主機缸套異常磨損的5個管理心得（一）

很藍hen 2020-02-26

展開全文

導讀：原標題為《主機缸套異常磨損分析與管理策略》。感謝朱曉亮老軌的投稿，希望這篇文章能對大家有用。與此文類似的文章還有以下，有興趣的朋友們可以繼續(xù)瀏覽：

【內容摘要】航行中主機氣缸內連續(xù)性機械敲缸，檢查發(fā)現(xiàn)缸套上面已經產生了1mm的臺階，而如此情況卻在多條船上出現(xiàn)。筆者試著從氣缸套的磨損機理入手，分析引起缸套異常磨損的可能因素，并提出實船管理策略，旨在找出產生異常磨損的真正原因，降低再次發(fā)生故障的可能。

【關鍵詞】異常磨損潤滑機理殘油分析管理策略

[Abstract] The mechanicalknock from M/E cylinder was heard under way, inspected and found 1.0mm edge at top of the cylinder liner. However, this situation had taken place on other vessels. According to the wear mechanism, the writer analyzes the factors, which may cause abnormal cylinder liner wear, and puts forward the management strategy, aims to find out the real reason cause abnormal wear and to reduce the probability of breakdown again.

[key words] Abnormal wear Lubrication Mechanism Residual oil analysis Management strategy

一、引言

2017年7月，某輪在大西洋航行時，突然發(fā)現(xiàn)主機（MAN 6S50MC-C，ALPHA電子氣缸注油器）NO.6缸發(fā)生連續(xù)性機械敲缸，在得到駕駛臺同意之后停車漂航,拆檢，發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)槽與缸套均出現(xiàn)了異常磨損，且缸套在第一道活塞環(huán)上止點的位置有約1mm的臺階，最終更換船存?zhèn)溆没钊c缸套后恢復航行。近年來關于主機缸套發(fā)生缸套異常磨損的情況屢見不鮮，同行之間交流發(fā)現(xiàn)，電子氣缸注油器或電控型的主機相比使用傳統(tǒng)機械式注油器的主機發(fā)生缸套異常磨損的概率較大。鍍鉻缸套的正常磨損率0.01-0.03mm/Kh，磨損極限為0.4%-0.8%D(缸徑)，如果短期內超過這種磨損速率，我們認為缸套發(fā)生了異常磨損。本文是筆者關于缸套產生異常磨損的粗淺分析，旨在提供一個對缸套異常磨損原因分析的思路，有針對性的發(fā)現(xiàn)導致異常磨損的真正原因，并希望得到大家的斧正。

二、 氣缸潤滑機理

隨著低速二沖程發(fā)動機MEP（平均有效壓力）的提高，劣質燃油的使用以及長期低負荷運行引起的燃燒不良等綜合因素，讓氣缸潤滑條件更加惡劣，如果實船管理中沒有針對性的措施，會加大缸套發(fā)生異常磨損的機率，從而使氣缸油本應具有的減摩、防腐、密封、帶走燃燒殘渣和降噪的作用而逐步傷失。

1. 氣缸潤滑狀態(tài)

? 高溫是油膜形成的最大障礙，正常情況下，缸套上部表面溫度在200℃左右，下部表面溫度約90-120℃，高溫讓氣缸油的粘度下降，氧化，蒸發(fā)。

? 活塞往復運動時的速度在行程中部時最大，而在上下止點時速度為零。只有缸套中部才能實現(xiàn)液體動壓潤滑，在上下止點時只能滿足邊界潤滑。然上止點位置時，由于高溫和活塞環(huán)對缸壁的徑向壓力最大，尤其是第一道環(huán)，如果發(fā)生不正常的條件，可能邊界潤滑條件都無法滿足。

? 劣質燃油中高硫分、高灰分、高殘?zhí)贾?、高硅鋁和高瀝青含量等會造成低溫腐蝕、固體顆粒磨損和結炭增加，引起活塞環(huán)在環(huán)槽中咬住、斷環(huán)、燃氣下竄等連鎖反應式故障。

