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气缸套高频振动是黄石柴油发电机产生穴蚀的根本原因
导读：发生穴蚀破坏的除了黄石柴油发电机气缸套零件外，还有轴瓦、喷油泵注塞、螺旋桨桨叶及离心泵叶轮等。机件穴蚀破坏问题日益引起人们的关注，尤其是缸套穴蚀已是黄石柴油发电机的重要问题，引起国内外的重视与研究。气缸套穴蚀是黄石柴油发电机普遍存在的严重问题。随着黄石柴油发电机的功率增加、强载度提高和高速、轻型化，气缸套穴蚀破坏就成为妨碍黄石柴油发电机正常运转的首要问题，严重地影响黄石柴油发电机的工作可靠性和气缸套的使用寿命。
一般说来，高速、轻型大功率黄石柴油发电机，不论是开式冷却还是闭式冷却，气缸套都有不同程度的穴蚀。有的黄石柴油发电机投入运转不久(仅几十小时)就会在气缸套外圆表面上出现穴蚀小孔，甚至黄石柴油发电机运转不足千小时缸套就因穴蚀穿孔而报废，此时缸套内表面尚未磨损。二冲程十字头式低速黄石柴油发电机气缸套基本不发生穴蚀破坏。
1．穴蚀部位：缸套穴蚀发生在湿式气缸套外圆表面上，一般集中在黄石柴油发电机的左右侧方向，特别是承受侧推力 一侧的偏上方；冷却水进口、水流转向处和水腔狭窄处对应的缸壁上；缸套下部密封圈附近缸壁。缸套冷却水腔除缸套穴蚀外，不应忽视气缸套和气缸体材料的差异和材料内部的各种电化学不均匀性导致的宏观和微观电化学腐蚀。这两种腐蚀同时存在或交替进行均会加重缸套的腐蚀。此外，冷却水(海水或淡水)的水质、含气量、流速等均对穴蚀有影响。
2.气缸套穴蚀机理
1）一般穴蚀机理：迄今为止，关于穴蚀机理的论述很多，其中较为普遍接受的一种理论认为：机件发生穴蚀的先决条件是机件浸于液体中，并与液体有相对运动，或机件在液体中受到某种能量的传递作用，形成液体中的局部瞬时高压或瞬时高真空。在瞬时高真空区，液体汽化形成气泡，或溶于水中的空气以空泡形式从液体中分离出来；在另一瞬间形成高压时，空泡、气泡被压缩，泡内气体迅速液化而使气泡溃灭，这时周围液体急速冲向溃灭处，产生极强的冲击波作用在金属表面。频繁地冲击，使机件表面金属逐渐剥落。与此同时，金属表面还产生微观电化学腐蚀，两种腐蚀交替进行共同作用致使机件穴蚀破坏。
2) 黄石柴油发电机气缸套外圆表面与气缸体(或机体)构成冷却水空间，在狭小的环形通道中流动着淡水或海水。黄石柴油发电机运转时，由于缸套和活塞之间的间隙，活塞在侧推力作用下不断地冲撞着缸壁的左、右侧，使气缸套产生高频振动。缸套高频振动和缸壁的弹性变形使冷却水空间的容积交替地增大和减小，冷却水相应交替地膨胀与被压缩。膨胀时受拉伸作用形成瞬时低压，被压缩时形成瞬时高压。此外，冷却水进口和流动时产生涡漩使冷却水通道内压力变化，也会形成瞬时高压或低压。在瞬时低压时产生气泡，瞬时高压时气泡溃灭，缸套外圆表面频繁受到冲击和微观电化学腐蚀作用而破坏。
3．影响缸套穴蚀的因素：生产中并非所有的筒状活塞式黄石柴油发电机气缸套都发生穴蚀破坏，即使是发生穴蚀破坏其程度也各不相同。缸套穴蚀与黄石柴油发电机的机型、结构、爆发压力、冷却水腔和冷却介质、黄石柴油发电机的工艺参数等有关。
