摘要：缸套穴蚀是船舶柴油机汽缸套常见的一种损伤形式，这对船舶柴油机工作的可靠性和使用寿命有很大影响。缸套穴蚀主要形式是局部的蜂窝状的孔穴和麻点，而缸套穴蚀的成因机制主要有电化学腐蚀、空泡腐蚀等。随着柴油机转速、有效压力、比功率的提高，相应的比重量逐渐降低，其结构日益紧凑和零部件壁厚减薄，船舶柴油机缸套穴蚀破坏日益引起人们的关注。文章论述了柴油机主要部件、冷却水系统、柴油机工况等因素对穴蚀的影响，最后指出预防穴蚀的基本措施和检修方法。

关键词：船舶柴油机 缸套穴蚀 机理 预防 检修

1 概述

穴蚀是水力机械或机件与液体相对高速运动时在机件表面产生的一种破坏。穴蚀又称空泡腐蚀或者气蚀。随着柴油机转速、有效压力、比功率的提高，相应的比重量逐渐降低，其结构日益紧凑和零部件壁厚减薄，船舶柴油机缸套穴蚀破坏日益引起人们的关注，不少缸套的更换的原因并不是磨损所导致而是穴蚀破坏造成的，缸套的穴蚀破坏已经成为船舶柴油机的严重问题，必须采取有效的预防措施，以延长缸套的使用寿命。

2 缸套穴蚀的特征分析

2.1 故障发现

在进行吊缸的过程中，发现气缸套外困椎面左右侧聚集着蜂窝状光亮小孔群，说明缸套发生了穴蚀。

2.2 缸套穴蚀的主要形式

局部聚集的蜂窝状的孔穴和麻点。

2.3 缸套穴蚀的部位

穴蚀是一种从零件的表面开始的局部腐蚀。通过相关资料和对所在船舶缸套的实际观察，发现湿式气缸套外圆表面的穴蚀，一般集中在如下的几个区域：

a．柴油机左右侧方向，特别是在承受侧推力最大一侧的偏上方，并沿圆柱方向成带状分布；

b．缸套主承推侧下支撑的密封圈附近缸壁，穴孔在密封槽上沿相互连接，呈蠕虫条沟状凹坑；

c．冷却水进口、水流转向处和水腔狭窄处对应的缸壁上。

2.4 缸套穴蚀的特点

从外观上看，腐蚀处呈现的是一种局部的蜂窝状或者分散状凹坑的强烈侵蚀现象。与电化学腐蚀的样子不同，表面没有电化学腐蚀那种典型的橙褐色的腐蚀生成物，比较干净清洁，往往呈现类似高温氧化的红褐色。穴蚀的情况通常是严重的。根据资料显示，一般电化学腐蚀的腐蚀速度为0.05-0.10mm/kh，而穴蚀的速度要快得多，可达1.5-5.0mm/kh，几乎快30~50倍。