2. 磨損機理

缸套磨損存在腐蝕磨損、粘著磨損及磨料磨損三個方面的磨損機理，具體簡述如下。

? 腐蝕磨損

腐蝕磨損包括：a.缸套水溫太低；b.氣缸注油定時錯誤；c.由于氣缸油量不足或氣缸油分布不正常而無法中和燃燒產物中的H₂SO₄；d.燃油中進入海水或空氣中鹽分過高引起燃燒產物中存在HCL; e.熱負荷過高使得活塞環(huán)斷裂或其它形式損壞。

? 由于油膜破壞引起的微咬合粘著磨損

油膜破壞性的粘著磨損主要原因包括：a.活塞環(huán)與缸套材質不匹配；b.注油定時不正確；c.熱負荷過高使得活塞環(huán)斷裂或其它形式損壞；d.缸套表面珩磨紋消失而產生“鏡面”現(xiàn)象，產生“鏡面”的原因來自化學性和機械性兩個方面，一是氣缸油中總堿值與燃油實際含硫量不匹配而中和過度（總堿度過高）,剩余的堿值主要成份是氫氧化鈣,與燃氣中的二氧化碳在高溫下生成碳酸鈣(俗稱石灰石),此物聚集在活塞項部和第一道活塞環(huán)處像磨刀石一樣很快把缸套表面的珩磨紋磨掉，此為“化學性鏡面”，二是活塞頂部過多的燃燒沉積物或不合適的活塞環(huán)將油膜破壞，此為“機械性鏡面”；e.從掃氣口進入氣缸的空氣含水量過高，比如掃氣溫度過低、空冷器氣液分離裝置失效或空冷器漏水等。

? 由于外部雜質引起的局部磨料磨損

產生磨料磨損的原因主要有：a.來自劣質燃油中的catalytic fines; b.由于其他磨損形式產生的鐵質材料進入缸套與活塞環(huán)之間；c.燃燒產物中的硬質顆粒；e.來自空氣中的雜質。

三、 導致異常磨損的主要因素分析

1. 氣缸油的問題

1）氣缸油牌號的選擇

船用氣缸油復合添加劑因生產廠家，生產原料及配方不同，使用性能會存在很大差異，對要求苛刻的氣缸潤滑尤為重要。氣缸油是由基礎油與添加劑組成。基礎油受提煉原油先天性質、煉制技術、廠家生產工藝等因素影響，使其在粘度指數、抗氧化性、穩(wěn)定性等方面受到限制，只能依靠添加劑來改善綜合性能。添加劑主要有清凈劑（清除高溫結膠和積碳）、抗氧化劑（阻止高溫下與氧反應而變質）、抗腐蝕添加劑（避免硫分與有機酸的腐蝕）、粘度指數改良劑（改良粘度特性）、抗磨損添加劑（通過化學反應產生保護膜修復^*接口潤滑狀態(tài)，防止金屬間直接摩擦）、堿性添加劑（中和酸性燃燒產物）、極壓添加劑（氯或磷等硫化物，發(fā)生接口潤滑時保護金屬表面防熔接或咬痕）等等。

注：^*接口潤滑，指高溫高壓狀態(tài)，金屬表面在高熱膨脹時，將油膜瞬間擠開而形成金屬表面間直接摩擦。

船東在選擇氣缸油時，最好使用市場上信譽良好的品牌，并根據服務通函要求給予船上正確的操作指導。

2）注油定時

理論上，注油定時在活塞上行時，第一道活塞環(huán)經過注油孔時，開始向缸內注油，查閱某輪主機MAN 6S50ME-B9.2SPAF軟件，設定注油定時是-71.5DEG.（指第一缸的定時是上止點前71.5DEG，根據發(fā)火順序可以推算到其他各缸的定時）；某輪主機MAN 6S60ME-C8.5SPAF軟件，設定注油定時是-66.7DEG.。實船注油定時檢查方法：

主機停車，將NO1缸的其中一只注油槍取出，正車盤車，當從注油孔觀察到第一道活塞環(huán)時，停止盤車，檢查此時飛輪刻度a⁰，a⁰-360⁰=b⁰，b⁰與ECS系統(tǒng)中SPAF文件中設定值相比較是否一致。例如，SPAF中設定值是-71.5⁰,那此時飛輪刻度應該是360⁰-71.5⁰=288.5⁰。

