平舒電廠燃氣發(fā)動機缸套穴蝕原因及解決措施

蔡子龍

（晉中市陽煤揚德煤層氣發(fā)電有限公司 山西 晉中 045400）

穴蝕又叫空蝕、氣蝕、空化和空泡腐蝕。穴蝕也是一種局部腐蝕，特征是氣缸套表面聚集著小孔群，呈蜂窩狀或分散狀的孔穴，孔穴直徑一般在1 mm以上，孔洞表面無腐蝕物沉積。穴蝕一旦形成，發(fā)展迅速，孔洞會在較短時間內(nèi)擴大、變深，甚至穿透缸壁，導致缸套報廢，顯著降低了燃氣發(fā)動機的使用壽命和工作穩(wěn)定性，同時提高維修費用，增加了運營成本。

1 G12V190ZLDT1-2型燃氣發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)

發(fā)動機是一種將其他形式能量（如燃料內(nèi)能）轉(zhuǎn)化成機械能量的動力裝置，主要為生產(chǎn)或者生活提供動力。隨著科學技術(shù)的進展，發(fā)動機的類型也在不斷改進，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)變化，但是發(fā)動機應(yīng)該具備的基本元素不會發(fā)生變化，包括曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)和點火系統(tǒng)。其中氣缸故障主要發(fā)生在曲柄連桿機構(gòu)和配氣機構(gòu)。曲柄連桿機構(gòu)包括機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組三部分，構(gòu)成了發(fā)動機的主要運動機構(gòu)。配氣機構(gòu)完成發(fā)動機的配氣過程，保證發(fā)動機正常運行。G12V190ZLDT1-2型燃氣發(fā)動機功率為500 kW機組，12缸V型排列，缸徑190 mm，為渦輪增壓型發(fā)動機。

2 發(fā)動機缸套發(fā)生穴蝕的原因

迄今，氣缸套發(fā)生穴蝕的根本原因還不完全清楚，但是研究者一致認為與氣缸套高頻振動和冷卻水攜帶電解質(zhì)有關(guān)。氣缸套穴蝕是以惡搞復雜的過程，包括物理過程和化學過程，氣缸套在活塞往復運動沖下高頻振動引起空泡潰滅是產(chǎn)生穴蝕的根源，冷卻水攜帶的電解質(zhì)引起電化學腐蝕起到促進作用。

2.1 缸套高頻振動引起空泡潰滅

（1）氣泡的產(chǎn)生：穴蝕是由于氣泡破裂產(chǎn)生局部沖擊高壓而形成的，那么氣泡如何產(chǎn)生就成為了穴蝕的關(guān)鍵所在。①液體中含有一定量的空氣，空氣可溶解在液體中，或者以氣泡的形式混合在液體中。②液體汽化形成氣泡，液體發(fā)生汽化時會產(chǎn)生大量蒸氣氣泡。③化學反應(yīng)生成氣泡，冷卻水中的例子與金屬表面物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)放出氣體，生成氣泡。

（2）空泡潰滅：高頻振動和變形使缸套外壁冷卻水高速波動，不斷交替地受到拉伸和擠壓，拉伸使得缸壁附近的水出現(xiàn)局部真空，易于產(chǎn)生氣泡；擠壓使壓力升高并達到一定值時，黏附于缸壁外圍的空泡瞬間潰滅。這種潰滅在極短的時間內(nèi)完成，由于氣泡潰滅是在缸套表面附近，液體質(zhì)點猶如無數(shù)的小彈頭連續(xù)地擊打在缸套外壁面，使缸套表面逐漸因疲勞而造成破壞，導致穴蝕。

（3）產(chǎn)生高頻振動的原因：①燃料燃燒爆發(fā)會產(chǎn)生壓力，使缸套承受一定的側(cè)推力，缸套與活塞之間存在間隙，側(cè)推力使缸套產(chǎn)生振動。②缸套與活塞間隙不合理，活塞往復運動使會缸套造成沖擊。③缸套壁薄弱導致振動劇烈。

2.2 缸套電化學腐蝕

冷卻水為弱電解質(zhì)溶液，與缸套外壁上的金屬或雜質(zhì)形成無數(shù)微小原電池，導致缸套發(fā)生電化學穴蝕。另外冷卻水流緩慢，溫度較高時可加速電化學穴蝕。缸套多使用鑄鐵制造，發(fā)動機在工作時缸套外面受拉應(yīng)力，金屬容易逸出溶于水。

3 G12V190ZLDT1-2型燃氣發(fā)動機缸套穴蝕現(xiàn)象分析

3.1 穴蝕現(xiàn)象

G12V190ZLDT1-2型燃氣發(fā)動機自2014年1月12日成功并網(wǎng)發(fā)電至今共計運行時間25 000 h，經(jīng)歷2次中修，運行至6 000 h至9 000 h時出現(xiàn)呼吸器冒白霧現(xiàn)象，決定對其缸套進行拆檢，拆檢缸套時發(fā)現(xiàn)缸套發(fā)生穴蝕，嚴重時出現(xiàn)缸套穿透的情況。如圖1所示。