1）缸套振动。黄石柴油发电机运转中气缸套高频振动是产生穴蚀的根本原因，缸套振动强度与以下各点有关：（1）活塞与气缸套之间的配合间隙：活塞在气缸中运动时，活塞对气缸壁的冲击能量的大小取决于活塞质量和活塞在气缸中横摆时的速度。活塞质量固定不变，但速度随着活塞与缸套之间的配合间隙的增加而增大。所以，活塞对缸壁的冲击能量取决于活塞与缸套配合间隙的大小。配合间隙大，活塞横摆加速度大，冲击前壁能量大，则缸套振动增强。（2）缸套刚度：缸套刚度直接影响缸套的振动。刚度大，受活塞冲击时缸套变形小，振动小，可有效地防止穴蚀。缸套刚度除与其材料有关外，还与缸套壁厚和纵向支承跨距的大小有关，缸壁厚度增加，支承跨距缩短，缸套刚度增大。气缸套与气缸体(机体)之间的配合间隙对缸套的刚度亦有影响。如果黄石柴油发电机缸套与缸体铸成一体，缸套刚度增大，可有效地防止穴蚀。（3）冷却水腔结构 冷却水腔通道太窄，水流速度增高，容易产生空泡。黄石柴油发电机设计时要求冷却水腔内水流速度应小于2m/s，水腔宽度t为14%D (D为气缸套内径)或不小于10mm，各处均匀一致，水流畅通不形成死水区和涡流区，有利于降低缸套穴蚀。黄石柴油发电机把冷却水腔窄处由1.5mm增至7mm，大大降低缸套穴蚀。
2）冷却水温度与压力：冷却水温度过高将加速腐蚀的进程，但也不宜长期水温过低。实验表明，钢铁和铝等金属材料在淡水温度为50～60oC时穴蚀严重，随着水温的升高，穴蚀破坏减轻。从发挥黄石柴油发电机的效能和降低腐蚀、穴蚀出发，冷却水腔淡水温度在80～90oC为好。冷却水压力高可以抑制空泡的形成，减少穴蚀的发生。但冷却水压力提高将使其温度升高而加速穴蚀。
4．防止缸套穴蚀的措施
除从材料和结构上的改进来防止和降低缸套穴蚀外，对黄石柴油发电机气缸套穴蚀，还可采用以下措施：
（1）缸套外圆表面覆盖保护层或强化层。采用镀铬、渗氮、喷陶瓷、涂环氧树脂或涂尼龙等工艺使金属表面与冷却水隔开，或使缸套外圆表面强化，可有效地防止电化学腐蚀与穴蚀。
（2）在冷却水腔内安装锌块实施阴极保护防止电化学腐蚀；例如黄石柴油发电机气缸套外表面安装锌带并坚持定期更换取得防止穴蚀的良好效果。
（3）在冷却水中加入缓蚀剂；例如乳化油缓蚀剂或被膜缓蚀剂，使在缸套外表面上形成一层较薄的连续保护膜，不仅可以防止电化学腐蚀，而且可以减弱空泡破裂时的冲击波对缸套外表面的冲击作用，从而减轻穴蚀。
结论：在实践中防止或减轻穴蚀的方法很多，选用时依具体机型、结构和产生穴蚀的原因而定，以取得良好预防效果。
发电机管理中的3个有用细节
故障背景：2017年5月20日该轮靠泊印度洋留尼旺岛，锅炉发生点火故障，于是发电机换用轻柴油。换油后不久，发现发电机上的燃油管有滴漏，当时忙于处理锅炉问题，为减少柴油损失，当即关闭了停车状态的一号和三号发电机燃油进出管路的相关阀门。
故障现象：第二天船舶离港时，当班轮机员凌晨4点打给我，说一号发电机不能并车，三号发电机能并车但只能承担150 KW，再加负荷就加不上去。我立即下机舱，检查发电机相关情况，滑油、冷却水各项参数未见明显异常。我尝试向三号发电机手动转移负载，多次手动调节调速器以增加燃油供油量，但负荷没有变化。尝试一号发电机并车，自动与手动并车都未成功，一号发电机显示频率过高。
打开三号发电机保护盖检查高压油泵，油泵齿条拉杆均能自由活动，油尺刻度指示在较大值，排除了油泵的问题，再检查相关管路，发现有个进油阀处于关闭状态，当即慢慢全开燃油阀，三号发电机立即加载到500KW，负荷转移正常。
注意力再转向一号发电机，发现一号发电机类似的进油阀也未打开，当即打开进油阀，并再次尝试并车，但还是并车失败。到港时一号发电机是正常使用的，频率、转速，负荷的转移各项指标都正常，怎么突然就转速过高了呢?
