主機(jī)活塞頭頂部頻繁燒蝕和裂紋的原因剖析

上海遠(yuǎn)洋運(yùn)輸有限公司 齊文征

主機(jī)活塞頭頂部頻繁燒蝕和裂紋的原因剖析

上海遠(yuǎn)洋運(yùn)輸有限公司 齊文征

針對某船主機(jī)活塞頭頂部頻繁燒蝕和裂紋現(xiàn)象，總結(jié)出活塞頭冷卻腔結(jié)炭、噴油器工況不佳、主機(jī)排溫過高是發(fā)生故障的主要原因，提出在以后的維護(hù)管理中的預(yù)防措施，供輪機(jī)人員參考。

活塞頭；燒蝕；裂紋；剖析；維護(hù)管理

某集裝箱船1997年12月30日由韓國三星重工建造。主機(jī)型號MANB&W6L80MC，額定功率為20 600 kW，額定轉(zhuǎn)速93 r/min，營運(yùn)轉(zhuǎn)速89 r/min，二沖程直流掃氣，兩臺ABB定壓增壓器，Auto Chief Ⅳ主機(jī)遙控系統(tǒng)，十字頭式活塞，主機(jī)每缸有兩只噴油器，前后各一只，使用IF380燃油。

一、故障現(xiàn)象

1.活塞頭更換統(tǒng)計(jì)

查看維修保養(yǎng)記錄發(fā)現(xiàn)，最近幾年主機(jī)活塞頭頂部由于出現(xiàn)燒蝕和裂紋而頻繁進(jìn)行更換（見表1，全新活塞頭意為更換成原廠備件，翻新活塞頭意為國內(nèi)加工翻修后的活塞頭）。通過表1，可以看出此輪從1997年出廠到現(xiàn)在，總共三個階段頻繁發(fā)生活塞頭頂部燒蝕和裂紋：

① 2002年至2003年間。從1997年出廠到此時(shí)，有五年左右，六個活塞頭全部發(fā)生燒蝕和裂紋?；旧细鼡Q為原廠全新活塞頭。

② 2009年至2010年間。發(fā)生燒蝕和裂紋的活塞頭全部更換為國內(nèi)翻新活塞頭。

③ 2012年。發(fā)生燒蝕和裂紋的活塞頭更換為國內(nèi)翻新活塞頭。

表1 主機(jī)活塞頭更換統(tǒng)計(jì)表

通過以上統(tǒng)計(jì)表可以看出，原廠新的活塞頭使用壽命大約為五年，而翻新過的活塞頭壽命較短，翻新次數(shù)多的話，更容易出現(xiàn)燒蝕和裂紋，甚至一個吊缸周期（8 000～10 000 h）就會出現(xiàn)燒蝕和裂紋。

2.活塞頭燒蝕和裂紋的癥狀及危害

2011年底到2012年初，通過掃氣筒檢查，發(fā)現(xiàn)多只缸活塞頭有不同程度的燒蝕和裂紋?；钊^的燒蝕和裂紋多出現(xiàn)在頂部中心附近，從中間開始逐漸向四周擴(kuò)散（見圖1a、b、c）。還有的活塞頭頂部出現(xiàn)大小、深淺不一的麻點(diǎn)、凹坑、針眼小孔、塌陷和溝槽等，表面金屬會出現(xiàn)層層剝落，造成活塞頂部的厚度逐步變薄。

圖1 活塞頭頂部燒蝕和裂紋

活塞頭燒蝕，引起主機(jī)壓縮壓力降低和壓縮比變化；活塞頭裂紋擴(kuò)大至活塞頭內(nèi)部冷卻油腔后，冷卻滑油會噴入汽缸，可能會引起活塞頭進(jìn)一步燒蝕和裂紋、排煙總管著火或爆炸，如主機(jī)在機(jī)動航行時(shí)發(fā)生活塞頭裂穿，更可能導(dǎo)致主機(jī)排煙管出口處突然變形塌陷，這種情況已在同類型船舶中發(fā)生過。所以，活塞頭出現(xiàn)燒蝕和裂紋后，應(yīng)引起主管人員的高度重視。

