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一
故障分析
1.低温腐蚀原理
国际航行船舶大多以价格低廉的重油为燃料油,重油中硫分达到3.5%左右,还包含钒、铁、钠、镍等微量元素。
含硫燃油燃烧时会生成SO?,其中部分SO?又进一步氧化生成SO?;钒和铁燃烧后生成V?O?和Fe?O?,其也是SO?氧化生成SO?的催化剂;氢燃烧后生成水蒸气,经增压后的新鲜空气也携带部分水蒸气。
SO?、SO?和水蒸气在温度降低到各自的露点(在缸内条件下,露点为160~180℃)以下时,就会分别凝结成H?SO?和H?SO?,严重腐蚀气缸套,使得气缸套内表面布满疏松的细小孔穴。
这种腐蚀称为低温腐蚀,又称为冷腐蚀,常发生在船舶低速二冲程柴油机气缸套内部。
2.低温腐蚀影响因素
只有当气缸套内表面温度低于酸的露点温度时才会形成H?SO?,进而发生低温腐蚀。
因此,低温腐蚀的决定性因素有气缸套内表面温度、气缸内压力、燃油硫分、水分、反应时间、废气中氧含量以及气缸套内表面润滑油油膜完整度和厚度、气缸套耐磨和耐腐蚀设计等。?
3.腐蚀部位
一般情况下,气缸套的上部和下部(扫气口处)低温腐蚀最严重,见图1。
图1低温腐蚀形成的黑色条状痕迹
气缸套下部温度最低,为H?SO?凝结提供有利条件;气缸套上部长时间处于高温高压环境,而润滑油油膜又较薄,隔离、中和硫酸的能力较低,虽然此处凝结的H?SO?很少,但活塞上行时会将气缸套下部生成的H?SO?带到上部,为腐蚀提供条件。
二
危害和应对措施
低温腐蚀将缩短气缸套、活塞环、活塞头和气缸盖等燃烧室部件的使用寿命,增大气缸套的故障率,缩短气缸套的维修周期,增大柴油机安全运行隐患,增加船舶所有人的运营成本。?
在燃油消耗经济性指标不降低的前提下,降低和减缓低温腐蚀的方法主要有:?
(1)降低燃油硫分或使用替代燃料;
(2)降低扫气空气中的含水量;?
(3)提高气缸套温度,降低水蒸气的析出量,抑制H?SO?和H?SO?的生成;?
(4)改善气缸润滑条件,利用碱性气缸油中和H?SO?和H?SO?。
使用低硫燃油或替代燃料均会增加运营成本,不能满足船舶所有人的需求。
笔者对后3条措施提出技术改进方案。
三
技术方案
(一)提高气缸套内表面温度
提高气缸套冷却水出水口温度,并调高缸套冷却水上限报警值(由85℃调整至90℃)。
1.MANB&W设计方案
(1)RDL缸套。
图2RDL缸套结构示意
改变缸套中冷却水套管管路布置(见图2),缩短缸套冷却水管路长度,降低换热量,提高缸套内表面温度。
实验证明,在柴油机低负荷时可使缸套上部(缸套顶部至0.3m处易腐蚀部位)温度提高30~35℃。
(2)LDCL冷却水系统。
根据柴油机的负荷情况,通过电控软件控制三通阀执行器,调节气缸套与气缸盖和排气阀冷却水管路上三通阀的开度,对2路冷却水量进行分配调节,提高柴油机低负荷时的缸套水的温度。
2.WinG&D设计方案
?(1)改进缸套冷却水系统。
通过可调节节流孔板的孔径控制缸套冷却水和缸盖、排气阀冷却水量。?
当柴油机低负荷时,降低缸套冷却水流量,提高缸套内表面温度。?
(2)缩短冷却水套长度。
将传统长冷却水套缩短30cm,减少气缸套的换热量。
实验证明,在柴油机低负荷时气缸套上部内表面温度最多可提高25℃。?
(二)改善缸套润滑条件
1.选择合适的气缸润滑油。
在气缸油中加入可有效抑制酸腐蚀的添加剂。
如埃克森美孚推出的BN100气缸油———Mobilgard5100,专门用于以HFO为燃料的二冲程船用柴油机,可有效抑制柴油机的低温腐蚀现象。
此外,可增配高低碱值气缸油混兑装置,根据柴油机的工况选择适当碱值的气缸油。
2.改进气缸润滑油喷射技术。
采用HJSIP阀气缸润滑系统,其由气缸油注油器和HJSIP阀组成。
利用柴油机扫气旋流的离心力,将HJSIP阀喷射出的气缸润滑油分布到气缸壁上;在活塞和活塞环未抵达前,在气缸套上部形成1层润滑油膜,改善缸套上部的润滑质量,非常适用于超长冲程柴油机。?
3.改进缸套设计。
在缸套上部增加1圈伞形储油槽并优化为折线形,在扫气口上部附近增加折线储油槽,以提高气缸壁润滑质量。?
(三)加强轮机管理
柴油机运转时降低扫气中的含水量,尤其是在高温高湿的区域航行时;同时注意扫气空冷器冷凝水的放残管理,定期检查空冷器后水雾分离器。
长期使用高硫分燃油的柴油机填料函残油样本的化验分析结果表明:?
填料函放残油碱值安全范围应>25mgKOH/g,警戒值约为15mgKOH/g,<10mgKOH/g时会导致过度腐蚀和活塞环、缸套的快速磨损。?
轮机员必须根据柴油机的设计工况和常用转速、燃油硫分、气缸油碱值和柴油机的实际运转情况,并综合考虑柴油机生产厂家推荐的注油率,确定最
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