故障措施：三号发电机正常之后，我全部精力集中在一号发电机不能并车的问题上，之前发电机转速感应器出现过速度显示的问题，所以首先还是考虑转速感应器故障，怀疑有可能是感应器脏了或者跟飞轮的间隙超标。该发电机有两个pick-up(转速感应器)，一个用于机旁控制屏显示，一个用于发电机安全控制系统。当即取出两个感应器，其中一个确实脏了，擦拭干净后，检查了速度感应器的阻值，确认正常，重新装回，调整好间隙，重新启动发电机，转速还是过高--950RPM。
排除了转速感应器的问题，那么故障就应该在机械部分。检查高压油泵，调节拉杆活动正常；检查调速器，该调速器品牌是Regulateurs Europa，型号1102V-4G-25R。发现调速器上的手动速度调节旋钮卡住了，很难转动，联想到二管轮的交接班记录，提示该调速器的同步马达(下图中的021)不是原装备件，当时由于缺少原装备件，用的是上个管理公司遗留下来的其他制造商备件。拆下同步马达，与近期在新加坡刚接收到的原装备件对比，发现两个同步马达参数不一致：非原装备件，制造商Woodward，电压24V，转速2000 RPM，功率5瓦；原装备件，制造商Groschopp，电压24V ,转速2700RPM，功率2瓦,电流0.25A。进一步拆开非原装同步马达，发现马达的塑料齿轮磨损，不能转动。
换上新的同步马达，启动发电机，调节手动转速旋钮，使转速达到916RPM, 待发电机转速稳定后尝试并车，发电机可以成功并车。但是又出现个新问题，并车后一号发电机功率并未提高，相反地，出现逆功率跳闸的现象，几次尝试都是如此。我决定让三管轮在并车屏上尝试并车，我与电机员在发电机旁观察，双方用对讲机联系，发现当发电机并车成功后，调速器速度控制旋钮被同步马达向逆时针方向旋转导致柴油机减速，这与并车后调速器的正确动作恰恰相反，正常情况下，调速器速度控制旋钮应该顺时针方向旋转使柴油机加速从而增加本机承载负荷能力，维持转速稳定。查找到问题症结后，我们再对比同步发电机马达的电压与电流情况、查找相关发电机电线接线图纸，发现一号发电机相关接线控制板亦与原厂图纸一致，这说明接线未曾改动过。于是我们改变同步马达背后的接线，将其对调，再次启动发电机，并车成功，负荷转移顺畅，问题解决。
经过该事件，发现以下几点在未来的轮机管理工作中值得引起注意：
启动发电机之前，一定要检查相关管路系统，之前做出过状态改变的相关阀门，一定要及时设置好。交接班工作一定要交接清楚，不能有遗漏；
该事件的起因在于启动发电机之前没有将关闭的燃油阀打开，该轮经过几任管理公司管理，燃油管路的阀门老化，在全关时仍然存在些许燃油泄漏，造成一号发电机启动时，能正常启动，调速器在燃油量不足的情况下加大油门以保持额定转速，但同步马达因为调速器不正常动作导致里面的齿轮损坏，造成了同步马达卡死，以至于发电机转速达到950RPM 后不能减速。这一点在发电机的管理工作中一定要考虑到；
不同管理公司的备件采购途径不一样，存在大量第三方生产的备件，与原厂备件相比，有些参数都不一致，有些即使铭牌上参数一致，但物理尺寸却不一致。这给轮机员维护保养时带来了诸多不便。主管轮机员在接受备件时一定要仔细核对，避免到使用时陷入被动；即使是原装件，电器要考虑正负极性，机械要考虑左旋右旋。
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