浅谈低负荷工况下船用主机低温腐蚀的预防

学术论文 2017-12-22 10:08:14
    引言
    国际航运市场持续处于低谷阶段,为节约燃油费用船东和租船人要求船舶使用“最低安全经济航速”。因而,大多数船舶主柴油机长期处于40%-60%的低负荷运转,从而引起低温腐蚀造成主机零部件损坏,增加船舶维修保养费用。
    1 低温腐蚀的成因
    船舶柴油机低温腐蚀必须具备三个要素:硫化物、水、低温环境。由此形成的液态硫酸是低温腐蚀的主要原因。
    1.1 硫化物的来源
    船舶主柴油机燃用高硫燃油,燃油燃烧后,生成二氧化碳、二氧化硫、水以及钒、铁、钠的氧化物等燃烧产物。高温环境中钒、铁、钠的氧化物的催化作用,促使二氧化硫进而氧化成三氧化硫。
    1.2 水的来源
    气缸中的水分有三个来源:(1)燃油中含有的水分;(2)燃油燃烧生成的水分;(3)扫气中携带的水分。因此,燃油品质和扫气空气的处理质量决定了气缸内水分的含量。
    1.3 低温环境的产生
    柴油机低负荷工况下,按高负荷工况设计的冷却水系统工作参数与气缸实际工况不匹配,冷却水量过剩,水温低,造成气缸壁温度降低,同时,过量的低温冷却水造成扫气温度降低,促使气缸温度进一步下降。
    柴油机高负荷工况下,三氧化硫与水蒸汽结合产生硫酸蒸汽,仅极少量的硫酸在缸壁上凝结,大部分硫酸蒸汽随柴油机排气排出气缸。少量液态硫酸遇到高碱性气缸油,气缸油中的碳酸钙与硫酸产生中和化学反应生成少量硫酸钙和水。活塞环的往复运动能将少量硫酸钙从气缸壁刮下,形成粉末排出燃烧室。然而,柴油机低负荷工况时,缸壁温度低于硫酸蒸汽的露点,硫酸以液态形式大量附着于气缸壁。液态硫酸与气缸油中的碳酸钙发生反应,生成大量硫酸钙,在活塞头、环槽和缸壁上聚集,在燃气高温作用下,形成黑色残留物粘在气缸壁表面。扫气口检查时,可见到气缸壁上有明显的黑色残留物。黑色残留物不是柴油机腐蚀和拉缸的产物,用棉纱蘸上轻油用力擦拭,可以去除。然而,这种状况是低温腐蚀的前兆。黑漆状残留物说明气缸中的硫酸已经大量形成。
    2 低温腐蚀的危害
    2.1 气缸壁磨损
    附着在气缸壁上的液态硫酸与气缸表面的铁及铁合金产生化学反应生成氧化铁,并在磨损中从气缸壁上剥落,使气缸壁布满细小的空穴,这是气缸套腐蚀磨损的典型表现。金属剥落形成空穴,破坏了气缸油油膜的形成和分布,使气缸套磨损加剧。
    2.2 活塞环磨损
    低温腐蚀生成的细小的氧化铁及氧化亚铁颗粒,从气缸壁剥落,夹杂在气缸套和活塞环之间形成磨粒。活塞运动时,加剧了气缸套和活塞环的异常磨损。此外,大量硫酸存在,使得气缸内硫酸钙(积碳的主要成分)增加,在低负荷工况下,活塞头及活塞环槽严重积碳,阻碍活塞环在环槽中的运动,造成活塞环粘着磨损(如图2所示)。
    3 低温腐蚀的预防措施
    为防止低温腐蚀的发生,轮机人员必须采取措施,加强主机维护管理,确保主机正常运行。
    3.1 气缸油管理
    柴油机在低负荷下运行,附着在气缸壁上的液态硫酸增多。通过下列措施,可以去除硫酸:(1)适当提高气缸油注油率。气缸油注油率增加,可提高气缸油中和硫酸的能力。然而,过多的气缸油会导致扫气口、活塞头及活塞环槽严重积碳,扫气口堵塞、活塞环粘着。因此,提高气缸油注油率后,应加强柴油机扫气口检查,定期化验扫气箱残油,根据检查和化验结果,合理调整气缸油注油率,防止气缸过度润滑,积碳增加。(2)换用更高碱性的气缸油。气缸油碱性越高,去除硫酸的作用越强。然而气缸油碱值过高,柴油机气缸内出现大量灰白色或微黄色沉积物,造成缸套和活塞环磨损。因此,提高气缸油碱值应充分考虑柴油机制造商和润滑油厂家的推荐,并定期化验扫气箱残油。根据化验结果和厂家的推荐合理选择气缸油。
    3.2 缸套冷却水管理
    低温腐蚀是在气缸壁温度低于硫酸露点时产生的。下列措施有利于提高缸套内表面的温度:(1)适当提高缸套冷却水温度。低负荷运行的柴油机燃烧室平均温度低,导致缸套内表面温度下降。提高柴油机缸套水进机温度,缸套内表面温度将上升,从而阻止低温腐蚀。然而,现代大型船舶柴油机缸套冷却水出口温度达到90℃时,柴油机会自动保护降速(即slow down),实践中应根据柴油机说明书推荐的冷却水温度范围,将缸套冷却水温度控制在正常范围上限附近,确保柴油机稳定运行。(2)适当减小缸套冷却水流量。实验表明,减小冷却水流量,可提高柴油机低负荷工况下气缸壁表面温度。管理中可通过旁通调节法和节流调节法来实现。然而,过度调节冷却水流量可能会引起冷却水系统低压报警。冷却水压力不足亦可引起缸套外表面穴蚀。对于定流量冷却系统来说,变量调节只能作为辅助控制方法。
    3.3 控制燃气中的水分
    气缸中的水分来自燃油、扫气及燃烧产物。因此,管理中必须注意以下问题:(1)加强燃油管理。首先,在燃油加装时,要注意检查燃油的水含量,使之符合ISO的标准。其次,燃油使用过程中,加强燃油分油机的管理,做好燃油净化处理,降低燃油进机前的含水量。(2)加强主机空冷器管理。空冷器冷却效果越好,扫气温度越低,可促进扫气空气中水分分离,使扫气含水量降低。然而,扫气温度越低,对缸套的冷却作用就越强,缸套内表面的温度就越低。因此,适当提高扫气温度,对预防低温腐蚀有利。通常,根据柴油机说明书推荐的扫气温度范围,适当调节空冷器冷却水量及冷却水的温度,在保证柴油机排气温度的前提下,尽量提高扫气温度。
    4 结束语
    船舶主柴油机在低负荷工况下运转,引起低温腐蚀。造成主机危害,轮机人员必须加强船舶主机及附属设施和油料管理工作,严格控制主机运行参数,避免低温腐蚀要素形成。
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