穴蚀发生主要集中在高速柴油机上，随着功率和强化度的增加，在中速机上也常有发生。下面所给出的资料（表1）为3种国产高速柴油机缸套的穴蚀情况。

表1 3种国产高速柴油机缸套的穴蚀情况

3 缸套穴蚀的机理分析

缸套外表面冷却壁上通常可能产生空泡腐蚀、电化学腐蚀等，但是主要还是以空泡腐蚀为主。其现象往往是各种腐蚀综合产生的结果。

3.1 缸套穴蚀的外因—高频振动

气缸套的穴蚀易发生在筒状活塞式柴油机的冷却壁面上，以及支承密封配合凸肩处和进水及水流急转处的壁面上。

引起缸套穴蚀的主要原因是由于活塞在作往复运动的同时，还要受到侧推力的作用，活塞在侧推力作用下不断冲击缸壁的左右侧，使汽缸产生高频振动。活塞与缸套在横向的贴合面的不断变化，造成活塞撞击缸壁并引起缸壁的振动。在活塞到达上止点并继续形成膨胀的同时，侧推力的方向也随即变化，并以极高的速度和能量撞击缸壁，引起横向振动。在活塞的撞击下，缸壁先向外弯曲后又朝里回振。气缸套在向外弯曲时，对周围的冷却水产生一个压力波；当气缸套朝里回振时，缸套外壁附近冷却水的压力急剧降低，压力的降低会引起冷却水中的气体析出形成气泡，若压力降低到该冷却水温度所对应的饱和蒸汽压时，也会引起冷却水汽化沸腾产生大量气泡附着在缸套表面。当气缸套壁再次向外弯曲时，新形成的压力波将击破小汽泡，并使部分汽泡又冷凝为水，当汽泡受到高压冲击而爆破时，就在破裂区附近产生高压波，从而产生局部的液压冲击，使局部压力和温度急剧升高。理论和实践证明，在微小气泡的中心区压力可高达几十兆帕，由于产生绝热压缩，其温度可高达几百度。这种高压波以极短的时间作用于很小的范围内，就对缸壁产生强烈的破坏能力。这样持续反复作用，促使材料疲劳，材料颗粒从缸套表面剥落下来，使缸套表面变得粗糙，接着出现蜂窝状的小孔群，即为穴蚀。

3.2 缸套穴蚀的主要内因—缸套材质

缸套一般由铁和石墨组成的铸钢制成，石墨的机械性能很差，在铸钢中布满了裂缝和空洞。在拉伸载荷的作用下，石墨夹杂的两端容易产生应力集中，致使裂缝扩大。当冲击力很大的时候，缸套表面微小局部金属发生塑性变形，不断地作用使金属疲劳而剥落。此外，与液体问摩擦和空泡破裂时，使缸套表面局部产生几乎使金属达到融化状态的高温，又在高压作用下，更易造成金属破坏，剥落后形成针孔。

3.3 电化学腐蚀

金属被电化学腐蚀的条件：一是处于电解质溶液中；二是各部分存在着电位差。柴油机缸套外表面与冷却水直接接触，海水是当然的电解溶液，而淡水中也难免含有一些杂物、氧气、氢气及渗漏入水腔中的燃气等。因此，缸套正处于电化学腐蚀的条件下，受到电解液的强烈的腐蚀作用。

3.4 其它腐蚀

导致缸套穴蚀破坏的第四个因素就是其它腐蚀，包括化学腐蚀、热化学腐蚀（氧扩散）和冲刷腐蚀。冷却水中不可避免的含有硫化氢、氧气、二氧化硫、二氧化碳等气体，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。

4 影响缸套穴蚀的其它因素

4.1 活塞结构的影响

首先活塞的长度对缸套的振动有较大的影响。活塞越长，那么它在缸套中的倾斜量就越小，与缸套的接触面积越大，并且较长的活塞可以对缸套的振动起到衰减的作用。所以，增大活塞长度能减轻缸套的变形，降低缸套的振动频率。但在增大长度的同时，活塞本身的重量和惯性力也随之增大。显然，活塞的长度要适当。

4.2 缸套结构的影响

从减轻穴蚀腐蚀角度出发，减小缸套在工作时的振动，一个有效的方法是增加缸套的厚度。缸套厚度的增加预示着自振频率的增加，但是由于缸套刚度增大的效益更大，其结果是振动强度随缸套壁厚的增大而明显下降。缸套壁厚增大，则缸套不易发生穴蚀。但是随之产生的负面影响也很大，比如由此带来的笨重、散热差、机械性能下降等。

4.3 活塞与缸套配合间隙的影响

活塞与缸套间存在的间隙使活塞在横摆的时候对缸套产生冲击，这种冲击的大小是由活塞横摆产生的速度和自身质量决定的。也就是说，速度越大、自身重量越大，那么，活塞对缸壁的冲击就越大。所以，间隙越大，缸套受活塞的冲击就越大，振动也就越大，越容易发生穴蚀。缩小活塞与缸套的间隙是降低缸套振动的有效途径。

4.4 冷却水系统对穴蚀的影响

柴油机冷却水系统影响缸套穴蚀的因素包括：冷却水温度、冷却方式、冷却水腔结构和布置以及冷却水的水质等，但影响的程度并不相同。

4.5 冷却方式的影响

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。开式冷却系统直接用海水作为冷却介质，为避免海水中的盐类物质受热沉淀后结垢，冷却水温度一般控制在50~55℃范围内。而且含有大量盐的海水又是强电解液，势必加剧缸套的电化学腐蚀。因此，采用开式冷却水方式，缸套穴蚀最易发生。在闭式冷却水系统中，能够提高并保持较高的冷却水温度和压力。一般控制温度在80~90℃，压力在（1~1.2）×105Pa左右。使用闭式冷却可以使用经过软化、净化后的冷却水，可以较长时间不换水，还可以加入防止穴蚀腐蚀的添加剂。因此，采用闭式冷却方式，可以有效地减少缸套穴蚀的发生和发展。

