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摘要：本文主要针对渔船用柴油机缸套的穴蚀成因及影响因素展开了探讨，详细阐述了柴油机缸套的形成原因，并从主要部件结构、冷却水系统及柴油机工况三个方面对穴蚀的影响作了系统分析，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：渔船用柴油机；缸套；穴蚀
0 引言
所谓的穴蚀，主要是指在工程机械上因为长久的工程使用，造成机械上的外层脱落而形成的，形成的麻点状和针状小孔的小洞。在渔船用柴油机的缸套上，穴蚀的问题特别突出，并严重影响着柴油机的使用。基于此，本文就渔船用柴油机缸套的穴蚀成因及影响因素进行了探讨，相信对解决缸套穴蚀的问题能有一定的帮助。
1 柴油机缸套穴蚀的形成
局部聚集的蜂窝状的孔穴和麻点导致渔船柴油机缸套穴蚀的形成。柴油机缸套穴蚀的共同特点是：穴蚀均是最早聚集出现在连杆运动的平面内，并且多发生在侧推力较大的一边。其一般特征是：穴蚀常发生在水套狭窄区，缸体与缸套穴蚀面对应部位也常发生穴蚀，但缸体的穴蚀较轻；穴蚀发生在缸套上、下定位止口，特别是上止口与缸体定位凸台配合处。
穴蚀随着柴油机的结构和强化程度不同而不同，一般随柴油机强化程度的提高而趋严重。如渔船上常用作主机的6160A-1（99.2kW）型机穴蚀现象很少，而6160A-17（202kW）、X6160ZC（220kW）型机强化后，穴蚀问题就较多。机体材料质量低劣，加工表面粗糙，穴蚀的发生机率会提高并更趋严重。
穴蚀的发生大大缩短了渔船柴油机的使用寿命，每到一个大修期甚至每年“三修”时都要更换一组新缸套，虽然有别的因素，但穴蚀不可轻视。渔船柴油机缸套的穴蚀一般由“空泡腐蚀”、“电化学腐蚀”和其他腐蚀综合引起。
1.1 空泡腐蚀
空泡腐蚀是由于在气缸内压力的循环变化和活塞侧推力作用下引起缸套的弹性变形和高频振动而产生的。特别是现在渔船上使用筒状活塞式柴油机，如果是闭式循环冷却则更为严重，缸套的高频振动对冷却水产生不断交替的拉伸和压缩。当活塞侧推力方向改变时，活塞对缸壁产生撞击，引起缸套横向振动。当缸套振动加速度达到某一临界值（大于25g，g为重力加速度）时，冷却水受到拉伸，水的连续性遭到破坏，由于水的内聚力小于附着力，使紧贴缸壁的那部分水层被振离缸壁，仅剩一薄层水膜贴附缸壁。水膜与大部分水层间形成局部瞬时真空，在水中便出现含有蒸汽的“空泡”，与此同时冷却水瞬时受热气化也在水中出现“空泡”；再者就是缸壁振动加速度很大时，导致冷却水的运动跟不上，甚至连水膜也难附于缸壁而被弹离缸壁表面，至使缸套外壁面附近的水域会出现局部的真空，使蒸汽产生“空泡”。冷却水在流动中，由于方向和速度的变化，引起压力的变化。当压力低于饱和压力时，冷却水受到压缩，“空泡”也受到压缩，“空泡”内水蒸汽迅速液化而使空泡破灭，空泡周围的水迅速冲向空间，产生强烈的冲击波，作用在缸壁表面上。这个冲击力虽然作用时间和作用空间很小，但它是连续反复地产生和作用在缸壁的极小面积上，碾、挤压金属，使金属产生塑性变形及疲劳损坏，气缸壁金属表面将不断剥落，形成孔穴。因此为了防止穴蚀，有些渔船在机体水道靠近缸套附近安装防腐锌块；有些即在管系进水口处安装锌块；也有的则在缸体和缸套与水接触的壁面上镀防腐金属、涂树脂薄膜，进行离子轰击。
1.2 电化学腐蚀
