【船机帮】某轮主机缸套频繁发生裂纹损坏的原因分析

船机故障心莫慌，遇事不决船机帮

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导读

主机是船舶的主推进装置，对船舶安全营运起着至关重要的作用。

因此，轮机管理人员对主机正确有效地管理是保障主机正常工作的基础。

如果管理不到位，就会发生事故，影响船舶安全。

本文就某25年船龄的主机缸套频繁发生裂纹损毁的事故原因进行了分析，其中一些管理上的注意点，可供同行参考。

主机参数：主机型号 SULZER6RTA58；额定功率5880kW；

额定转速98r／min。

一

损坏经过

某轮近两年来主机缸套裂纹问题经常发生，特别是2011年年初更是频繁。

2011年3月15日，该轮在巴拿马运河锚地船员换班，上船接班船员打开主机盘更箱道门检查，发现主机NO.1缸缸套和NO.6缸缸套均裂纹漏水，NO.6缸的活塞裙也裂纹漏水。

在巴拿马运河锚地公司安排供船1只新缸套，由于随时都可能安排过河，故决定等过完河后再吊缸更换。

3月19日1400LT该轮过河后停车漂航，对主机NO.1、NO.6 缸吊缸。

主机NO.1缸换上新缸套，NO.6缸换上以前在墨西哥送岸焊补的旧缸套 (无新缸套了)，NO.6 缸活塞裙换新，工作至20日1400LT完工并恢复正常航行。

3月21日发现主机淡水压力波动，停车检查发现NO.6缸缸套再次裂纹漏水，船上将 NO.6缸封缸运行。

25日1000LT靠毕美国EVERDLADES港。

公司紧急空运1只新缸套换在NO.6缸上，3月28日0400LT自美国开航前往德国。

4月5日再一次发现NO.6缸缸套裂纹漏水，由于船上无新缸套，根据公司指示，继续采取NO.6缸封缸运行。

4月9日发现 NO.3缸缸套也裂纹漏水，因无缸套替换只能继续航行。

4月16日1800LT抵达目的港，经过吊缸检查，发现NO.1、NO.2、NO.3和NO.6共4只缸套全部裂纹损坏。

这样，在短短1个月的时间里共发生7只缸套裂纹损坏，其中NO.6 缸3只次(有1只是经焊补的旧缸套)。

二

原因分析

检查发生裂纹损坏的缸套，裂纹几乎都发生在缸套燃烧室区域的触火面，这个区域的缸套壁，承受着强大的机械负荷、热负荷和热应力。

缸套发生裂纹就是在这些负荷和应力的作用下产生的。

下面分析一下缸套的受力对产生裂纹的影响。

1.机械负荷 

该负荷由缸盖的安装预紧力产生的安装应力和高压气体产生的机械应力组成，缸盖的上紧螺母是按说明书要求液压上紧的，且操作无误，故前者不予考虑，后者是随气体压力而脉动，是高频应力，它的大小与缸内的爆炸压力成正比，它在缸套内表面产生切向应力和径向应力，切向应力为拉应力、径向应力为压应力，如果主机超负荷运转或由于 “冷爆”， 爆炸压力产生的切向拉应力超过了材料的屈服极限 (材料一般抗压不抗拉 )，就会发生裂纹，所以超负荷的机械应力是造成缸套裂纹的重要原因之一。

2.热负荷

主机在正常运转中，循环喷油量是不变的，热负荷基本上是恒定的，如果由于某种原因使冷却水温度提高或冷却水量不足，使缸套的内表面温度提高，就会使材料的机械强度降低，且容易发生裂纹。

该轮主机NO.6缸由于冷却水导套的进水孔被部分堵塞，造成冷却水量减少，温度提高 (NO.6缸冷却水进口管在进口总管的尽头，以前多次缸套裂纹冲刷下的锈渣、泥渣容易在此聚集)。

