船用主机缸套经产生裂纹的原因及注意事项

经常会遇到主机缸套裂纹的问题，不但给船公司造成较大的经济损失，而且还给轮机管理人员增添了很大的工作量。这种情况虽然有设计、制造及材料等多方面的缺陷，但是，如果轮机人员能够及时地根据实际情况采取有效的措施，并加以科学的管理还是可以避免异常裂纹以延长缸套的使用寿命。

缸套的工作条件

气缸是柴油机的主要固定部件之一，燃烧室部件中的主体。柴油机的工作循环是在气缸的工作空间内进行的。活塞在气缸内部往复运动。气缸下半部要开气口，布置气道，上半部要安装缸头等。因此，气缸套上部受到气缸盖安装预紧力的作用，气缸内壁受到燃气的高温、高压和腐蚀作用以及活塞的摩檫、敲击和侧推力作用，气缸的冷却水空间受到冷却水的腐蚀和穴蚀，当采用贯穿螺栓把气缸体、机架和机座紧固到一起时，气缸体会承受极大的压力。
当主机运转时，缸套内外之间产生温差，缸套内表面（触火面）由于膨胀受到外表面（水冷面）的阻碍而产生压应力，缸套外表面（水冷面）因受到内表面（触火面）的拉伸作用而产生拉应力。

缸套裂纹的主要部位和情况

缸套裂纹的部位基本上是集中在两个位置：缸套的裂纹，以触火面占多数，特别是应力集中和金属堆积的地方，多见于缸套上部凸肩区，是发生最多的部位。除此之外，在过度圆角处、水套加强筋处以及气口附近亦是多发区。除了触火面外，冷却侧的某些应力集中处，例如：缸套外圆柱面和缸套凸肩交界处等，有时也产生裂纹。
2007年4月，本人曾上某轮接班得知该轮在不到一年的时间里就裂了3个缸套，主机型号是SULZER 5RTA ，而且是22年的老龄船。经询问和查找记录了解到3个缸套裂纹都发生在燃烧室即缸套上部的触火面，是垂直方向裂开，基本上是2~3道裂纹。NO.1缸裂纹长度是8mm、10mm和20mm三处 ，NO.4缸是70mm和100mm的裂纹两处 ，NO.5缸是约200mm的裂纹两处。

缸套裂纹的主要原因

引起缸套裂纹的主要原因是机械负荷和热负荷。
1.机械负荷
机械负荷指柴油机部件承受最高燃烧压力、惯性力、振动冲击等的强烈程度。对于缸套主要是来自安装预紧力和气体压力。
由安装预紧力引起的负荷是安装应力，它主要存在于上部凸肩部位，在其危险断面上承受拉应力、剪应力以及弯曲应力。这些应力的数值大小与螺栓预紧力成正比，与其凸肩的高度成反比。由此可知，气缸套的安装应力亦与最高爆发压力成正比。
气体力引起的为机械应力。由于气缸内的气体力是周期变化的，其最大值为最高爆发压力，其变化频率与单位时间内的循

环次数（转速）有关，因此称为高频应力，由此产生的称为脉动疲劳。根据材料力学厚壁圆筒的公式在某一半径处受到的是切向应力与径向应力，由此可知触火面受到的切向应力最大（拉应力），径向应力最大（压应力），而水冷面受到的切向应力最小（拉应力），径向应力为零。
由上述可知，燃烧室部件中由气体力而产生的机械应力都和最高爆发压力成正比。就上面提到在一年之内裂3个缸套，其机械负荷过大是其原因之一。由于船舶污底较严重，为了控制爆发压力而使主机转速维持在84rpm，而且还开着应急鼓风机航行，排气温度都近400℃，主机负荷过大，爆发压力过高。经查三个缸套使用的时间分别是NO.1缸是44787小时、NO.4缸是46000小时、NO.5缸是47000小时，基本都是五年多时间。且都是国产缸套，由于国产缸套工艺不过关，都是国内一些专业厂家仿原厂家制造的，在尺寸上可能有些差异，致使装配精度变差，由此造成缸套的偏磨或过度磨损，局部受力不均。所以当主机长时间超负荷运行，爆发压力过高时，易造成缸套裂纹，这是缸套裂纹的主要原因。
2.热负荷
热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量及热应力的强度。包括热应力和热疲劳。
热负荷可用热应力大小来表示，而由温差形成的应力称为热应力。因此，缸壁的热应力与温差成正比。
热疲劳是指在交变热应力作用下出现的破坏现象。热疲劳对燃烧室部件破坏的主要表现是裂纹，它与柴油机的累计转数并无多大关系，主要取决于机器的启动-运行-停车的循环次数，故亦称低频应力。
热负荷过高对燃烧室部件所造成的危害是多方面的，主要有：使材料的机械性能降低；承载能力下降；使受热部件膨胀、变形、局部产生“蠕变”，继而产生较大的塑性变形，改变了原来的正常间隙；使润滑表面的滑油迅速变质、结焦、蒸发乃至烧掉；使有些部件受热面烧蚀；使受热部件承受的热应力过大，产生疲劳破坏等。
当停车冷却后，由于非塑性变形的水冷面要复原，而塑性变形的触火面不能复原，致使壁面产生了残余应力，它使触火面一侧受到拉伸，冷却面一侧受到压缩。由于启动-停车的多次重复，这种现象就多次出现，使壁面受到低频率的脉动应力作用。由于在高温下材料强度降低，而低频应力在柴油机启动-全负荷运转-停车过程中数值变化很大，这样就使一些燃烧室部件在短期内出现了裂纹。
前面提到缸套裂纹的另外的原因就是热负荷过大。由于使用的国产活塞环，其可能是由于材料和工艺的差异，活塞环的耐磨性较差。经查记录，主机吊缸

