中速柴油机高压油泵柱塞穴蚀故障分析

“HAI JIU 111”号救助拖轮两台主机选用瓦锡兰公司生产的W9L32型中速柴油机。 

在某次主机大修的过程中，两台主机的18 个高压油泵均出现柱塞头部穴蚀严重的现象。

经过分析、查找，穴蚀故障是由于燃油进机温度过高造成的。

通过对该故障的分析，提出合理化的管理建议，防止类似故障发生。

“HAI JIU 111”号救助拖轮主要执行海上应 急救援抢险任务。

该型救助船主推进系统由2套独立的瓦锡兰 W9L32中速柴油机、齿轮箱、离合器、传动轴系及可变螺距螺旋桨等组成。

每台主机通过增速齿轮和离合器带动轴带发电机和大功率对外消防泵。

救助拖轮的任务特点是平时海上抛锚待命，遇到救助任务需在短时间内备车起锚赶往事发现场。

为适应救助船的任务特点，主机燃油使用国产0# 柴油。

瓦锡兰 W9L32 型柴油机的高压油泵具有一 套根据发动机负载和转速增减燃油供给量的调节机构，如图1所示。 

图 1 高压油泵结构图

1、2、13、23-螺栓；3-顶盖；4、29-销；5- 防穴蚀螺栓；6- 控制套筒；7-弹簧板；8、16、18-弹簧；9-弹簧座；10-定位环；11-卡环；12- 密封环；14-法 兰；15-推杆；17-弹簧盘；19- 螺栓 / 销；20-顶柱；21-锁紧板；22- 套筒；24-调节螺钉；25-柱塞；26- 柱塞套筒；27-齿条；28-主供油阀 / 弹簧；30-稳压阀 / 弹簧；31-螺母；32- 密封环、支撑环；33-定位环；34-导向销；35-导向塞