当缸套外部被水冷却时，在闭式冷却的柴油机中，淡水是弱电解质溶液，而开式冷却的柴油机，海水直接冷却柴油机，海水是强电解质溶液。缸套材料多为铸铁和合金铸铁，它们是多相合金，各相的电位不同，这样就构成了许许多多的微电池，例如铁（Fe）和碳化铁（Fe3C）比较，碳化铁比铁更不易失去电子、电位较高，因而，铁成为阳极，碳化铁成阴极，在冷却水中进行如下反应：
析氧反应：Fe上：2Fe—4错误！未找到引用源。→Fe++ 进入冷却水中
Fe3C上：O2+4错误！未找到引用源。-+2H2O→4OH-
析氢反应：Fe上：Fe—2 -→F++ 进入冷却水中
Fe3C上：2H++2错误！未找到引用源。→2H→H2↑
即在阳极上，铁成为离子进入冷却水中，铁被腐蚀。
电化学腐蚀的强度不仅与冷却水中氢和氧的浓度有关，而且还与温度、机械应力和热应力有关。应力较大处，金属因能量高变得活泼，容易被腐蚀；而温度高，电化学腐蚀反应速度加快。例如：在电解质冷却水中，缸套外圆的棱角和沟槽处因应力集中，温度高而成为阳极区，应力较小的邻近区域则成为阴极区，这样就形成电化学腐蚀。此外，冷却水中溶解有氧气，在缸套表面的穴窝处和缸套与缸体之间，因水流不通、温度较高、含氧量少，这样冷却水因含氧的浓度不同形成氧浓差电池，氧浓度高的部位电位高，形成阳极，金属遭受腐蚀。死水区周围的腐蚀就是属于这种腐蚀，还有由于空泡腐蚀产生的冲击波，铁原子内部的电子活泼，使该处铁原子较其它处易失去电子而被腐蚀。
1.3 其它腐蚀
除了上述腐蚀外，还有化学腐蚀、热化学腐蚀和冲刷腐蚀等。冷却水中含有硫化氢（H2S）、氧气（O2）、二氧化硫（SO2）、三氧化碳（CO3）等气体。而燃油中含有硫（S），燃烧产物中含有二氧化硫（SO2），进一步氧化成为三氧化硫（SO3），当燃气中的水蒸汽达到露点时，就会与三氧化硫（SO3）合成硫酸（H2SO4）。这些物质都会和缸套金属发生化学反应，使金属发生化学腐蚀。有关试验证实，温度升高10℃，化学反应速度提高2～4倍。穴蚀处因受冲击波作用，局部会有较大的温升，故该处的金属与上述气体的反应比其它处快，化学腐蚀也较激烈。铁在高温下的氧化过程是一种复杂的热化学过程，氧不仅与铁反应生成化合物，并且氧原子与铁原子还经过多相扩散层而进行不断地扩散。氧化层大体由三种氧化物构成：三氧化二铁（Fe2O3）、四氧化三铁（Fe3O4）、氧化亚铁。一般而言，氧化亚铁中氧原子不满定额，其晶格不完整，氧原子与铁原子较易扩散，温度越高，热化学过程中的氧化亚铁就越多，氧原子和铁原子就越易扩散。因此，在缸套表面穴蚀处因受冲击波作用局部温度升高，增加了该处氧原子和铁原子的活力；同时也增加了氧化亚铁量，使该处化学腐蚀加剧。在缸套外侧流动着的冷却水易将其表面的腐蚀产物层冲刷掉，使得缸套金属表面再受腐蚀，如此重复，就造成冲刷腐蚀。显然，冷却水流速越大，冲刷腐蚀就越严重。
对于不同型号的柴油机，上述各种腐蚀对缸套的影响作用不尽相同。一般来说，空泡腐蚀使缸套疲劳，电化学腐蚀和其他腐蚀使缸套腐蚀损坏，它们之间既有区别也有联系，既相互影响又相互促进。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆如空泡腐蚀产生的冲击波使电化学腐蚀和其他腐蚀加快，已被电化学腐蚀或被其他腐蚀的部分更容易被空泡腐蚀的冲击波冲击剥落，最终结果，使缸套损坏速度加快。
2 柴油机主要部件结构对穴蚀的影响
