往復式發動機氣蝕問題淺析

吳振宙 林煥明 梁旻 趙凱峰 譚洪偉 廖志文 全光上

摘要：對于往復式發動機而言，氣蝕是一個較常見的現象，氣蝕通常發生在發動機的冷卻系統及潤滑系統的相關組件表面。氣蝕會對我們的設備產生不同程度的負面影響，氣蝕無法完全避免。我們需要做的是接受它的存在并且熟悉它，了解他的產生機制以及預防措施，從而使得我們的設備在運營周期內盡量減少因氣蝕而造成的損失。本文將結合瓦克夏 275GL+發動機的實際案例，對氣蝕的定義、產生原因、表現特征、氣蝕的危害、氣蝕的預防以及一些現場的整改方案等進行分析與梳理。

關鍵詞：往復式發動機;氣蝕;流體;振動;壓力;金屬疲勞

引言：

中石油某壓氣站投產八年有余，壓縮機組累計運行已超過30000小時。在壓縮機機組運營過程中，動力端設備瓦克夏275GL+發動機出現過多次因發動機內部零件失效損壞而引起的故障。雖然發動機顯示出了不同故障現象：如排煙管冒白煙、氣缸缸溫低不點火、膨脹水箱水位上漲等等，但經過檢查最終發現這些故障現象背后都存在著相同的根源：氣蝕（Cavitation）。

1、氣蝕的定義

氣蝕（Cavitation）又稱空蝕，是固體表面與液體在持續性的相對運動過程中，因金屬材料疲勞所產生的表面損傷，液體在高速流動和壓力變化條件下，與液體接觸的金屬表面上發生穴狀腐蝕破壞的現象。

當液體在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸汽壓力時，將在固體表面附近形成氣泡。另外，溶解在液體中的氣體也可能析出而形成氣泡。隨后，當氣泡流動到液體壓力超過氣泡壓力的地方時，氣泡便潰滅，氣泡潰滅瞬間會對金屬表面產生巨大沖擊力（如右圖所示），實驗表明這種沖擊力可高達60000-200000 psi。固體表面長期經受這種沖擊力的反復作用，材料發生疲勞、脫落、表面出現小凹坑，進而發展成海綿狀，嚴重時其實可在表面形成大片的凹坑。

氣蝕在機械行業是一種非常常見的物理現象，通常發生在冷卻系統、潤滑系統、液壓系統中，如水泵零件、水輪機葉片和船舶螺旋槳等表面。

2、氣蝕的特征及危害

2.1氣蝕的特征

汽蝕初期，表現為金屬表面出現麻點，繼而表面呈現海綿狀、溝槽狀、蜂窩狀、魚鱗狀等痕跡;嚴重時可造成金屬表面穿孔、甚至葉輪破裂，釀成嚴重事故。許多研究結果表明氣蝕表面產生嚴重的塑性變形，氣泡爆破時流體的微射流沖擊使材料表面產生氣蝕針孔，隨后在針孔壁處萌生裂紋，裂紋以疲勞方式向內部擴展，最后趨于平行表面方向擴展，當幾個裂紋相連按時造成表層小塊剝落，上述過程反復進行，使表層材料不斷剝落。氣蝕微觀表面凹凸不平，布滿氣蝕坑及裂紋，宏觀呈海綿狀形貌，有時產生針孔和麻點等。掃描電鏡下有時可觀察到疲勞輝紋，由此，氣蝕被認為是一種疲勞破壞，而疲勞輝紋是疲勞斷裂的重要特征。

2.2氣蝕的危害

2.2.1、降低系統性能。

汽蝕的葉輪會使泵的流量、揚程和效率明顯下降，進而造成發動機高溫等問題

2.2.2、損壞部件。

當氣蝕發生在金屬密封面時，會使得密封部件失效，造成缸頭、缸套、缸體等部件泄漏;在潤滑系統中可能使曲軸的軸瓦表面出現脫層等問題。若不能及時發現可能會造成更嚴重的次生損壞，如機油乳化失效、發動機頂缸、甚至發動機抱瓦等嚴重后果。

2.2.3、產生噪音及振動

氣泡潰滅時，液體質點互相撞擊，同時也撞擊金屬表面，產生各種頻率的噪聲，同時引起機組振動，嚴重時可能引起機組共振。

2.3氣蝕案例

2.3.1 圖2、圖3、圖4是往復式發動機較常見的幾種氣蝕損傷示例

2.3.2 瓦克夏275GL+氣蝕案例

在中石油某壓氣站的實際案例中，由于瓦克夏275GL+發動機冷卻系統的特性，目前發現的氣蝕問題主要在集中在缸頭沉孔與火花塞外襯套所接觸的密封面，如圖5所示：火花塞襯套外部為夾套水冷卻腔室，該接觸面靠金屬墊片與缸頭沉孔密封，安裝時涂抹密封膠。圖6、圖7、圖8為現場的氣蝕問題實拍。