3）注油率

在為了追求低燃油消耗，主機降功率，增加了氣缸內水分與酸的形成，使得冷腐蝕增加；主機長期低負荷運行；SECA區(qū)域使用低硫油或餾分油（MGO），以上狀況在實船管理中使用的氣缸油注油率科學合理嗎？傳統(tǒng)的只依靠運行時間和基于掃氣口檢查的方法，可能不能適應以上特殊的工況要求。解讀MAN相關技術文件（sl2014-587），主機初期磨合的前500小時和ACC模式下確定合適的ACC factor相當重要。

0-500hour,根據時間如下步驟逐減氣缸注油率，但每次遞減都需要基于掃氣口的仔細檢查。

圖1：MAN推薦0-500h磨合注油率

ACC factor確定，理論上說，500hour后進入ACC(adaptable cylinder-oil control)模式，采用該模式的理念是盡可能將氣缸油控制在一個“不多不少”的安全范圍，既保證了氣缸油的功效又節(jié)約了成本。ACC模式下氣缸油的注油率=ACC factor*S%，S%含量可以從燃油的化驗報告中獲得，但ACC factor是要通過一定技術方法取得的。根據選用氣缸油BN值不同，廠家推薦的ACC factor是不同的，圖2是BN100在MK8以上的機型ACC范圍。圖中規(guī)定了最小注油率0.6g/kwh，只有當燃油含硫量達到一定值時（≥1.5S%m/m）進入ACC active

area，確定ACC factor才有意義。

圖2：MAN推薦主機功率版本MK8-8.1和最新機型使用BN100氣缸油的ACC范圍

確定ACC factor不是通過計算得出的，而是通過掃氣口檢查或活塞下部殘油取樣化驗分析Fe與BN成分決定的，圖3顯示了殘油化驗中BN與Fe含量合適的關系，BN≥10-25mgKOH/g; Fe≤200mg/kg。為了快速找到合適的ACC factor，可以通過sweep test程序得到不同注油率下殘油成分中的BN與Fe含量，通過圖表找到合適的ACC factor。

圖3：殘油成分化驗BN與Fe合適的比例

圖4：sweep test程序

殘油分析，可以送實驗室也可由船用化驗裝置進行。實驗室化驗數據相對全面，但是送樣困難，數據采集時間不及時。船上化驗主要數據采集分析及時，但設備費用較高。

筆者認為，電控型主機的新船配此設備還是值得的。

sweep test:如圖4，為了縮短找到合適ACC feed rate factor的周期，通過sweep test程序，測得不同注油率下各缸殘油的Fe/BN含量，從而找到合適的ACC factor。sweep test需要滿足一定條件，燃油的硫含量足夠高（2.8-3.5S%m/m），4-6天的穩(wěn)定負荷下運行，注油率分別從1.4，1.2，1.0，0.8，0.6g/kwh按每24h遞減，每個注油率下運行24h后分別取樣各缸掃氣口殘油化驗，需要取樣化驗的油樣還包括剛開始執(zhí)行sweep test程序時的殘油。sweep test 程序結束后，恢復到原先注油率下運行，直到化驗結果得到合適的 feed rate factor。

2.燃油的問題

劣質燃油的特點:高密度、高粘度、高硫含量、高殘?zhí)贾?、高瀝青含量、高灰分、高水分、高凝點、硅鋁（cat fines）含量超標、釩鈉含量高、穩(wěn)定性差等。其中高殘?zhí)贾?、高硅鋁、高瀝青含量容易造成燃油高壓油泵的柱塞與套筒偶件和油頭針閥偶件卡住。高灰分、硅鋁含量超標、其他硬質顆粒以及燃燒不良產物容易在缸套與活塞環(huán)之間形成磨料磨損，尤其是高硅鋁含量產生的磨損速度很快。高硫含量且氣缸供油量長期不匹配容易使缸套表面發(fā)生腐蝕磨損。高釩鈉含量容易引起高溫腐蝕。

關于catalyst fines ，見圖5，其主要成份是AL₂O₃+SIO₂，燃油提煉時使用的催化劑，ISO8217-2017允許標準是60mg/kg，柴油機廠家要求小于15mg/kg。一旦大量進入燃燒室會嵌入缸套表面，引起快速劇烈的磨料磨損，同時還會對油頭和油泵有磨損。據經歷過“硅鋁磨損”的同行介紹，當其含量達到一定標準后，24小時內就發(fā)生斷環(huán)和缸套快速磨損的嚴重后果。