综上所述，空泡腐蚀是由于缸套高频振动而产生的，其振动强度不仅与柴油机的转速、燃烧式的形状、结构、燃烧的完善、气缸内的燃气压力、以及负荷的大小有关，而且还与活塞组件的重量、活塞与缸套配合热态间隙的接触面积、重力加速度及缸套的组成材料有关。
2.1 活塞结构的影响
活塞的长短对缸套的振动有较大影响，适当增加活塞的长度，可以减少其在缸套中的倾斜量，增大与缸套的接触面积，并且对缸套的振动起衰减作用，能减轻缸套的弹性变形，降低缸套的振动频率。但是，增加了活塞的长度，也就是增加了活塞的重量及其产生的惯性力。显然，这对于目前渔船上普遍使用的高速柴油机是不适合的，因此，活塞的长度要适当。另外，活塞上下两部分的重量分配对缸套的振动也有影响。当活塞长度一定时，活塞销轴上、下两部分的分配不当，如头重裙轻，将会使活塞在换向时摆动力矩增加，从而增加活塞对缸套的撞击力，加重缸套的振动，严重时甚至拉缸。活塞销轴线相对活塞中心线的偏移量值大小对缸套振动同样有较大影响。有关资料表明，活塞销轴线相对于活塞中心线向最大侧推力方向偏移适当的量，会改变侧推力的大小，可以有效地减轻活塞在膨胀冲程内换向时冲击力的急剧变化。
2.2 缸套结构的影响
从减轻穴蚀角度出发，要求减小缸套在工作中的振动强度，一个有效简单的办法就是增加缸套的厚度。虽然缸套厚度的增加伴随着其自振频率增高，但缸套刚度增大的效能更大，其结果是振动强度随缸套壁厚的增大而明显下降。但缸壁过厚，不但增加本身的重量，也使机体笨重，散热效果不佳，从而导致热负荷过大，材料的机械性能下降等。所以一般推荐缸套壁厚为0.06D（D为气缸直径）为宜。
2.3 活塞与缸套配合间隙的影响
活塞与缸套间存在间隙，活塞在横摆时带有冲击性。活塞冲击缸套的能量是由活塞横摆时在横向产生的速度和自身重量决定的，这里速度是个变量。所以，间隙越大，缸套所受活塞的冲击也越大，振动也就越大，发生穴蚀也就越严重。因此，在日常管理中，一定要注意活塞与缸套的配合间隙。在检修时，除了测量活塞与缸套的间隙外，还要测量缸套的椭圆度和锥度、活塞环的弹性和质量。在柴油机说明书允许的间隙内，尽可能缩小活塞与缸套的配合间隙以降低缸套振动强度。
2.4 缸套支承形式和止口配合间隙的影响
目前，渔船中所用的中、小型柴油机（如6160、6170、6135等型）的缸套一般都是悬挂在机体中，其支承一般都是上部有凸肩及导向的凸缘，而下部是一道第二支承凸缘。两支承的跨距越大，缸套的振动也越大，跨距越小，振动也越小。但如果跨距太小则影响冷却水的流量；还有上下止口处的配合间隙过小或过大都不利于减轻穴蚀。因此在安装缸套时，一般取配合间隙尽可能小，前提是不能使缸套严重失圆变形，其值要比缸套产生的振幅值小，这样有利于减小缸套的振动和空泡腐蚀。
3 冷却水系统对穴蚀的影响
柴油机作渔船主机时冷却水系统影响缸套的穴蚀因素包括：冷却水温度、冷却方式、冷却水路结构和布置以及冷却水的水质等，但影响程度并不相同。
3.1 冷却水温度的影响
柴油机冷却水的温度与穴蚀程度有密切关系，每一种柴油机均有一对应的最易产生穴蚀的临界温度，资料表明，这一温度一般为40～60℃，冷却水在这个温度以下时，穴蚀随水温的升高而趋严重，超过这个温度时，穴蚀将会减轻。但冷却水的温度不能太高，太高（如接近100℃），缸壁处过多的“蒸汽泡”将严重影响热量的传递，柴油机的热负载增加、热应力增大、工作粗暴、机件使用寿命下降；冷却水温度也不能过低，过低会引起燃烧不良、燃烧室内积炭、磨损加剧、耗油率增加、柴油机发不出额定的功率等不良后果。
