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1、见习论文12SGT天然气发动机气缸套穴蚀成因分析及预防措施 12SGT天然气发动机气缸套穴蚀成因分析及预防措施目 录1 研究12SGT天然气发动机气缸套穴蚀的目的和意义22 12SGT天然气发动机气缸套穴蚀的部位及特征33 12SGT天然气发动机气缸套穴蚀成因分析53.1 气缸套振动变形引起的空泡穴蚀5 微观角度分析振动产生穴蚀的过程5 力学角度分析振动产生穴蚀的过程6 产生穴蚀的内因分析83.2 冷却系统造成的空泡穴蚀8 冷却水中固有气泡的影响8 冷却水的空间及空间变化造成的穴蚀9 冷却水温度低造成的穴蚀9 冷却水质差造成穴蚀9 空气蒸汽阀开度太小的影响93.3 电化侵蚀104 结论和预防措
2、施11参考文献1212SGT天然气发动机气缸套穴蚀成因分析及预防措施摘要：本文从分析12SGT天然气发动机气缸套穴蚀的现象和特征入手，阐述了振动和冷却系统产生的空泡穴蚀和电化学腐蚀是造成气缸套穴蚀的原因，并从力学角度进一步分析了振动产生空泡穴蚀的全过程。并针对上述原因提出了通过减小振动、控制改善冷却系统和用洁净冷却水等方法来提高抗穴蚀的能力。关键词：气缸套 穴蚀 空泡穴蚀 电化腐蚀 预防措施1 研究12SGT天然气发动机气缸套穴蚀的目的和意义穴蚀是指零件与液体接触并有相对运动条件下，零件表面材料发生的剥落现象。发动机气缸套穴蚀主要是在气缸套外表面和缸体内表面浸水的某些部位，由于受到机械振动、电
3、化作用、应力作用等影响而使气缸套和缸体局部区域出现聚集的蜂窝状孔穴群1 2。此次12SGT天然气发动机气缸套穴蚀造成的损失较严重，为了防止其再次发生，下面将分析研究气缸套穴蚀的目的和意义介绍如下。一方面，气缸套穴蚀会造成设备损坏，影响发动机的使用寿命，造成生产维修的成本投入和经济损失。倘若缸套穴蚀较严重，一旦造成穿孔，冷却液就会穿过缸套进入曲轴箱，使润滑油的润滑性能恶化，轻则拉缸，重则曲轴抱瓦，还有可能造成缸套断裂，发生特大事故。此次12SGT天然气发动机4#机组气缸套穴蚀直接造成价值12余万元的进口缸套全部报废，而更换国产缸套又花费3.6万元，其更换缸套的维修工时和辅件、辅料等间接费用还未计
4、入。另一方面，随着现代工业和现代交通运输业的迅猛发展，内燃机向高速度、高平均压力以及高效节能方向发展，因此，发动机对气缸套强化指标大幅度提高，使缸壁承受的气体和机械冲击力加剧，这也使成因复杂、由来已久的气缸套穴蚀现象成为越来越突出的问题6。12SGT天然气发动机4#机组气缸套穴蚀，共造成12个缸套全部穴蚀及发动机机体部分穴蚀，而且穴蚀程度很严重，并且在以往检修和后来的2#机检修中都出现穴蚀现象，因此，从高效节能角度出发，进行气缸套穴蚀成因分析及提出合理的控制措施，对于发动机的使用维护和生产实际都有重要意义。2 12SGT天然气发动机气缸套穴蚀的部位及特征12SGT天然气发动机气缸套是采用湿室机
5、构，气缸套散热和传热部分的外圆直接与冷却水介质接触。发动机从投产到运行至13700小时后，进行中修时，发现发动机的12个气缸套全部都产生了严重穴蚀，穴蚀示意图如图2.1所示。穴蚀主要集中在主、次推力面一侧的气缸套的中上部和对应缸体的中上部；气缸套的封水圈上缘和相对应的缸体配合密封处等，12SGT天然气发动机气缸套穴蚀形式见表2.1。表2.1 12SGT天然气发动机气缸套穴蚀形式穴蚀部位 穴蚀现象连杆摆动平面内的两侧外壁 带状深孔群，其中活塞主推力两侧很严重封水圈上缘及上部配合突肩处 条带状或蜂窝状孔洞连杆摆动平面对应缸体中上部 圆片状凹坑，其中左1右1缸穴蚀较严重缸体支承面下部配合密封处 蠕虫