4.6 冷却水腔容量和布置的影响

冷却水腔夹层太窄的话，易产生空泡，如果温度较高，并且空泡破裂所产生的冲击波反复传递，这些都将加速缸套的穴蚀。所以冷却水腔设计不良而造成的冷却水腔狭窄，会产生局部涡流区或死水区，效果不良，易局部高温，从而发生穴蚀。

4.7 柴油机负荷的影响

柴油机负荷的变化，将会引起缸内气体压力、侧推力、温度、活塞间隙等诸多因素的变化，而这些因素将从不同的方面影响缸套的振动。所以说柴油机的负荷对缸套的穴蚀程度的影响是复杂的。测试时，让柴油机在额定转速下满负荷工作，结果发生的穴蚀是正常。当低负荷（30%负荷以下）运转时，缸套的振动随负荷增大而减小；超负荷运转时，缸套的振动又随着负荷增大而增大。

4.8 柴油机转速的影响

运动部件的惯性力随柴油机转速的升高而增大。增加转速也就是增加活塞撞击缸套的频率。因此，会使穴蚀加剧。

5 预防缸套穴蚀的措施

5.1 缸套外圆表面覆盖保护层或强化层

采用镀铭、渗碳、喷陶瓷、涂环氧树脂等工艺，使缸套外圆表面与冷却水隔离，或者使外圆表面得到强化，可以有效地防止缸套的穴蚀。

5.2 适当增加缸套壁厚

根据前面所阐述的缸套壁厚对穴蚀的影响，我们可以根据具体的情况增加缸套的局部厚度，从而提高缸套自身的刚度，改变其固有频率，避免发生共振现象。在减少振动的同时，也可以保证冷却水道的狭窄程度，使冷却均匀，尽量减少气泡的产生。

5.3 在冷却水腔内安装锌块

在冷却水腔中安装锌块的目的是为了实施阴极保护，防止电化学腐蚀。这种方法可操作性强，经济方便，坚持定期更换能取得良好的效果。

5.4 在冷却水中添加适当的NL乳化防锈油

在缸套的外表上涂乳化防锈油能形成一层很薄的保护膜，不但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表面的冲击作用，从而减轻穴蚀。通常我们添加的量采用淡水质量的0.75%。

5.5 正确调整喷油定时

在日常的轮机管理中，正确调整喷油定时是十分必要的。目的是防止最高爆发压力过高而产生振动加剧。

5.6 膨胀水柜加盖

防止空气的进入也就是防止气泡的产生，对防止空泡腐蚀有好处。

5.7 提高装配质量

尽量保证缸套不在缸内歪斜，活塞不在气缸中偏缸，以保证活塞缸套的配合间隙，减小活塞对缸套的冲击，减小缸套的振动从而防止缸套的穴蚀。

6 检修处理

针对已经发生的穴蚀情况，具体采用如下的几种方法：

6.1 当缸套穴蚀深度未超过说明书所示极限时，通常可把承受侧推力的方向转90°安装继续使用，以改变穴孔所在的位置。

6.2 注意是否按活塞与缸套规定的配合间隙下限装配，尽可能减少活塞与缸套的配合间隙，保持缸套的支撑刚度。

6.3 定期彻底清理缸体与缸套的冷却水通道。

6.4 提高检修质量，保证垂直于连杆摆动平面的曲柄与活塞销轴线的平行线。

6.5 对于已经破损或修补缸套的空泡腐蚀破坏，可在缸套外表面涂敷热塑性或热固性塑料及陶瓷等。

7 结束语

总之，在具体操作的过程中要依据具体机型、结构以及产生的原因，对穴蚀进行必要的检修，方能收到良好的效果。

参考文献

[1] 满一新．船机维修技术．大连：大连海事大学出版社，1999

[2] 杜荣铭．船舶柴油机．大连：大连海事大学出版社，1999

[3] 谢盛法．轮机化学．大连：大连海事大学出版社，1997

[4] 满一新．轮机工程材料．大连：大连海事大学出版社，1999

[5] 陈建．柴油机缸套穴蚀产生的机理．上海：上海师范大学学报，2000

作者：刘文贵  来源：天津航海