圖1 產(chǎn)生穴蝕的缸套

3.2 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場情況，對比其他同類低濃度煤層氣發(fā)電廠設(shè)備進行分析研究，G12V190ZLDT1-2 型燃氣發(fā)動機運行至6 000 h至9 000 h時出現(xiàn)穴蝕情況，當時對2#機組進行改裝，將2#機組DN65 進出水管加透明觀察管，觀察時發(fā)現(xiàn)透明觀察管有大量氣泡冒出，檢查補償水箱時發(fā)現(xiàn)水箱內(nèi)液位翻滾明顯，對比同類K 電廠同類型機組，在發(fā)動機運行至6 000 h至9 000 h時未出現(xiàn)穴蝕情況，與K 電廠不同之處，我電廠G12V190ZLDT1-2型燃氣發(fā)動機的補償水箱與機組平行，機組運行時，補償水箱內(nèi)冷卻液翻滾嚴重，K 電廠G12V190ZLDT1-2型燃氣發(fā)動機的補償水箱在廠房頂部，高于機組，機組運行時，補償水箱內(nèi)冷卻液無翻滾現(xiàn)象，對比研究后，決定將補償水箱抬高，第一次將補償水箱提高500 mm 后，觀察透明觀察管，觀察發(fā)現(xiàn)氣泡減少，但仍有氣泡冒出，于是將補償水箱提高1 500 mm，，觀察透明觀察管，觀察發(fā)現(xiàn)有少量氣泡冒出，補償水箱液位基本無翻滾。此次改造后，在機組運行至18 000 h 時，未出現(xiàn)呼吸器冒白煙的情況，機組第2 次中修時，對缸套進行拆檢，發(fā)現(xiàn)仍然有少量缸套發(fā)生穴蝕，從此現(xiàn)象可以看出，加高補償水箱可以減少缸套穴蝕，但并不能完全消除缸套穴蝕的情況，冷卻水壓力高可以抑制空泡的形成。

3.3 研究結(jié)果

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，由于G12V190ZLDT1-2 型燃氣發(fā)動機缸套呈V型排布，活塞在氣缸套內(nèi)作往復運行時，活塞經(jīng)上、下止點時，活塞受力BA可分解為垂直向上的力CA 和水平方向的力BC，當活塞做功時，缸套就會受到水平方向的力BC，從而引起彈性形變，產(chǎn)生振動。曲軸轉(zhuǎn)動缸套受力位置從氣缸面一(B)側(cè)改變到另一(A)側(cè)，由于氣缸套傾側(cè)擺動撞擊氣缸套，引起氣缸壁振動和變形。由于機組曲軸是逆時針方向旋轉(zhuǎn)的，所以氣缸套受力也為逆時針，氣缸套的受力情況決定了缸套穴蝕的處所。因此出現(xiàn)7#～12#缸，缸套穴蝕發(fā)生在缸套外側(cè)（A點），1#～6#缸，缸套穴蝕發(fā)生在缸套內(nèi)側(cè)（B 點）。至此，氣缸套穴蝕的主要成因終于找到。如圖2所示。

圖2 發(fā)動機氣缸套受力圖及發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)

3.4 解決措施

①減少氣缸套振動：采用更為合適的活塞與氣缸套配合，活塞與氣缸套的配合間隙是活塞橫向擺動時沖擊缸套的主要原因，尤其是活塞在上下止點處的換向?qū)飧滋椎臎_擊很大，間隙越大，則氣缸套受活塞的沖擊就越大，氣缸套振動也就越大，穴蝕就愈加嚴重。G12V190ZLDT1-2 型燃氣發(fā)動機活塞裙部（活塞最大處）與氣缸套的配合間隙最小為0.230 mm,最大可達0.436 mm，選用較小內(nèi)徑的氣缸套和較大外徑的活塞，盡可能是其配合間隙縮小在0.260 mm以內(nèi)，可以有效的減少氣缸套振動，同樣，采用膨脹系數(shù)小的材質(zhì)做活塞也可以達到此目的。采用新廠新缸套密封膠圈做試驗。將第一道密封膠圈的厚度加厚0.2 mm，將第一道密封膠圈的寬帶略微加厚，保證密封膠圈全部充滿環(huán)槽，可以大大的減少氣缸套振動，拆檢過程中發(fā)現(xiàn)，好多缸套穴蝕均發(fā)生在密封膠圈接口處，此次改造，我相信將會解決這一問題。適當增加氣缸蓋螺栓的緊固力矩。②減少冷卻液腐蝕：在冷卻液中加入緩蝕劑，減少氣泡破裂后產(chǎn)生的能量也是防止氣缸套穴蝕的有效措施之一。③加快冷卻液流動：研究使用新型水泵，加快冷卻液的流動，從而抑制氣泡的產(chǎn)生，同時水泵的出力大小會影響夏季機組高低溫水的循環(huán)，水泵出力大會降低機組進出水的溫差，從而達到降低機組內(nèi)出水溫度的效果。④在機組高溫水泵進口處增加自動排氣球閥，將可能從外界帶入機組內(nèi)的氣體排除。⑤修補穴蝕部位，41#機組機體穴蝕后采用工業(yè)修補劑TS101AB膠對機體穴蝕部位進行修補，修補前先將機體穴蝕部位進行打磨除銹，然后用酒精將機體穴蝕部位進行清洗，最后將TS101 AB 膠按2：1 的比例進行混合，自然風干48 h后檢查機體修補部位的硬化情況，硬化良好，便可以進行回裝。22#機組運轉(zhuǎn)750 h進行月保養(yǎng)時對機體進行檢查，發(fā)現(xiàn)機體穴蝕修補部位完好，AB 膠無脫落情況。如圖3所示。

圖3 22#機組修補750 h后效果圖

4 小結(jié)

燃氣發(fā)動機的磨損不可避免，但大多數(shù)故障在運行中是有跡可循，結(jié)合檢修工作對機組進行故障排查，積極改善機組的運行條件，可以發(fā)動機壽命的延長。氣缸套是發(fā)動機的核心部件，本文針對G12V190ZLDT1-2型燃氣發(fā)動機氣缸套產(chǎn)生穴蝕的原因進行分析，采取相應(yīng)預(yù)防措施和解決方案，可延長氣缸套穴蝕使用壽命，增加發(fā)動機的穩(wěn)定性，更好的實現(xiàn)安全生產(chǎn)和產(chǎn)能的提高。