6、形、条沟状凹坑图2.1 气缸套穴蚀示意图在气缸套外壁穴蚀处,形成的穴孔十分密集、大都是长约120mm140mm、宽约30mm40mm的穴蚀带。穴蚀深度一般都大于1mm，12个气缸套中最深的一个穴坑深达11.1mm，每个气缸套穴蚀的最深深度都有在6mm以上的，其中有五个气缸套的最深穴孔深已经超过气缸套壁厚的一半。气缸套数据及穴蚀部分情况见表2.29。表2.2 气缸套数据及穴蚀部分具体情况气缸套的壁厚内径长度 14.50mm、254.15mm、574.50mm穴蚀深度最深的气缸套 左4缸，深度11.1mm穴蚀区域最多的气缸套 左1左2右3右4缸均有四处，分布于连杆摆动平面内的两侧外壁封水圈上缘及上
7、部配合突肩处，其余各缸有23处穴蚀区域穴蚀最严重的气缸套 左1左4左6右4缸，呈线状、椭圆状及点状分布从拆卸下的气缸套可以发现穴蚀带大都是不规则形状的坑穴，在连杆摆动平面内的两侧外壁中上部，穴蚀孔由深到浅向周围扩散，并不存在腐蚀痕迹和产物，表面较为洁净，穴蚀部位颜色呈深蓝色并半有过热现象，与周围其它部位相比显露出较少的铁锈和杂质。3 12SGT天然气发动机气缸套穴蚀成因分析通过分析12SGT天然气发动机气缸套穴蚀的现象和特征，并结合实际生产的经验，得出造成12SGT天然气发动机气缸套穴蚀的原因主要可归结为振动和冷却系统产生的空泡穴蚀和电化学腐蚀。3.1 气缸套振动变形引起的空泡穴蚀由于12SG
8、T天然气发动机气缸套穴蚀主要发生在连杆摆动平面内的两侧气缸套外壁的中上部，每个缸套的该部位都是穴蚀最严重的，此处正是在气缸套上止点附近,燃烧刚刚开始，振动最为强烈，因而振动是造成气缸套穴蚀严重的原因之一。 微观角度分析振动产生穴蚀的过程从微观压力波机理分析来看,液体 冷却水 因所接触的金属固体 气缸套 振动而产生一种压力波。由于金属有一定的弹性，当发动机在运转时,燃料燃烧爆发对活塞产生较高压力,而活塞往复运动变向时的冲击,使气缸套受到活塞周期性交变侧压力,气缸套就会向外产生弹性变形,从而挤压缸外冷却水,使水压局部升高,当活塞的侧压力再发生交变时,气缸套恢复弹性变形,并会向相反方向产生一定的弹性
9、变形,缸外冷却水压力局部迅速变小,冷却水受到拉伸,水的连续性遭到破坏。当气缸套变形幅度大于某一临界值时,水膜很难附于气缸套外壁,而被弹出表面,产生真空气泡。同时当冷却水温较高时,水膜也容易受热汽化爆炸,产生气泡。再者水的内聚力小于附着力,当气缸套振动时,紧贴气缸套外壁的水层离开,但仍有薄水膜附着在气缸套外壁上,在水膜与水层之间形成真空。在拉伸过程中,气泡周围的压力低于某一数值时,气泡将会膨胀,发生破裂。同时,当活塞的交变正压力再次到来时,冷却水又被挤压,此时刚刚产生的真空气泡被作用了一个较大的压力,真空气泡破灭,产生极大的压力脉冲和高温。压力脉冲使水和气泡产生极小的高压喷水气流,并释放热量,产
10、生极小高温区。喷水气流的尺寸极小,但是它能以高达170/的速度冲击气缸套表面,能量作用在气缸套的局部,对气缸套表面产生较大的冲击应力 高压脉冲 ,虽然受撞区域小,但气泡在发动机中却以每秒数百万的速度破裂。随着这些大量、反复的高温、高压应力作用,当高温、高压产生的冲击克服金属基体组织间的作用力时,使金属发生疲劳,形成微粒冲蚀,宏观表现为穴蚀3 4 5。 力学角度分析振动产生穴蚀的过程a、真空泡的产生与溃灭 发动机工作时，缸内燃气压力随曲轴转角而变化，气缸套在活塞侧压力作用下发生高频振动，冷却水压力随之变化，当气缸套以加速度向内振动时（如图3.1），与壁接触的一个断面积为、长为的水柱在水压力作用下