二、活塞頭的結(jié)構(gòu)及冷卻

1.活塞頭的構(gòu)造和材料

（1）活塞頭的頂部呈下凹形（見圖2），形狀像“鍋底”，有利于燃油和空氣的混合；

（2）活塞頂采用薄壁結(jié)構(gòu)，有助于活塞頭的熱量傳導(dǎo)至活塞內(nèi)部冷卻油腔；

（3）第一道活塞環(huán)上方的活塞頭外圓表面車有一道隔熱環(huán)槽，是為了減小徑向散熱，保護(hù)第一道活塞環(huán)溫度不至于太高；

（4） 由活塞頭、活塞桿和活塞裙形成三個冷卻腔A、B、C（見圖2）；

（5） 活塞頭采用耐熱合金鋼，耐熱性較好。

2.活塞頭的工作條件

主機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，活塞頭承受較高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。

（1）熱負(fù)荷

活塞頭的熱負(fù)荷主要來源于高溫燃?xì)獾淖饔?，高溫燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)1 800～2 600 ℃。高溫燃?xì)鈱钊^的放熱使活塞頭溫度升高。由于活塞頭內(nèi)部存在冷卻油腔，熱量大部分都經(jīng)過冷卻油腔傳出，使活塞從燃燒室部位吸收的大量熱量很快傳給冷卻油腔?；钊^表面和內(nèi)部存在著較高溫度差，這就給活塞頭造成很大的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力最大值出現(xiàn)在冷卻油腔內(nèi)振蕩冷卻孔、活塞頭頂面、活塞頭側(cè)面的結(jié)合處。

（2）機(jī)械負(fù)荷

活塞頭所承受的機(jī)械負(fù)荷最主要來自于高溫高壓燃?xì)獾膲毫?，活塞頭在最高爆發(fā)壓力作用下所受的機(jī)械應(yīng)力最大。機(jī)械應(yīng)力也出現(xiàn)在冷卻油腔內(nèi)振蕩冷卻孔、活塞頭頂面和活塞頭側(cè)面的結(jié)合處。

活塞頭所受的機(jī)械應(yīng)力小于所受的熱應(yīng)力。活塞頭頂部的燒蝕主要由熱負(fù)荷引起，裂紋是由熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷共同作用引起的。

3.活塞頭的冷卻

活塞頭利用系統(tǒng)滑油采取振蕩冷卻。在空心活塞桿頂端固定著滑油管，冷卻滑油由固定在十字頭上的套管供入，經(jīng)十字頭與活塞桿底部的鉆孔進(jìn)入活塞桿中的滑油管內(nèi)部，再進(jìn)入活塞頭的冷卻油腔A（見圖2），從A腔到B腔是通過20個直徑為11 mm的傾斜鉆孔噴射到外部環(huán)形油腔，再通過10個直徑55 mm的孔到達(dá)C腔，最后經(jīng)過活塞桿徑向上的6個直徑27 mm的孔到達(dá)活塞桿的環(huán)形空間內(nèi)，通過活塞桿和十字頭流到主機(jī)曲拐箱內(nèi)。

這種冷卻方式利用進(jìn)出口位置不同（見圖2）實(shí)現(xiàn)，進(jìn)口高于出口，出口孔徑大于進(jìn)口孔徑，保證冷卻腔B和C中的冷卻液只充滿40%～60%，并以一定的循環(huán)速度流過。同時(shí)，由于活塞運(yùn)動的往復(fù)慣性力，使得冷卻液在腔室中產(chǎn)生上下沖刷振蕩，加強(qiáng)對活塞頂?shù)睦鋮s作用。

本船的活塞油壓力和系統(tǒng)滑油相同，設(shè)定為0.3 MPa，進(jìn)口油溫設(shè)定為45 ℃，出口溫度為50～65 ℃。出口溫度隨主機(jī)負(fù)荷的增加而升高。