3、氣蝕的發現

通常情況下，在往復式發動機的日常運營過程中，氣蝕不容易被發現。往復式發動機的冷卻系統往往是密封的，從外部難以發現氣蝕情況，需要通過定期檢查易出現氣蝕的部位，如水泵葉輪、火花塞襯套密封面、缸套、缸頭密封面等。另外，當發動機出現某些特定的故障現象，比如發現有冷卻液泄漏或冷卻系統異常竄氣時，我們需要排查是否存在氣蝕的問題。比如：

①發動機排煙管異常冒白煙：表明燃燒室或排煙管有積水，需排查是否因氣蝕引起的缸套、火花塞襯套及缸頭密封面漏水

②發動機機油乳化：表明機油里面異常進入了大量的水，需排查是否由氣蝕引起的部件密封失效

③膨脹水箱水位異常升高或降低：

當水位異常升高時：表明有異常氣體進入冷卻系統且未被及時排出，需要檢查是否由火花塞襯套及缸頭密封面氣蝕失效造成的異常竄氣。

當水位異常降低時：需排查是否有因氣蝕引起的冷卻系統密封部件失效甚至穿孔等問題，進而導致冷卻液泄漏

在中石油某壓氣站的實際案例中正是技術人員在巡檢過程中及時發現了排煙管冒白煙及膨脹水箱水位上升的異常情況，通過進一步檢查確定了是由氣蝕引起缸頭沉孔與火花塞外襯套密封面失效而出現的竄氣及漏水。避免了造成更嚴重的次生事故損壞。

4、氣蝕的預防

氣蝕的預防主要可以通過以下幾個方面進行

4.1、提高金屬表面硬度：在易發生氣蝕的部位使用抗氣蝕的材料，瓦克夏實驗數據表明在大孔徑的缸套表面鍍上0.08mm的鉻合金層即可減少50%的氣蝕。

4.2、減少氣阻：通過優化冷卻液流動通道的幾何形狀、改變管道直徑、優化冷卻系統的排氣通道等方式都可以有效減少氣蝕的發生

4.3、提高冷卻水循環系統的壓力：通過升高膨脹水箱高度等方式，增壓水泵入口的靜態壓力，可以提高整個冷卻水循環系統的壓力，也能降低氣蝕發生的趨勢

4.4、其它方式包括：冷卻水系統添加抑制劑;減少冷卻水系統雜志顆粒物;提高金屬表面光潔度等等。

5、現場施工改造

通過對預防氣蝕的幾項主要要素進行分析，在不能改變機組的設計、材料、生產工藝的前提下?？梢酝ㄟ^增加冷卻水循環系統壓力以及優化排氣等措施來減少產生氣蝕的趨勢。因此在中石油某壓氣站的現場進行了以下兩個方面的改造;

5.1、優化散熱水箱排氣通道

該壓氣站在設計施工時，機組冷卻系統的水箱部分采用的是安裝排氣閥的方式來排氣的。隨著機組運行時間的增加，部分排氣閥出現故障無法正常排出冷卻系統內多余的氣體，大量無法排出的氣體留存在冷卻水系統中，無疑會增加氣蝕的風險。因此，根據現場情況以及瓦克夏廠家安裝手冊要求（圖9），將散熱水箱的排氣閥拆除，直接通過透氣管將散熱水箱與膨脹水箱相連進行排氣。圖10、圖11為改造前后對比圖。

2、提高膨脹水箱高度

通過提高膨脹水箱高度，可以增壓水泵入口的靜態水壓力，以此提高整個冷卻水循環系統的工作壓力。從而達到降低氣蝕發生趨勢的目的。圖12、圖13為膨脹水箱改造前后的位置對比圖。

參考資料：

[1]瓦克夏發動機安裝手冊 《1091-11-installation-chapters_rev》 CHAPTER 5 COOLING SYSTEMS

[2]瓦克夏 GET 手冊 CHAPTER 2 COOLING SYSTEMS

[3]瓦克夏275GL+ Training Materials CHAPTER 1 Engine Design Features Program

[4]水利電力出版社 《水泵氣蝕與防治》

[5]機械工業出版社《流體機械原理》