船舶主機缸套裂紋分析

摘要：通過分析燃油質(zhì)量、油頭本身等技術(shù)原因和汽缸油調(diào)整不當(dāng)、掃氣箱臟污等管理原因，指出產(chǎn)生裂紋的主要因素是局部熱疲勞，并對局部熱疲勞產(chǎn)生的機理進(jìn)行分析，指出管理人員管理維護(hù)、操作不當(dāng)也是產(chǎn)生故障的重要原因。

關(guān)鍵詞：主機缸套；裂紋；管理要點

1 故障現(xiàn)象

某輪主機型號為BW6S70MC，韓國船用柴油機廠制造。在船舶航行途中，某天主機NO3缸排煙溫度升高，冷卻水出口溫度升高，值班輪機員立即降低了主機轉(zhuǎn)速，同時加大了缸套冷卻器海水的流量，但是冷卻水出口溫度還是不變。當(dāng)主機轉(zhuǎn)速降至50r/min，排氣溫度繼續(xù)上升，冷卻水出口溫度達(dá)76℃，煙囪有水霧噴出，值班輪機員立即通知輪機長，大管輪，同時通知駕駛臺停車。輪機長等下機艙檢查到NO3缸后部時，發(fā)現(xiàn)一道約10cm寬，自上而下的裂紋，經(jīng)請示公司，立即更換了缸套，主機恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)。

2故障原因分析

韓國現(xiàn)代船廠2007年造18萬噸級散裝船，主機型號為HYUNDAI-MAN BW 6S70MC，在任職期間內(nèi)，該輪NO5、NO3兩個氣缸出現(xiàn)過主機缸套裂紋現(xiàn)象，且裂紋形狀與位置基本相似。

2.1機械負(fù)荷

機械負(fù)荷主要來自缸蓋安裝的預(yù)緊力與缸內(nèi)高壓的氣體流動產(chǎn)生的機械應(yīng)力，缸蓋上的鎖緊螺母按照說明書的要求，用液壓工具上緊，一般不會出現(xiàn)問題。再就是高壓氣體產(chǎn)生的機械應(yīng)力，機械應(yīng)力是高頻應(yīng)力，與缸內(nèi)的爆發(fā)壓力成正比；機械應(yīng)力在剛套內(nèi)會產(chǎn)生徑向的壓應(yīng)力與切向的拉應(yīng)力，主機超負(fù)荷運行，爆發(fā)壓力產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力就會超出缸套材質(zhì)的屈服極限（材料一般抗壓不抗拉），進(jìn)而導(dǎo)致缸套裂紋[1]。

根據(jù)上述分析，氣體力引起的機械應(yīng)力與最高爆發(fā)壓力成正比，本船NO3缸發(fā)生裂紋，機械負(fù)荷過大就是原因之一。由于船舶污底嚴(yán)重，主機轉(zhuǎn)速一直控制在84RPM，同時加開鼓風(fēng)機，排氣溫度達(dá)到400℃，致使主機超負(fù)荷，爆發(fā)壓力過高，這是造成此次缸套裂紋的主要原因。

2.2熱負(fù)荷

柴油機在正常的運轉(zhuǎn)中，噴油量是固定不變的，熱負(fù)荷基本是恒定的，但是由于冷卻水量不足或者冷卻水溫度高等，會使缸套的內(nèi)表面溫度升高，降低材料的機械強度，產(chǎn)生裂紋。

NO3缸發(fā)生裂紋的另外一個原因就是熱負(fù)荷過大，經(jīng)過查詢記錄，吊缸檢查，發(fā)現(xiàn)NO3缸已經(jīng)使用4000多小時，第一道令已經(jīng)磨去6mm，第二道令磨去4mm，而且彈性已經(jīng)變差，致使缸套與活塞環(huán)密封變差，導(dǎo)致燃油泄漏，排溫過高，熱負(fù)荷過大，熱應(yīng)力增加，產(chǎn)生缸套裂紋。

2.3熱應(yīng)力

柴油機工作時缸套內(nèi)表面受到燃燒氣體的加熱，而缸套的外表面受到水的冷卻，這樣缸套的內(nèi)外表面就形成了溫度差，這個溫差形成缸套內(nèi)外表面的徑向熱應(yīng)力，熱應(yīng)力與溫度差成正比。柴油機頻繁啟動、停止，缸套內(nèi)外表面溫差惠發(fā)生變化，這與啟停次數(shù)、負(fù)荷加減有關(guān)。本船此次缸裂與柴油機加速太快，引起缸套內(nèi)外表面溫差過大，產(chǎn)生過大熱應(yīng)力[2]。