油泵通过齿条 27 连接到由调速器控制的控 制轴上。

柱塞 25 在滚轮和推杆 15 推动下上行， 在弹簧 8 作用下下行。

柱塞以预定的冲程在套筒 26 中往复运动，向喷油器输送高压燃油。

柱塞的侧面有一条螺旋槽（回油槽）。

通过调节柱塞螺旋槽相对于回油口的位置，柱塞可以控制喷射量。

当柱塞处于最低位置即下死点时，燃油经进 油口进入柱塞偶件的油腔。

凸轮轴旋转通过推杆推动柱塞上行，当柱塞上缘正好完全盖住低压油口时，燃油加压开始。

随着柱塞继续上行至柱塞的螺旋槽与低压油口相连时，高压燃油经螺旋槽与低压油相通，供油过程完成。 

根据发动机的负载，通过转动柱塞来增加或 减少喷入的燃油量。

燃油齿条连接到调速器的调节机构。

如果移动了油泵齿条，与油泵齿条啮合的控制套筒 6 会随之转动。

由于控制套筒作用于柱塞上，柱塞会随着控制套管一起转动，从而有效冲程将发生变化，喷射的燃油量会相应增加或减少。

主供油阀 28 和恒压阀 30 位于油泵顶盖中。 

顶盖中的主供油阀 28 起到将高压燃油排到高压油管的作用。

柱塞压缩燃油至高压，迫使主供油阀 28 打开。

一旦柱塞的有效冲程结束，出油阀就会由弹簧带回到初始位置并阻挡燃油通道，从而防止燃油的逆流。

有效冲程结束后，燃油从高压喷射孔经稳压阀 30 流回以便瞬间降低主供油阀 28 和喷嘴之间的剩余压力，此过程保持各喷油管路间恒定的压力。

该型高压油泵为终点调节式回油孔调节喷油 泵。 

1.穴蚀的机理

回油开始瞬间，回油孔开度较小，高压燃油 节流，流速急剧变快。

而且油流与回油流道脱离形成涡流，压力急剧降低，形成低压区，部分油液汽化生成气泡。 

随着燃油回流，回油孔开度又变大，燃油流 速降低，压力升高。

原先汽化生成的小气泡被挤压破灭，在回油孔对应的柱塞表面形成高度真空。 

旁边的燃油高速冲击在柱塞表面，形成穴蚀。

回油孔对应的柱塞表面正是斜槽的上方，因此穴蚀位置多发生在斜槽的上方。

而且在常用负荷时与回油孔相对的柱塞表面处最严重, 使柱塞表面的金属受到破坏，外形尺寸发生改变，柴油机性能下降，甚至柱塞损坏。 

2.影响柱塞偶件穴蚀的主要因素

(1)喷油器喷油压力。

喷油压力越高，停止喷油时产生的回油动能越大，产生震动、穴蚀危害越大。 

(2)燃油卸载速度。

对流动穴蚀，穴蚀破坏强度正比于燃油卸载速度。 

(3)材料特性及表面状态。 

(4)燃油品种和使用温度。

不同品种的燃油在不同的温度下，其蒸发压力、粘度和表面张力各不相同。

在较高的燃油温度下，穴蚀破坏程度增加，这是由于在较高温度下，燃油粘度和表面张力的因素随温度升高而降低，使气泡破裂速 度加快。

由于粘度计位置与燃油进机温度传感器位 置间有较长管路，存在 5-10℃温度差，即粘度计处温度比进机温度低5-10℃，使得测量粘度值高于实际值。

如果将粘度计设定为进机温度55℃、对应黏度2CST，而此时实际进机燃油温度高于 55℃，燃油粘度低于 2CST，超出了说明书最低要求的 2CST。

燃油进机温度越高，粘度和表面张力越低，对应的饱和压力越低，越容易汽化产生气泡，导致穴蚀。

同时油温越高气泡破裂速度加快，穴蚀加剧。

另一方面，燃油粘度太低，导致柱塞与套筒之间的润滑不良，进一步加剧柱塞与套筒之间的磨损破坏。 

由此可见，正是燃油回油冷却效果不良导致 了燃油进机温度高，从而使燃油进机粘度接近甚至低于 2CST，导致了高压油泵柱塞偶件异常穴蚀损坏。 

为了进一步验证油温不当因素，维修人员对 回油冷却器及管路进行了解体、清洁，发现中央冷却海水管至燃油回油冷却器支管处大量结垢。 

管路疏通清洁后，当柴油机60%负荷时，燃油进机温度最高40℃；对应海水温度最高 21℃，燃油粘度约3CST，远离下限。

分别经三个月和六个月运转后，拆检高压油泵，换新后的柱塞偶件未见异常穴蚀，问题得以解决。

为了避免同系列船舶柴油机高压油泵柱塞偶 件出现类似穴蚀问题，需要着重加强主机燃油供给系统的管理。

1.当主机完车后，要关闭回油冷却器冷却 海水进口阀门，避免常年海水冲刷腐蚀，影响冷却器使用寿命。

2.当冬季使用轻柴油且进机温度较低时， 建议关闭回油冷却器的冷却海水，停止冷却器工作。 

3.当使用燃料油时，不需要进行回油冷却， 应当关闭冷却海水阀门，同时放出冷却器中的海水，避免高温结盐。

4.做好回油冷却器的定期清洗工作。

定期检查冷却器端盖上的牺牲阳极锌块的腐蚀消耗情况并及时更换。 

5.对于主机燃用柴油的船舶，应特别关注 柴油进机温度和粘度。

按照柴油机使用要求，燃油进机前的最低运动粘度不低于2 CST。

因此，当海水温度较高时，务必更加关注柴油进机温度，确保对回油进行有效冷却，保持进机温度高不超过 45℃。

另外，温度升高，粘度降低，主机的柱塞偶件磨损增加，漏泄严重；

在低速轻负荷运转时，喷油器雾化不好，容易冒黑烟或单缸不发火，严重时会导致主机启动困难。

因此要重视回油冷却效果的检查，发现柴油温度升高时，要及时采取措施。 

6.对于在东海、南海值班作业的救助船舶， 由于夏季海水温度较高，达到 28 摄氏度以上，建议燃用粘度较高的重柴油如20# 重柴油，这样既经济，又可以更好避免高压油泵柱塞故障。 

7.日用油柜中的水分、杂质，管理人员应 坚持每班放残，必要时用分油机分离处理，确保喷油系统用油安全。

救助船舶担负着海上应急抢险救灾使命，责 任重大，不容有失。

海上救助工作具有突发性、工作现场不确定性、海况恶劣复杂等特点，因此确保主推进柴油机正常工作尤为重要。

高压油泵是柴油机的关键部件，一旦出现柱塞偶件损坏的情况，必然严重影响柴油机正常工作，进而影响救助任务的实施甚至是船舶的安全。

轮机人员应该认真总结经验教训，加强柴油机的维护管理，加强燃油系统的管理。

END