圖5：高倍放大鏡下的cat fines顆粒

3. 燃燒不完善的問題

長時間超負荷運行：主機超負荷運行包括超熱負荷和機械負荷，下列情況可能會產生，如：船體被海生物嚴重污染后依然高負荷運行、惡劣海況航行、燃燒室部件密封不良引起高排溫、各缸負荷嚴重不均引起個別缸高負荷運行等。配有COCOS-EDS軟件的主機監(jiān)控系統(tǒng)，可以在主機負荷曲線界面觀察。
長期低負荷運行（經濟航速）：由于市場不景氣，船舶跑經濟航速已是司空見慣，主機長期部分負荷運行，勢必會產生燃燒不良、燃燒室及排氣系統(tǒng)積碳。如此，主機的日油耗量是減少了，但主機工況會漸漸變差，故障率提高，維護保養(yǎng)周期縮短。另外，主機長期部分負荷運行，要依據掃氣口檢查或活塞下部殘油化驗結果適當調整氣缸注油率。
長期燃燒不良或后燃：可以通過測量示功圖，結合主機的熱工參數分析判斷。
冷卻水系統(tǒng)：良好的缸套水冷卻，有如下指標，水質化驗指標正常、壓力正常、溫度正常等。對于沒有JBB或LDCL系統(tǒng)的缸套冷卻系統(tǒng)，冷卻水溫過低會加重低溫腐蝕，過高會破壞氣缸油油膜的形成。如果長期水質不良，使得缸套水腔壁結垢加重，久而久之會形成主機高溫冷卻水進出口溫差變大，引起燃燒室部件熱應力變大。
主機活塞下部正確放殘：目前的主機活塞下部放殘都設計成常開型的，實船管理中要定期確認放殘管是否暢通。

4. 設計與材質問題

活塞頂部與活塞環(huán)部分變形：這種現(xiàn)象容易發(fā)生在翻新的活塞頭，和熱負荷過大、斷環(huán)、積碳嚴重等引起的活塞環(huán)槽變形、損壞，當發(fā)生如此現(xiàn)象后，油膜無法形成。
活塞環(huán)與缸套材質匹配合適：活塞環(huán)的表面硬度應在HB180-250之間，且同一環(huán)的表面硬度差小于HB20，環(huán)的表面硬度應該略高于缸套表面硬度HB10-20，如果環(huán)的表面硬度太高，容易引起環(huán)與缸套的異常磨損。營運中，活塞環(huán)備件的來源十分重要，原則上要選用原廠備件，一旦某次使用的活塞環(huán)因為材質、加工工藝等質量問題而使缸套產生異常磨損，最終只能更換缸套才能徹底解決問題。
搭口、天地間隙：廠家關于環(huán)的搭口、天地間隙有推薦值，如果過分小于該值，運行中的活塞環(huán)沒有膨脹余地而產生對頂彎曲、或環(huán)在槽中咬死而損壞。建議新活塞環(huán)在安裝前，在缸套內做予安裝檢查，仔細檢查環(huán)在缸套內狀態(tài)，尤其是搭口倒角處是否存在對氣口有刮擦的可能。
氣缸油注油槽形狀：如果缸套氣缸油注油槽形狀是連續(xù)圓環(huán)（非波浪型）形狀，高溫下活塞環(huán)過油槽時，環(huán)的上下邊緣容易與油槽相擦，久而久之，缸套磨出臺階，活塞環(huán)損壞。此種注油槽形狀設計引發(fā)的故障引起了MAN廠家的重視，并在后期的產品中作了改進。

5. 實船管理中存在的問題

通過對照上文缸套磨損機理中的分析，引起缸套異常磨損的真正原因歸根結底大都來源于實船管理中存在的問題。這些問題，主要體現(xiàn)在管理者的管理理念，對新技術、廠家新要求掌握不足，憑老經驗操作，缺乏通過技術手段掌握可靠的數據支持，尤其在共軌式氣缸注油系統(tǒng)、燃油管理和電控型主機性能參數測量與調整方面等。

（未完待續(xù)）