【船机帮】主机燃烧室漏水故障分析及预防措施

导读

2016年8月XFH轮(主机型号: MAN B&W6S70MC)抵达巴西锚地抛锚，第二天工作人员对盘根箱进行常规的清洁和检查，发现3缸盘根箱内有积水，随即将该缸盘车至上止点做进一步检查，发现活塞头顶部上的凹处有积水，通过扫气口观察发现缸套内有水雾，缸套内壁有水滴，由于从扫气口不能确定具体的漏水部位，检查排气阀阀座上的检查孔也没有水流出，初步判断不是排气阀下部密封令的问题，于是取下排气阀整体，一方面安排人员对排气阀的冷却水腔进行压力试验，确认排气阀没有问题，同时安排人员通过缸头上的排气阀座孔进入到缸套内部检查，也没有发现明显的泄漏点。

接下来采取了缸头和缸套的水压试验(具体步骤见下文描述)，最终发现是缸头内壁反顶上的一个沙眼引起的漏水(如图1所示)，更换备用缸头解决了漏水问题。

图1 缸头内壁反顶

在船上经历过多次主机(低速二冲程柴油机)排气阀、气缸盖(俗称缸头)、缸套漏水问题，这个案例只是其中较特殊的一次，现将此类故障的形成原因、故障诊断和预防措施作如下分析总结。

一、故障成因分析

造成柴油机燃烧室部件漏水的原因有很多方面，包括设计，选材，制造质量，装配质量，合理维修，正确使用，翻新件加工工艺等等，本文只从日常管理和使用的角度进行分析，大体可归纳为以下几点:

1、燃烧室部件高温腐蚀

高温腐蚀是指在重油等燃料燃烧过程中，在钢或合金表面上沉积一层熔融的化合物膜(如NaSO₄、Na₂O、V₂O₅等)，由此引起的加速腐蚀。

高温腐蚀使气缸套、排气阀、气缸盖发生严重的破坏。

近年来，船舶柴油机大都使用粘度很高的标号为HFO380cst的重油，这些油料中含有很多的钒、硫、钠和碳粒子等有害成分。

同时重油燃烧后产生灰分。

由于灰分中的一些钒钠化合物熔点很低，附着在燃烧室部件表面，与高温硫化和高温氧化共同作用，使燃烧室表面的氧化膜被溶解，并使裸露的基体金属不断腐蚀而形成腐蚀麻点或凹坑(如图2和图3所示)。

图2 排气阀内部烟气通道

图3 缸头内壁反顶面

在实际工作中，我们经常会发现长期使用后的排气阀阀体烟面、气缸盖下表面、缸套内表面有很多麻点和凹坑，这些都是高温腐蚀引起的，当凹坑变得越来越深时，就会烧穿冷却水腔，从而造成燃烧室漏水。

2、气缸盖的疲劳破坏

柴油机气缸盖结构复杂，工作条件恶劣，容易产生疲劳裂纹，大体分为气缸盖底部裂纹和冷却面裂纹。

气缸盖底面与燃气直接接触，受高温高压燃气的反复作用。

气体压力使底面发生弯曲变形产生机械压应力，并随柴油机工作循环反复变化，从而引起高温疲劳破坏；同时缸盖底面在温差的作用下，其底面产生强烈的压缩热应力并产生塑性变形，冷却时可能产生残余拉应力。

由于长期的高温高压作用，材料的屈服极限和疲劳极限显著下降。

当残余拉应力超过材料的疲劳极限时，在应力的反复作用下，材料产生裂纹。

气缸盖冷却侧的裂纹是气体压力、热应力和腐蚀共同作用产生的。

当气缸内最大爆发压力作用在气缸盖触火面上时，触火面向上弯曲变形，同时在冷却面产生最大拉应力。

当冷却水腔圆角根部存在较大集中应力，或有铸造缺陷时，就会产生裂纹或使铸造裂纹扩展，裂纹沿周方面延伸，然后自冷却面向触火面逐渐扩展，最后裂穿漏水。

造成气缸盖裂纹产生的因素除了上述的热应力，机械应力和腐蚀以外，还有设计、结构、材料、工艺的原因。

就船舶条件来说，操作管理上的因素更是不可忽视。

柴油机高温下的急冷，冷态下急剧加热，或是缸套过热，都会使缸套产生很大的应力，比如冬季启动前未充分暖缸；频繁启动、停车；起动后急剧增加负荷，停车时过早的中断冷却水的循环，使机件散热不良或局部过热；另外喷油不正常，造成雾化不良、燃烧温度过高、长时间超负荷运转、冷却水腔结垢严重导致散热不好都会造成热应力过大而使缸盖产生裂纹。