3.2 冷却方式的影响
船用柴油机的冷却方式分为开式冷却系统和闭式冷却系统两种。渔船一般以开式冷却较多。开式冷却系统直接用海水来冷却柴油机，为避免海水中盐类物质受热沉淀结垢，冷却水的温度要保持在50～55℃范围内，而这一温度却有利于穴蚀的发展，而且含有大量氯化钠（NaCl）的冷却水是强电解质液，缸套的电化学腐蚀会加剧。海水中还含有大量气体和杂质，对缸套直接产生化学腐蚀。因此，开式冷却方式，缸套最易发生穴蚀。在闭式冷却中，淡水直接冷却柴油机，海水冷却淡水，能够提高并保持较高的冷却水温度和压力，水温一般控制在80～95℃，压力（1.2—1）×105Pa左右，淡水可经软化、净化处理，还可在水中加入防腐剂。因此采用闭式冷却，可以有效地减少缸套穴蚀的发生和发展，但是闭式冷却结构相对复杂，占用机舱的空间相对较大，维修复杂。
3.3 冷却水腔结构和布置的影响
柴油机冷却水腔夹层太窄，易产生空泡，加上该处温度较高，空泡破裂产生的冲击波反复传递，都加速缸套的穴蚀。水腔如果设计不良，布置不合理，局部会产生涡流区或死水区，会因冷却效果不佳而产生高温，易发生穴蚀。因此，在日常管理中应及时清除水腔内积垢，保持水流的畅通。
4 柴油机工况对穴蚀的影响
柴油机作为渔船主机时，其工况也有特殊性。因为渔船不但要在海里航行还要生产作业；不仅要在平静的海面航行，还要在大风浪、浅水滩中航行。这样使柴油机负载、转速经常发生变化，也会对柴油机缸套的穴蚀带来一定的影响。
4.1 柴油机负荷的影响
柴油机负荷的变化，将引起气缸内气体压力、燃烧室温度、活塞与气缸套的配合间隙等的变化，而这些因素的变化将影响缸套的振动。渔船在拖曳渔网时，除克服船的阻力外，还要负担全部拖曳负荷；当起网和放网、拖到障碍物时，负荷都发生变化，而且经常发生超负荷的现象；还有在满载回港和遇到大风浪及进入浅水滩航行时，也会发生负荷变化及超负荷现象。而负荷对缸套的穴蚀程度的影响是复杂的，特别是超负荷，如果说柴油机在额定转速下满负荷工作时发生的穴蚀是正常的话，那么，超负荷运转时，缸套的振动强度，随着负荷增大而增大，活塞撞击缸套的激振能量也很大，穴蚀也相对加强。因此，在管理中应尽量避免超负荷工作，在拖曳渔网时一般以满负荷的50%～70%为宜；大风浪及浅水滩因根据实际情况来确定柴油机的负荷，并时刻注意油、水、温度的变化，尽量使柴油机工作在平稳状态，避免超负荷工作。
4.2 柴油机转速的影响
运动部件的惯性力随着柴油机转速的升高而增大，转速的增加也就增加了活塞撞击缸套的频率。因此会使穴蚀加剧。渔船上作主机的高速柴油机比低速柴油机更易穴蚀。
5 结束语
综上所述，穴蚀的出现，将会对船用柴油机的正常运行使用产生极大的影响。因此，为了保障船用柴油机的正常稳定，就需要从多个方面出发考虑，同时还要采取有效的措施做好柴油机的保养，以减少穴蚀问题的发生，从而保障柴油机的使用。
参考文献：
[1]彭存达、李健.船用柴油机气缸套穴蚀成因与防治[J].船舶.2006（05）.
[2]张维新.船用柴油机气缸套穴蚀的预防措施[J].中国水运（下半月）.2009（01）.
论文作者:吴海
论文发表刊物:《基层建设》2016年5期
论文发表时间:2016/7/1
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