2.4缸套質(zhì)量

本船原配缸套是瓦錫蘭的，但是修過之后現(xiàn)在不是原廠的，對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的缸套與瓦錫蘭的相比冷卻鉆孔內(nèi)絕緣管（為了削弱冷卻效果，減小熱應(yīng)力）的長度短約短100mm，而且此部分位于缸套的頂部，這樣一來缸套頂部的熱應(yīng)力就變大了[3]。同時非原廠的缸套質(zhì)量與原廠的相比，在鑄造質(zhì)量、材質(zhì)方面還有一定的差距，也容易產(chǎn)生裂紋。

3.預(yù)防對策

3.1嚴(yán)格控制水溫的變化、定期化驗水質(zhì)

正確控制缸套冷卻水溫度，是預(yù)防缸套產(chǎn)生裂紋的有效途徑。冷卻水溫度變化幅度過大以及水溫太低，都會增加缸套的熱應(yīng)力，水溫過低也會加劇低溫腐蝕，所以，不論是停泊、變速、定速航行，都要對水溫進(jìn)行合理的控制和調(diào)節(jié)，一般情況下水溫變化控制在3—5℃范圍，冷卻水進(jìn)出口溫差一般不大于18℃。

同時要對水質(zhì)定期進(jìn)行化驗，嚴(yán)格控制冷卻水的各項指標(biāo)，如果冷卻水處理不當(dāng)，會導(dǎo)致局部結(jié)垢、腐蝕，也會造成局部過熱。

3.2 冷車暖缸要緩慢、正確操縱主機防止超負(fù)荷

可以采用分段提高冷卻水溫度的方法，對處在冷車狀態(tài)的主機進(jìn)行暖缸。暖缸的速率要控制在冷卻水排量的10%以內(nèi)。在時間來得及情況下，暖缸時間盡量延長，使暖缸溫度接近正常值，最好使暖缸溫度達(dá)到50℃以上再啟動主機，因為50℃水溫才可以抑制高溫腐蝕，這樣可以減小缸套表面的腐蝕磨損與熱應(yīng)力。

正確控制主機，避免主機機械負(fù)荷和熱負(fù)荷過大，是防止缸套裂紋的重要措施。判斷當(dāng)船舶在大風(fēng)浪、狹窄水道、頂風(fēng)頂流等外界負(fù)荷變化較大時，輪機人員要根據(jù)當(dāng)時情況及時調(diào)整主機油門，避免主機超負(fù)荷。主機是否超負(fù)荷，一般用示功圖計算功率。

3.3保證燃油霧化質(zhì)量、定期清掃掃氣道

保證燃油霧化質(zhì)量，是減少缸套裂紋的重要途徑。根據(jù)燃油進(jìn)機溫度，將燃油霧化時的粘度控制在說明書范圍內(nèi)，霧化質(zhì)量好，不僅可以降低缸套裂紋，還可以降低燃油的消耗。保證良好的燃燒質(zhì)量，保證掃氣道和掃氣口的暢通是減少磨料磨損的有效措施。

3.4保證足夠掃氣壓力，合理控制掃氣溫度

掃氣空氣質(zhì)量不足是缸套熱應(yīng)力增大的一個原因，主機運行中，缸套處在一個溫度多變的環(huán)境下，所以在主機運轉(zhuǎn)過程中，要正確控制掃氣溫度，防止缸套上下部分和內(nèi)外部分產(chǎn)生過大的溫差，掃氣溫度一般高于環(huán)境溫度3℃，控制在40℃以上最好。同時定期清洗廢氣渦輪、壓氣機、空氣濾器，掃氣箱定期放殘。

4 結(jié)束語

船上遇到缸套裂紋后，要冷靜分析原因，總之，不管是哪種情形下的裂紋，都要先觀察，然后根據(jù)現(xiàn)場情況冷靜判斷處理，將損失減少到最少。在保證海上安全的情況下，停車檢查處理，更換缸套是首選方案，平時做好缸套保養(yǎng)工作，避免裂紋產(chǎn)生，延長主機壽命，確保航行安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]李玉根.BW長沖程柴油主機缸套裂紋與預(yù)防[J].航海技術(shù).2011（3）：47-49

[2]滿一新.船機維修技術(shù)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2006：34-37，142.

[3]黃少竹.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2006：66-67.

[4]楊極，楊貴恒，張壽珍.內(nèi)燃機氣缸套異常磨損機理及其預(yù)防對策研究[J].內(nèi)燃機，2007（2）：15-18.

作者簡介：

張東方（1981--），男，工學(xué)碩士，講師，研究方向：輪機工程、船舶與海洋工程。

繆盛澤（1996-），男，南京林業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，大三學(xué)生，研究方向：機械設(shè)計與制造。