3、缸套异常磨损原因

缸套的磨损主要来自活塞环与气缸套的相对运动与摩擦，缸套的磨损是不可避免的。

一般只要缸套的磨损量在允许范围之内(最大允许磨损量为0.4%-0.8%缸套内径)，柴油机的缸套就处于正常工作状态。

而对于镀铬缸套来说，正常的磨损率应小于0.01-0.03mm/kh。

一般来讲，导致缸套异常磨损的原因有以下几点:

1)燃油和燃烧质量。

燃油质量对气缸套磨损的影响主要取决于燃油中硫的含量。

近年来，由于含硫量较大的燃油的使用，以及采用经济航速节约能源的措施的实施，使得腐蚀磨损变得更加突出，含硫量高的燃油燃烧时生成较多的炭垢，加重磨粒磨损，同时燃烧状况变差，雾化不良，爆燃，使燃烧室部件承受更大的机械应力；

2)冷却水温的影响。

一般来说缸套冷却水温过低，缸壁温度低于H₂SO₄的露点，会使硫酸腐蚀加重；缸套冷却水温度过高，缸壁冷却不良，会导致缸套内壁气缸油氧化严重，炭垢增加，气缸油粘度下降，油膜容易破坏，导致粘着磨损；

3)润滑的管理。

对润滑油的管理、使用不当，如润滑油品质不良、碱值不当、油压不足、滑油变质不及时更换和气缸注油率不合适、滑油中混入机械杂质，都会引起缸套的异常磨损。

4、冷却水腔内部的穴蚀

穴蚀般发生在中、高速简形活塞式柴油机上，而我们讨论的柴油机为低速二冲程十字头式柴油机，正常情况下不发生穴蚀破坏，但是这里不得不提的是，一旦冷却腔室内进入空气(比如检修后冷却系统内部放气不彻底)，在缸套、缸盖和排气阀冷却腔室内部同样会发生的穴蚀，特别是在柴油机震动较大时穴蚀更为严重(如图4所示)。

图4 缸头冷却水腔

导致燃烧室部件漏水的原因还有很多，还有翻新件的加工工艺不合格，机器震动等等，这里不再赘述。

二、漏水部位的查找

主机燃烧室内部漏水大体可分为排气阀座下部密封令老化漏水;缸套裂纹漏水;气缸盖裂纹或是腐蚀沙眼漏水;排气阀烟气冲刷腐蚀引起冷却水腔漏水；四种情况。

实际工作中我们会发现不同部件漏水反映出的现象有所不同，针对此特点，可以按查找步骤的难易程度，一步一步进行故障点查找分析:

1、外观检查

将柴油机停下来，此时继续保持冷却水系统压力，将该缸活塞盘车到下止点，经过充分冷却后，人员进入扫气箱通过扫气口向上观察燃烧室内部确认漏水部位，若不能确认具体位置，最好能确定出是排气阀、气缸盖、缸套中的哪一个，以便维修。

通常我们从扫气口处观察，若水只是从缸套内壁流下，基本能确定是缸套裂纹的原因；若是有水雾从上面落下，可判断为缸头或排气阀漏水。

这种方法只是一种大体的部位判断。

2、对排气阀进行检查

排气阀座下部密封令老化引起漏水是比较常见的一种情况，这种原因引起的漏水，现象明显，查找步骤简单，具体方法是通过检查排气阀阀座顶部边缘处对称分布的两个检查孔来确定(如图5所示)。

图5 MAN&W6S70MC排气阀阀座示意图

如果检查孔有水流出或喷出说明是由于排气阀座下部密封令不密封，加之排气阀阀座与气缸盖接触的密封环带密封不严，在停机状态下,冷却水渗到燃烧室内，造成漏水。

这种情况在主机运转时，特别是机动用车时检查孔会有水涌出，同时伴有气泡冒出。

笔者所在公司的TFH、TLH主机(主机型号MAN B&W 6S70MC)就出现过这种问题。

若检查是否为排气阀本体漏水，拆下排气阀整体，检查排气阀内部烟气面是否有沙眼，冲刷沟槽等明显缺陷，最直接直观的办法是在烟面可疑处涂上干燥的粉笔末，自制盲板将排气阀阀体上的出水口封死，然后通过进水口将冷却腔室内充满水，用压缩空气加压进行水压试验，若有问题，漏水处粉笔末湿润，漏水点一目了然。