三、故障原因剖析

活塞頭頂部燒蝕和裂紋，主要是由于冷卻油腔結(jié)炭、噴油器工況不佳和主機(jī)排溫過高等，造成活塞頭頂部局部過熱、燒蝕、脫炭和高溫蠕變，導(dǎo)致金屬晶體結(jié)構(gòu)異變，機(jī)械性能下降。此外，燃油中含有雜質(zhì)成分，釩與鈉在燃燒中生成五氧化二釩和鈉的氧化物，這種化合物高溫易熔，當(dāng)溫度高于500 ℃時(shí)，就會熔于活塞頭頂表面，產(chǎn)生高溫腐蝕。在以上綜合因素作用下，活塞頭頂部出現(xiàn)大小、深淺不一的裂紋、麻點(diǎn)、凹坑、針眼小孔、塌陷等，表面金屬也因之層層剝落，造成了活塞頭頂部的燒蝕和裂紋。

1.活塞頭冷卻腔結(jié)炭

2012上半年，解體四只更換下來的活塞頭，發(fā)現(xiàn)活塞頭內(nèi)部冷卻腔A嚴(yán)重結(jié)炭，結(jié)炭厚度超過1 mm，甚至有的地方達(dá)到3 mm以上。冷卻腔B內(nèi)也有結(jié)炭現(xiàn)象，有的活塞頭結(jié)炭厚度超過1 mm。如圖3所示。

柴油機(jī)制造廠的通函注明：如果冷卻腔表面有超過1 mm的積炭，可導(dǎo)致活塞頭表面溫度升高200 ℃以上。由于活塞頭內(nèi)部冷卻腔嚴(yán)重結(jié)炭，導(dǎo)致?lián)Q熱效果降低，使活塞頭頂部散熱不良，引起局部過熱，導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)。

結(jié)炭原因：

（1） 活塞頭頂部溫度過高，致使冷卻滑油和活塞頭接觸面溫度較高。如果冷卻滑油溫度超過220 ℃，則滑油將會結(jié)炭。

（2） 冷卻滑油雜質(zhì)較多。

（3） 冷卻滑油壓力較低?；蛪毫Φ?，冷卻滑油流速降低，冷卻效果變差。

2.噴油器工況不佳

本船采用針閥式噴油器。兩只噴油器分別安裝在汽缸蓋排氣閥的兩側(cè)，它噴出的油束在汽缸中分布不均勻，且容易噴在活塞頂上，造成活塞頭頂部局部過熱。解體檢修發(fā)現(xiàn)，大部分噴油器的噴嘴結(jié)炭嚴(yán)重，霧化不良，噴油器有滴漏現(xiàn)象。部分噴油器的針閥頭部斷，噴孔堵死和噴孔直徑變大，開啟壓力變低。

噴油器工況不佳，導(dǎo)致霧化不良，使得噴油器直接向活塞頭滴油或未經(jīng)霧化的高壓油束直接噴至活塞頭頂面并附著在活塞頭頂部燃燒，產(chǎn)生高溫腐蝕，燒蝕活塞頭，活塞頭頂部會出現(xiàn)積炭，同時(shí)也會加速活塞頭內(nèi)部冷卻滑油的結(jié)炭，冷卻效果變差，使活塞頭燒蝕和裂紋進(jìn)一步惡化。

3.主機(jī)排溫過高

主機(jī)排溫過高，主要是主機(jī)超負(fù)荷、增壓器效率差、空冷器臟堵、廢汽鍋爐煙道臟堵等原因造成的。這時(shí)，主機(jī)活塞頭頂部熱負(fù)荷高，活塞頭內(nèi)部冷卻滑油容易結(jié)炭。