11、也以加速度跟随壁面一起向内移动，这时壁面处的水压力将降低到0。因为 所以 式中：水的密度 g 重力加速度 如果冷却水压力P低于当时温度下水的饱和气压时，水中便产生真空气泡。若缸套壁面以加速度向外振动时，处的水压力又比0增加了，真空气泡在这一压力作用下立即溃灭。图3.1 气缸套振动产生空泡的示意图图3.2 真空泡溃灭时的能量b、真空泡溃灭时的作用力 如图3.2所示，设在溃灭过程中半径的球形表面向中心收缩的速度为，而泡外的半径为的球形表面的水以速度来充填，由于液流是连续的，故收缩体积等于充填体积，则包围在真空气泡外面水的全部充填动能为：另一方面，真空气泡周围水压力0在气泡初始半径0收缩到时，全部水
12、移动所作的功为：因为E W所以水的压缩率为，约为410-5cm3/Kg当水以速度V发生冲击时，压力的上升量P为： 式中：C水的体积 C水的体积变化量由于所以 当中真空泡溃灭时R0,，则P。 由于压力的急剧上升，所以靠近缸壁面的真空泡溃灭时，对气缸套外壁产生很大冲击，以致引起穴蚀5。蚀的内因分析造成穴蚀问题的内在原因则是气缸套的材质和石墨形态。材质性能主要取决于各成分间的结合力以及材质的铸造质量,其中合金化合物间的结合力较强,有利于抗空泡冲击,而有组织疏松、夹渣等铸造缺陷的材质则抗穴蚀能力会明显减弱;石墨的存在会有效地减小振动强度,但不合理的石墨形态则又会降低组织致密性,削弱显微结构间的结合力4
13、。12SGT天然气发动机气缸套采用的是抗穴蚀能力较强的球墨铸铁制造，它具有致密坚韧的珠光体基体和球状分布的石墨，强度比普通铸铁高一倍，抗穴蚀性和耐磨性也都比普通铸铁好，因而材质和石墨形态对造成12SGT天然气发动机气缸套穴蚀影响并不大。3.2 冷却系统造成的空泡穴蚀冷却系统造成穴蚀的影响因素主要包括冷却水中固有气泡、冷却水的空间及空间变化、冷却水温以及冷却水水质等。 冷却水中固有气泡的影响冷却水的不断循环和水流直接冲击气缸套，也是引起穴蚀的原因。经水泵进入发动机的冷却水道，截面积几经变化，使冷却水的压力发生变化，在小截面处水的流速高，压力小，一旦接触处的压力低于液体的饱和蒸气压力时水中便有气泡
14、生成，同时溶解在液体中的气体在一定的条件下也可能析出。当气泡流入大截面时，水的流速降低，压力升高，气泡破灭带有气泡的冷却水直接冲击缸套的外表面，而气泡则不断在缸壁附近破灭，使缸套穴蚀加快。 冷却水的空间及空间变化造成的穴蚀由12SGT天然气发动机气缸套穴蚀的现象和特征知，穴蚀最严重的区域就是水套中气缸套与缸体空间最小处。由于在水套中气缸套与缸体空间较小处,会造成冷却水可压缩性变小,气泡破裂容易产生,并且产生的冲击波不易被吸收,当达到一定规模和强度时,就表现出穴蚀;其次,空间较窄时,会使气缸套冷却不够充分,产生过热,当温度超过90时,穴蚀现象加剧6。 冷却水温度低造成的穴蚀冷却水温度在冷却水汽化
15、过程中,起着较为重要的作用。发动机水温过低，虽然冷却强度大，但会使发动机效率降低，同时造成活塞缸套振动大，促进缸套穴蚀加剧。一般发动机最易产生气泡的温度为常温以上的温热区 约4060 和高热区 大于90 ，温度控制在此范围之外都会减轻穴蚀。从发挥发动机的效能和降低穴蚀出发，冷却水温在8090为好3。12SGT天然气发动机一般在夏季都能将水温保持在8090，但在冬季，由于外界气温低，造成冷却水温低于70左右，这势必将有利于穴蚀发生。 冷却水质差造成穴蚀在对机组进行检修时发现，排出的冷却水颜色为黄褐色，冷却水中杂质较多。在随后的生产中，发生1#和3#两台机组都因水中杂质过多堵塞上水管线球形阀。因而