时发现，使用5000多小时，第一道令已磨去7mm，第二道令磨去约5mm，且弹性变差。致使缸套和活塞环的密封性能下降，因而引起燃气大量漏泄,再加上主机燃烧不良，排温过高，热负荷增大，缸套的热应力增加，若长期如此必将使缸套产生裂纹。

缸套

1.在进出港等机动用车时要严格控制水温变化的幅度且主机暖缸要缓慢
无论停泊、变速还是定速航行，及时正确对冷却水温度进行合理的调节和控制，水温变化控制在3-5℃。使冷却水温度保持稳定在正常值，以减少低频应力的产生，这是减少缸套裂纹的有效途径。
除特殊情况，应尽量保持主机长期处在冷却水温度稳定的暖缸状态。操作时严格控制暖缸速率，如果时间允许，要尽量延长暖缸时间，最终使暖缸温度升到接近正常使用值。切忌在缸套水温度太低时起动主机，因冷车起动水温变化过大，会使缸套的触火面与水冷面温差过大，产生过大的热应力。再加之温度突变、太高或太低、对燃烧室部件都是不利的，就更容易造成缸套腐蚀磨损甚至产生裂纹。
2.及时调整主机油门和均匀调整各缸负荷
根据船舶的装载、污底等情况 、大风浪天气、顶风顶流、浅水区、狭窄航道以及大舵角转向等外界负荷变化较大的情况来选择合适的主机转速，避免主机热负荷过大、甚至超负荷运转。此时，轮机值班人员要及时调整主机油门，杜绝超负荷运转，这对主机的安全、可靠的运转是十分重要的。
通常用柴油机的排气温度来判断热负荷的高低。排烟温度应严格控制在最高允许值以下，经常及时地测取燃烧压力、压缩压力等各热力参数来分析判断各缸负荷是否均匀，以便及时给予调整。
3. 及时进行扫气道清洁、保证良好的燃烧质量
通过扫气口检查缸套工况，及时清洁扫气道和扫气口及保持泄放管的畅通是减少磨料磨损的有效措施。
保证良好的燃油净化处理，提高燃油净化质量；正确控制燃油进机温度和粘度；按时维修燃油喷射系统各部件；合理控制扫气温度和提高扫气压力；及时清洁扫气口；确保燃油良好雾化；保证合适的喷油定时和高压油泵的可靠性。
4.正确清洗空气冷却器
为减少缸套的过度磨损和腐蚀磨损，空冷器气面要定期用化学药剂清洗，清洗后要用淡水及时冲洗，并对气面进行反复换水冲洗，直至将化学药剂冲洗干净为止。
5.均匀收紧缸头螺栓
大多数柴油机的缸头螺栓均采用液压拉伸器固紧，在吊缸检修安装时，为了保证缸头螺栓均匀上紧，应清洁螺帽与缸头接触面以及螺帽和螺杆的螺纹，按规定压力，最好一个人逐一用力收紧，切记用

锤子或其它工具等加力收紧。
6.定期及时吊缸确保气密
对于老龄船的主机，由于缸套磨损较大致使密封性能下降，所以，主机要提前吊缸，以确保良好的密封性能，防止燃气的大量漏泄以避免扫气道着火而引起缸套裂损，减少缸套和活塞环的过度磨损。
7.定期化验和处理冷却水以确保质量
如果冷却水处理不当、不及时导致局部结垢、腐蚀、脏堵，造成传热不良和局部过热，因此，轮机人员要认真仔细做好冷却水化验和处理。
8.合理调整活塞冷却水（油）温度
无论是变速还是定速航行，都应及时调整活塞冷却温度，使其保持稳定在使用范围地上限值，由此缩小活塞与缸套之间的温差。
9.合理调整气缸润滑很重要。
运行中要保证气缸总供油量和油的品质合乎要求，注意每个注油点上的供油情况，要求所有点供油量要相同。主机在长期低速运转（如过运河等）时，气缸油量必须适当增加，正常航行后应立即恢复原位。注油量要及时适当调整，以延长缸套使用寿命，将缸套的磨损率控制在0.1mm/每千小时内。