本船自出廠以后十年內(nèi)，主機(jī)轉(zhuǎn)速大都在85 r/min以上，主機(jī)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，活塞頭承受較高溫度。2002年到2003年間，頻繁更換有燒蝕和裂紋的活塞頭。剛出廠時(shí)，主機(jī)各工況良好，活塞頭內(nèi)部冷卻滑油結(jié)炭較少。隨著時(shí)間的推移，大概到五年左右時(shí)，活塞頭內(nèi)部結(jié)炭較厚，滑油帶走的熱量較少，致活塞頭頂部局部過熱而產(chǎn)生裂紋。更換原廠全新活塞頭后，五年左右后又頻繁出現(xiàn)活塞頭燒蝕和裂紋，罪魁禍?zhǔn)讘?yīng)該是活塞頭內(nèi)部冷卻腔結(jié)炭太厚。

4.翻新活塞頭

燒蝕和裂紋的活塞頭送岸修理，廠家對活塞頭的處理步驟：清潔，探傷檢查；頂部粗車，露出金屬本體光澤；著色探傷：高強(qiáng)度合金鋼自動埋弧堆焊；整體回火處理，消除焊接應(yīng)力；按標(biāo)準(zhǔn)圖紙機(jī)加工。

由表1可以看出，國內(nèi)翻新活塞頭的使用壽命較短，多次翻修后壽命將更短。主要是因?yàn)榉捱^的活塞頭，其內(nèi)部材料發(fā)生變化，存在應(yīng)力集中。

四、維護(hù)管理

活塞頭頻繁燒蝕和裂紋給船舶的安全生產(chǎn)帶來了不利影響：一方面增加了船舶工作量，另一方面也增加了備件和修理費(fèi)用。為了避免活塞頭發(fā)生燒蝕和裂紋，在日常的維護(hù)和管理中，應(yīng)注意以下幾個方面：

1.活塞頭解體保養(yǎng)

采用振蕩冷卻的活塞頭，2～3個吊缸周期，應(yīng)解體、檢查，清潔活塞頭冷卻腔內(nèi)部的積炭，更換活塞頭上的各橡皮密封圈，檢查清潔20個11 mm的小孔。

如吊缸檢修中發(fā)現(xiàn)活塞頭頂部燒蝕，應(yīng)用頂部樣板加塞尺測量活塞頭頂部，記錄測量結(jié)果，如果燒蝕超過了頂厚的三分之一，就應(yīng)更換活塞頭。

船齡超過十年的船舶，應(yīng)加大活塞頭的檢查次數(shù)，每個月至少通過掃氣筒檢查活塞頭的狀況。

三個月檢查一次曲拐箱時(shí)，如在曲拐箱底部或?yàn)V網(wǎng)旁發(fā)現(xiàn)有魚鱗式炭片，可能某缸活塞頭內(nèi)部冷卻腔有結(jié)炭現(xiàn)象。再通過活塞油出口溫度加以判斷，如有某缸冷卻滑油出口溫度偏低，則這個缸的活塞頭內(nèi)部冷卻腔有結(jié)炭現(xiàn)象，利用靠泊時(shí)間，更換或清潔活塞頭內(nèi)部冷卻腔。

2012上半年更換了NO.1/2/3/6缸的活塞頭，NO.1/2/3缸更換的是國內(nèi)翻新件，NO.6缸的活塞頭是原廠全新。NO.1/2/3缸的冷卻滑油出口溫度比以前高出2～3 ℃，NO.6缸的冷卻滑油出口溫度則比以前高出4 ℃左右。由此看來還是原廠全新活塞頭熱傳導(dǎo)較好。

2.冷卻滑油的油質(zhì)、油壓和油溫

（1）油質(zhì)

活塞頭冷卻滑油如氧化變質(zhì)，黏度會增加，熱傳導(dǎo)率將會進(jìn)一步降低，故冷卻滑油一定要有足夠好的品質(zhì)，確保干凈無雜質(zhì)、無變質(zhì)。平時(shí)保養(yǎng)注意：