16、分析冷却水质差可能对穴蚀形成的影响主要有两项：其一是水内杂质引起水套壁、缸体水垢沉积,使水腔变窄,影响冷却水的可压性、适应性,激化汽化现象,发生空泡穴蚀;其二是水质为含有酸、碱、盐溶质的硬水,造成对金属基体组织的腐蚀,此类穴蚀破坏性远远高于普遍洁净软水质。 空气蒸汽阀开度太小的影响当检修完毕进行正常运行后，我们发现机组水箱上部导压管在不断向上溢出水和气泡，很长时间都不停止。大量气泡和水从导压管中排出，说明冷却水中含有很多气泡而无法排出，只有在压力高到一定时才从导压管中溢出。由此判断可能是空气蒸汽阀失效，随后我们将空气蒸汽阀开度加大，结果导压管不再排出的水和气泡。因此空气蒸汽阀开度过小是导致12
17、SGT天然气发动机气缸套穴蚀的又一个重要原因。3.3 电化侵蚀对于电化侵蚀而言,由于未经处理或水质较差的冷却水是一种呈弱酸、弱碱或盐溶质,对于材料不同的缸套与缸体,正好形成电路效应,高电位金属遭到腐蚀2。 由12SGT天然气发动机气缸套穴蚀的现象和特征可看出气缸套下部封水圈处穴蚀也较重，主要是因为此处水流停滞,氧溶解度小,并且材料本身由于含有各类合金元素或其它杂质,在电解质中,基体与合金元素之间,合金元素与电解质之间,产生氧浓差池作用,形成局部电池,造成缸套和缸体电化腐蚀。另外发动机工作时，缸体、气缸套中的铁与碳化铁发生石墨化腐蚀。这时铸铁中的石墨作阴极,铁素体作阳极,由于微电池的作用,铁素体
18、熔解,余下石墨和渗碳体变成疏松物质逐渐剥落。再加上水流的冲刷及冲击波的作用，加速了腐蚀，加快了气缸套的穴蚀速度。4 结论和预防措施1、从以上的分析研究表明，12SGT天然气发动机气缸套的穴蚀原因归结起来主要是由于气缸套振动和冷却系统产生的空泡穴蚀及电化腐蚀所造成。其中活塞横向摆动而撞击缸套引起气缸套高频振动,使冷却水发生交替压缩膨胀压缩循环过程,从而不断形成空泡并爆破，是造成穴蚀的主要原因；其次冷却水中固有的气泡、冷却水的空间及空间变化、冷却水温、冷却水水质和电化腐蚀等则加速了穴蚀的进一步发展。2、合理调整发动机点火提前角到最佳程度，尽量使各缸进入的燃料气量达到一致。对发动机和压缩机进行对中调
19、整，并定期检测其对中程度是否在标准范围之内，使发动机能够运转平稳，减少振动，降低穴蚀。3、加强进气系统的控制。加强空气、燃气、机油滤清器的清洗和维护工作，使进入发动机的空气、燃料气保持洁净和平稳。对发动机各缸出现点火不良的情况要及时修理，防止发动机因爆燃产生振动。4、加注冷却水时使用干净、无污染的软化水。为了防止水的污染，我们已经安装了通向软化水处理装置的专用管线，取消了以往直接在暖气管线上取软化水的方法。5、在冬季通过利用石棉板遮挡风冷器水箱，尽可能将水温控制在80 以上，并注意定期检查恒温阀是否工作正常。6、保证冷却水箱的空气蒸汽阀工作性能正常，开度合适，能够使水套水中的气泡迅速排出，降低
20、穴蚀发生的可能性。综上所述，12SGT天然气发动机气缸套的穴蚀直接影响着发动机的工作可靠性和使用寿命。我们在发动机的维护管理中通过采取适当的措施，就可延缓或防止气缸套穴蚀的形成，延长发动机的使用寿命，降低设备成本消耗。参考文献1 杨连生著.内燃机设计M.北京：机械工业出版社，1991.2 朱仙鼎.中国内燃机工程师手册M.上海:上海科学技术出版社，2000.3 钱耀南.船舶柴油机设计M.大连：大连海事大学出版社，1999.4 王泽民等.柴油机缸套穴蚀成因分析和提高穴蚀能力的措施J.内燃机，2004，（4）：43-47.5 王黎明等.湿室气缸套穴蚀机理分析及预防措施J.黑龙江八一农垦大学学报，2002，（6）：55-58.6 周桂平.HD2108Q柴油机气缸套穴蚀的试验研究J.柴油机，2000，（2）：24-27. 7 舒远发.柴油机气缸套的穴蚀J.广东造船，1994，（4）：14-18.8 冯长征等.柴油机气缸套的穴蚀与控制J.使用?维修，1997，（11）：41-42.9 孤岛压气站12SGT/SW64型4#压缩机中修技术报告R.东营，胜动环海机械有限责任公司2005. 4 .0