所以热负荷过高是造成NO.6缸缸套频繁发生裂纹的原因之一。

3.热应力

由温差作用形成的应力称为热应力。

主机工作中，缸套内表面受燃气加热、外部被水冷却，在缸套内、外表面间产生温差，这个温差造成了缸套内、外表面产生了径向热应力，它与缸套内、外表面的温差成正比，缸套的内表面因膨胀受到外表面的阻碍而产生压应力，外表面因受到内表面的拉伸作用而产生拉应力。

主机在启动、停车或变工况运行时，缸套内的温度发生动态变化，它与主机加、减负荷速度和启停次数有关。

负荷加、减越快，缸套内外温差越大，产生的热应力越大，该轮由于暖缸加热器太小和暖缸时间的影响，往往在开航时冷却水温度很低，如赶上引水要车加速很急，缸套内外温差很大，热应力会大大增加，容易引起材料在短期内产生“热疲劳” 而发生裂纹(热疲劳是指材料在交变的热应力下产生的疲劳现象，热疲劳产生的裂纹一般在材料的触火面产生并发展)；

另外，如果由于个别缸或整机超负荷、活塞令窜气或油头雾化不良使局部过热，都会加速热疲劳损坏的出现；

再有，柴油机运行中，缸套内表面还承受着 由周期变化的燃气高温产生的高频热应力，变化周期与柴油机工作循环的变化周期相同。

4.缸套的材料和质量

在高温下材料强度会降低，检查该轮主机的热工报表，近1年多来，主机排烟温度长期偏高，经常在400℃以上。

使热负荷过高，材料强度降低，加速了缸套裂纹的发生。

主机运转中缸套的燃烧室区域承受的机械应力和热应力，有高频的也有低频的，这些应力相互叠加、交变，超过了材料的强度，而产生裂纹损坏。

从理论上讲，缸套受到的瞬时最大热应力与缸套的厚度、材料的膨胀系数成正比，与材料的导热系数成反比，而且缸套在铸造过程中还不可避免的存在着铸造应力，缸套铸造质量好、热处理得当，铸造应力就小，反之就大。

所以，缸套本身的材料和铸造质量也是缸套是否容易发生裂纹的重要因素。

综上分析，该轮主机缸套频繁发生裂纹损坏 (特别是NO.6缸)的原因归纳起来有如下几点。

1)启动时暖缸不足，缸套水温度太低。

这一方面造成缸内温度太低，频繁发生“冷爆”，大大增加了机械应力；

另一方面造成内、外温差过大，产生过大的热应力；

2)NO.6缸冷却水进口部分堵塞造成冷却不足。

该轮主机缸套冷却水的走向是这样的：

气缸套与气缸体之间设有冷却水导套，它与缸套之间形成宽度大约20mm的环形冷却水空间，冷却水从导水环下部均匀分布的16个直径25mm的孔进入，从下向上冷却缸套的中部 (气口以上、燃烧室以下)，被初步加热的冷却水通过缸套凸肩上的32个冷却水钻孔冷却缸套的上部(燃烧室区域)，然后通过缸套顶部的32个钻孔进入气缸盖。

缸套的凸肩部分做得又高又厚，钻孔是倾斜的，离触火面很近 (最近处约20mm)，这种设计从理论上实现了“薄壁强背”结构，以降低机械应力和热应力。

但其冷却方式在实际应用中缸套发生在这个区域的裂纹的情况很多。

对NO.6缸进行吊缸检查时发现，水导环下部的16个孔被锈渣及泥渣堵死了6个，该缸的冷却水量减少，气缸内壁的温度升高，材料的强度降低；

3)各缸冷却淡水出口的节流盲板没有装。

冷却淡水出口的节流盲板节流孔直径均为25mm，而各缸没有装节流盲板时出口节流孔径约为40mm，这样就加快了冷却的速度，使内外温差加大，增加了热应力；

4)缸套的质量问题。

为了降低成本，近年来订购使用的主机缸套都是非瓦锡兰原厂的产品。

检查中发现非原厂产品冷却钻孔内绝缘管(为了削弱冷却效果、减少热应力而在钻孔内安装的一种合成材料的管)的长度比原厂的短约为100～150mm，缺少的部分是在缸套的顶部，这样在缸套燃烧室上部区域的冷却效果就加强了，且增大了热应力 (缸套的裂纹都出现在这个区域)；