① 每個月清洗滑油自清濾器的回油濾器，檢查有無鐵雜質(zhì)和炭片。

②每三個月解體清洗滑油分油機(jī)，保證其正常的分離效果。可使滑油分油機(jī)的分油量控制在額定分油量的三分之一以下，以提高其分離質(zhì)量。

③每四個月取樣化驗(yàn)冷卻滑油，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常指標(biāo)。

（2）油壓

活塞頭冷卻滑油要有足夠高的壓力，以增加冷卻滑油的流速，增強(qiáng)冷卻效果。平時(shí)保養(yǎng)注意：

① 每天檢查滑油自清濾器的工況，如壓差過大，應(yīng)及時(shí)清洗其內(nèi)部濾芯。

② 每天記錄冷卻滑油壓力，如有異常，應(yīng)及時(shí)查找原因。

③每天檢查滑油泵有無異常振動和聲響，如有問題，及時(shí)解體滑油泵。

④每四個月取樣化驗(yàn)冷卻滑油，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常指標(biāo)。

（3）油溫

冷卻滑油進(jìn)口溫度不能太高，正常在40～50 ℃之間。平時(shí)注意:

①每天檢查記錄冷卻滑油進(jìn)主機(jī)的溫度。

②每天檢查滑油冷卻器的滑油調(diào)溫閥，保證其工作正常。

3.噴油器的保養(yǎng)

噴油器的好壞直接影響著霧化質(zhì)量。由于噴油器的原因，造成缸套、缸蓋、排氣閥和活塞頭等燃燒室部件燒蝕、磨損和裂紋的現(xiàn)象，已屢見不鮮。對針閥式噴油器的保養(yǎng)應(yīng)注意：

①每4 000 h解體噴油器，最好更換噴嘴，檢查針閥偶件，清潔止回閥內(nèi)的泄放小孔，視情研磨各接觸面，泵壓測試啟閥壓力，檢查有無滴漏現(xiàn)象。

②每4 000 h，清潔固定噴油器的彈性墊圈，如卡死必須給予更換。

③每2～3個噴油器保養(yǎng)周期后，更換針閥偶件。

4.進(jìn)排氣系統(tǒng)

如果主機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)污染，會造成供氣量不足，使燃燒不良，排煙溫度升高，增加了主機(jī)熱負(fù)荷。故平時(shí)維修保養(yǎng)如下：

①每8 000 h解體主機(jī)增壓器，清潔噴嘴和轉(zhuǎn)子，確保掃氣壓力和增壓器轉(zhuǎn)速正常。

② 每三個月主機(jī)空冷器化學(xué)清洗，確?？绽淦鲏翰钫?。

③每三個月清潔掃氣箱油渣，清潔掃氣口和口琴閥，確保無臟污。

④每三個月廢氣鍋爐煙道沖洗。

⑤每天蒸汽沖洗廢氣鍋爐煙面。

5.其他注意事項(xiàng)

為了防止活塞頭溫度過高，保證霧化良好，平時(shí)還應(yīng)注意：

①主機(jī)劣質(zhì)燃油IF380，黏度大，應(yīng)提高燃油溫度至135～140 ℃，以提高燃油霧化。

②每月測取主機(jī)各缸示功圖，檢查各缸爆炸壓力、壓縮壓力以及各缸功率，如有異常及時(shí)查找原因并進(jìn)行調(diào)整。

③在淺水、頂流和大風(fēng)浪海況等情況下，應(yīng)及時(shí)控制主機(jī)的油門，避免超負(fù)荷。

五、結(jié)束語

活塞在主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中起著舉足輕重的作用。因此，平時(shí)對主機(jī)活塞頭要進(jìn)行科學(xué)的管理，不能只憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為活塞頭一般不會出現(xiàn)問題，而忽視了對活塞頭的檢查、清潔、測量和液壓檢查。同時(shí)，要求主管人員了解活塞頭材料特性，科學(xué)控制主機(jī)負(fù)荷，加強(qiáng)對活塞頭的管理，注重實(shí)踐，積極思索，善于總結(jié)，努力提高管理水平，避免活塞頭頻繁發(fā)生燒蝕和裂紋。