笔者曾用这种方法查出本公司XSH轮( 主机型号MAN B&W 6S80MCE)排气阀冷却水腔漏水部位。

3、缸套和气缸盖的检查

检查方法如下:

将该缸排气阀整体取下，取备用排气阀杆和阀座，将阀座上两道密封令装妥，用专用工具吊起排气阀杆(连同排气阀座)，放到汽缸盖上，盘车至上止点，将阀杆落到活塞头上，脱开天车与起吊工具的连接，移走天车，盘车至下至点，此时阀杆已随活塞头下降到气缸内部，阀座正常落到缸头上，为了防止水压试验室将排气阀座顶出，可以取四根长度合适的方木压住阀座，然后利用汽缸盖上的四根螺杆和螺帽抵住方木，再将气缸盖上的冷却水出口管用盲板封死，这样在只安装排气阀阀座的情况下，形成了缸套和气缸盖的密封冷却腔室，最后利用冷却水系统压力对缸套和气缸盖一起进行水压试验，启动暖缸泵，稍开高温水进口阀，对系统稍微建立一点水压就行，检查人员通过排气阀阀座中心孔进入缸套内观察确定漏水部位。

本文最前面提到的案例就是采取这种方法查出缸头水腔漏水的。

实践证明，在外观上无法判断渗水点的情况下，用这种方法比较直接有效。

燃烧室漏水，会出现高温膨胀水箱水位明显下降，伴有气泡冒出;高温水压力波动；主机单缸排烟温度明显低于各缸排烟温度的平均值的现象。

当主机完车后，管理人员应及时将各缸的扫气箱通至扫气箱放残柜的放残阀关闭，打开阀前的检查考克;在主机动车前进行盘车，冲车，通过示功考克观察。

以上检查措施能够有效地检查出燃烧室漏水，做到一旦有问题马上就被发现。

三、日常防控措施和注意事项

为了预防和降低船舶主机燃烧室漏水现象的发生，作为设备的管理者和使用者，日常管理中要注意以几点:

1)选用含钠、钒、硫及杂质较少的燃油，减少燃烧室部件高温腐蚀，避免缸套异常的磨屑磨损和粘着磨损；

2)根据燃油的含硫量，选用与之匹配的碱性汽缸油，调整合适的汽缸油注油率。利用停泊时间，经常检查气缸润滑情况，保证合适的汽缸油注油量，防止缸套异常磨损;

3)主管人员要按照要求定期对高温冷却水进行投药，化验，保证冷却水各个参数指标在规定范围内，这样既可以防止电化学腐蚀，又减弱空泡破灭时的冲击作用，降低穴蚀扩展速度，防止冷却腔室内部腐蚀;

4)避免缸套温度变化太快，特别是机动用车时，不可加减速过快;避免冬季启动前未充分暖缸;避免频繁启动、停车、起动后急剧增加负荷、停车时过早的中断冷却水，减小部件的热应力;

5)动车前保证足够的暖缸温度(一般在75-80℃ ), 380cst的燃油进机温度不低于125℃,防止动车时柴油机爆燃，机械敲缸，导致燃烧室部件机械负荷过大;

6)避免主机在临界转速区运行时间过长，造成主机震动过大，导致冷却腔室内产生气蚀；

7)检修过后，一定要对冷却水系统彻底放气，防止系统中存有气体，导致冷却水压力波动，产生气蚀;

8)充分利用吊缸机会，检查缸套内壁有无裂纹、划痕、异常磨损，测量相关数据，确认磨损程度不超限;检查汽缸盖内表面有无裂纹、沙眼、积碳;

9)排气阀定期检修时，重点检查排烟腔室有无冲刷痕迹、裂纹和烧蚀，必要时进行水压试验。

四、结束语

燃烧室漏水在船舶主机使用中经常会遇到，故障的发生是突然的，但是其形成却是长时间积累的。

作为设备的管理者，为了避免这类问题的发生，平时工作中需要注意工作细节和预防措施，同时要在问题发生的第一时间查漏，灭漏，用最短的时间解决问题。