝕的發生，輪機人員必須采取措施，加強主機維護管理，確保主機正常運行。

3.1 氣缸油管理

柴油機在低負荷下運行，附著在氣缸壁上的液態硫酸增多。通過下列措施，可以去除硫酸：（1）適當提高氣缸油注油率。氣缸油注油率增加，可提高氣缸油中和硫酸的能力。然而，過多的氣缸油會導致掃氣口、活塞頭及活塞環槽嚴重積碳，掃氣口堵塞、活塞環粘著。因此，提高氣缸油注油率后，應加強柴油機掃氣口檢查，定期化驗掃氣箱殘油，根據檢查和化驗結果，合理調整氣缸油注油率，防止氣缸過度潤滑，積碳增加。（2）換用更高堿性的氣缸油。氣缸油堿性越高，去除硫酸的作用越強。然而氣缸油堿值過高，柴油機氣缸內出現大量灰白色或微黃色沉積物，造成缸套和活塞環磨損。因此，提高氣缸油堿值應充分考慮柴油機制造商和潤滑油廠家的推薦，并定期化驗掃氣箱殘油。根據化驗結果和廠家的推薦合理選擇氣缸油。

3.2 缸套冷卻水管理

低溫腐蝕是在氣缸壁溫度低于硫酸露點時產生的。下列措施有利于提高缸套內表面的溫度：（1）適當提高缸套冷卻水溫度。低負荷運行的柴油機燃燒室平均溫度低，導致缸套內表面溫度下降。提高柴油機缸套水進機溫度，缸套內表面溫度將上升，從而阻止低溫腐蝕。然而，現代大型船舶柴油機缸套冷卻水出口溫度達到90℃時，柴油機會自動保護降速（即slow down），實踐中應根據柴油機說明書推薦的冷卻水溫度范圍，將缸套冷卻水溫度控制在正常范圍上限附近，確保柴油機穩定運行。（2）適當減小缸套冷卻水流量。實驗表明，減小冷卻水流量，可提高柴油機低負荷工況下氣缸壁表面溫度。管理中可通過旁通調節法和節流調節法來實現。然而，過度調節冷卻水流量可能會引起冷卻水系統低壓報警。冷卻水壓力不足亦可引起缸套外表面穴蝕。對于定流量冷卻系統來說，變量調節只能作為輔助控制方法。

3.3 控制燃氣中的水分

氣缸中的水分來自燃油、掃氣及燃燒產物。因此，管理中必須注意以下問題：（1）加強燃油管理。首先，在燃油加裝時，要注意檢查燃油的水含量，使之符合ISO的標準。其次，燃油使用過程中，加強燃油分油機的管理，做好燃油凈化處理，降低燃油進機前的含水量。（2）加強主機空冷器管理。空冷器冷卻效果越好，掃氣溫度越低，可促進掃氣空氣中水分分離，使掃氣含水量降低。然而，掃氣溫度越低，對缸套的冷卻作用就越強，缸套內表面的溫度就越低。因此，適當提高掃氣溫度，對預防低溫腐蝕有利。通常，根據柴油機說明書推薦的掃氣溫度范圍，適當調節空冷器冷卻水量及冷卻水的溫度，在保證柴油機排氣溫度的前提下，盡量提高掃氣溫度。

4 結束語

船舶主柴油機在低負荷工況下運轉，引起低溫腐蝕。造成主機危害，輪機人員必須加強船舶主機及附屬設施和油料管理工作，嚴格控制主機運行參數，避免低溫腐蝕要素形成。

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