另外，非原厂产品在材料质量、铸造质量、热处理等方面与原厂产品相比还有一定差距 ，造成缸套的质量下降，容易产生裂纹。

在这次缸套裂纹故障中，上述原因中的2)、4) 两条是造成NO.6缸缸套频繁产生裂纹的主要原因，这一次共有4只缸套发生裂纹损坏；其它缸除了1)、3)、4)条原因外，还受 NO.6缸的影响，因该缸发生裂纹后，高压燃气窜到冷却水系统中，影响了其它缸的冷却，使热应力大大增加了而产生裂纹。

三

船岸在管理中须注意的事项

各船公司订购主机缸套时，尽量订购原厂产品；更换容量大的主机蒸汽暖缸加热器或换 一个电加热器；重点是加强主机的运行管理，注意事项如下：

1)主机进行检修后，尽可能早的进行暖缸提高暖缸温度，最好能使淡水温度达60℃以上。

航行中保持淡水温度在说明书要求的上限，进出水温差也应符合说明书要求。

调整各缸冷却水出口温度在88℃左右，不要超过90℃；

2)冷却水系统按规定化验、及时投药处理、定期检查疏通冷却系统；

3)冷却水进主机总管尽头处盲板法兰，每年拆开检查一次内部是否有泥渣并清除；

4)每次吊缸更换活塞令或缸套后，主机都要进行“磨合”，要尽量根据说明书提供的磨合时间和气缸油注油量进行。

加大气缸油决不能用总调的方法，要进行单缸调节。

减小注油量时要逐步减小，绝不能一次减到位；

5)勤测量主机手拉示功图，测量压缩压力 和爆炸压力，以判断缸内工作情况；

6)对“VIT”机构的调整，按说明书要求，机动用车时，VIT手柄放在“0”处、正常航行时放在“2”处。

这样做是为了机动用车时用轻油，启动时缸内工作不“粗暴”，正常航行时提高效率；

7)要经常通过扫气口检查活塞令和环槽的状况，发现断令，及时吊缸更换，换新活塞令时，不要将活塞令搭口处磨削太多、范围太大，那样会影响搭口处的气密，从而增加断令的危险；

8)保障主机燃油喷射系统及换气系统的正常。

如：保障喷油器的雾化质量、缩短油头的解体保养时间，每一个长航次或长时间低速航行后，都要检查油头的雾化质量；

9)废气炉航行中经常吹灰，抵港应视情水洗烟面。

加强锅炉吹灰和主机空冷器的化学清洗，按时冲洗透平，保证换气道的畅通；

10)加强盘根箱放残，航行中要保障每班至少两次放残，并视情况清通放残总管，保障放残管路的通畅。

注意检查放残管路上的一个节流孔，此孔很容易堵塞，因此要勤检查清通；

11)尽量提高燃油进机温度至125℃，现在进机温度只有105—110℃(使用两台加热器 ，蒸汽阀全开才加热到此温度)，在合适港 口将加热器拆下化学清洗，目前可利用提高分油机分离温度来提高日用柜的温度，尽量提高燃油进机温度；

12)吊缸时要解体活塞，检查清洁活塞内部的钻空，以提高活塞的冷却，避免表面高温；

13)及时清洁扫气道，检查口琴阀。

加强扫气道的放残，避免燃烧产物被扫气空气吹到缸壁上造成异常磨损；

14)定期检查测量汽缸油的注油定时，调整好汽缸油耗油量；

15)与驾驶台加强联系，机动用车时加速不要太快，避免缸套热应力过大。

本文原创作者系：

中远散货运输有限公司   张长洷