船舶主机缸套裂纹分析
摘要：通过分析燃油质量、油头本身等技术原因和汽缸油调整不当、扫气箱脏污等管理原因，指出产生裂纹的主要因素是局部热疲劳，并对局部热疲劳产生的机理进行分析，指出管理人员管理维护、操作不当也是产生故障的重要原因。
关键词：主机缸套；裂纹；管理要点
1 故障现象
某轮主机型号为B&W6S70MC，韩国船用柴油机厂制造。在船舶航行途中，某天主机NO3缸排烟温度升高，冷却水出口温度升高，值班轮机员立即降低了主机转速，同时加大了缸套冷却器海水的流量，但是冷却水出口温度还是不变。当主机转速降至50r/min，排气温度继续上升，冷却水出口温度达76℃，烟囱有水雾喷出，值班轮机员立即通知轮机长，大管轮，同时通知驾驶台停车。轮机长等下机舱检查到NO3缸后部时，发现一道约10cm宽，自上而下的裂纹，经请示公司，立即更换了缸套，主机恢复正常运转。
2故障原因分析
韩国现代船厂2007年造18万吨级散装船，主机型号为HYUNDAI-MAN B&W 6S70MC，在任职期间内，该轮NO5、NO3两个气缸出现过主机缸套裂纹现象，且裂纹形状与位置基本相似。
2.1机械负荷
机械负荷主要来自缸盖安装的预紧力与缸内高压的气体流动产生的机械应力，缸盖上的锁紧螺母按照说明书的要求，用液压工具上紧，一般不会出现问题。再就是高压气体产生的机械应力，机械应力是高频应力，与缸内的爆发压力成正比；机械应力在刚套内会产生径向的压应力与切向的拉应力，主机超负荷运行，爆发压力产生的切向拉应力就会超出缸套材质的屈服极限（材料一般抗压不抗拉），进而导致缸套裂纹[1]。
根据上述分析，气体力引起的机械应力与最高爆发压力成正比，本船NO3缸发生裂纹，机械负荷过大就是原因之一。由于船舶污底严重，主机转速一直控制在84RPM，同时加开鼓风机，排气温度达到400℃，致使主机超负荷，爆发压力过高，这是造成此次缸套裂纹的主要原因。
2.2热负荷
柴油机在正常的运转中，喷油量是固定不变的，热负荷基本是恒定的，但是由于冷却水量不足或者冷却水温度高等，会使缸套的内表面温度升高，降低材料的机械强度，产生裂纹。
NO3缸发生裂纹的另外一个原因就是热负荷过大，经过查询记录，吊缸检查，发现NO3缸已经使用4000多小时，第一道令已經磨去6mm，第二道令磨去4mm，而且弹性已经变差，致使缸套与活塞环密封变差，导致燃油泄漏，排温过高，热负荷过大，热应力增加，产生缸套裂纹。
2.3热应力
柴油机工作时缸套内表面受到燃烧气体的加热，而缸套的外表面受到水的冷却，这样缸套的内外表面就形成了温度差，这个温差形成缸套内外表面的径向热应力，热应力与温度差成正比。柴油机频繁启动、停止，缸套内外表面温差惠发生变化，这与启停次数、负荷加减有关。本船此次缸裂与柴油机加速太快，引起缸套内外表面温差过大，产生过大热应力[2]。
2.4缸套质量
本船原配缸套是瓦锡兰的，但是修过之后现在不是原厂的，对比发现，现在的缸套与瓦锡兰的相比冷却钻孔内绝缘管（为了削弱冷却效果，减小热应力）的长度短约短100mm，而且此部分位于缸套的顶部，这样一来缸套顶部的热应力就变大了[3]。同时非原厂的缸套质量与原厂的相比，在铸造质量、材质方面还有一定的差距，也容易产生裂纹。
3.预防对策
3.1严格控制水温的变化、定期化验水质
正确控制缸套冷却水温度，是预防缸套产生裂纹的有效途径。冷却水温度变化幅度过大以及水温太低，都会增加缸套的热应力，水温过低也会加剧低温腐蚀，所以，不论是停泊、变速、定速航行，都要对水温进行合理的控制和调节，一般情况下水温变化控制在3—5℃范围，冷却水进出口温差一般不大于18℃。
同时要对水质定期进行化验，严格控制冷却水的各项指标，如果冷却水处理不当，会导致局部结垢、腐蚀，也会造成局部过热。
3.2 冷车暖缸要缓慢、正确操纵主机防止超负荷
可以采用分段提高冷却水温度的方法，对处在冷车状态的主机进行暖缸。暖缸的速率要控制在冷却水排量的10%以内。在时间来得及情况下，暖缸时间尽量延长，使暖缸温度接近正常值，最好使暖缸温度达到50℃以上再启动主机，因为50℃水温才可以抑制高温腐蚀，这样可以减小缸套表面的腐蚀磨损与热应力。
正确控制主机，避免主机机械负荷和热负荷过大，是防止缸套裂纹的重要措施。判断当船舶在大风浪、狭窄水道、顶风顶流等外界负荷变化较大时，轮机人员要根据当时情况及时调整主机油门，避免主机超负荷。主机是否超负荷，一般用示功图计算功率。
3.3保证燃油雾化质量、定期清扫扫气道
保证燃油雾化质量，是减少缸套裂纹的重要途径。根据燃油进机温度，将燃油雾化时的粘度控制在说明书范围内，雾化质量好，不仅可以降低缸套裂纹，还可以降低燃油的消耗。保证良好的燃烧质量，保证扫气道和扫气口的畅通是减少磨料磨损的有效措施。
3.4保证足够扫气压力，合理控制扫气温度
扫气空气质量不足是缸套热应力增大的一个原因，主机运行中，缸套处在一个温度多变的环境下，所以在主机运转过程中，要正确控制扫气温度，防止缸套上下部分和内外部分产生过大的温差，扫气温度一般高于环境温度3℃，控制在40℃以上最好。同时定期清洗废气涡轮、压气机、空气滤器，扫气箱定期放残。
4 结束语
船上遇到缸套裂纹后，要冷静分析原因，总之，不管是哪种情形下的裂纹，都要先观察，然后根据现场情况冷静判断处理，将损失减少到最少。在保证海上安全的情况下，停车检查处理，更换缸套是首选方案，平时做好缸套保养工作，避免裂纹产生，延长主机寿命，确保航行安全。
参考文献：
[1]李玉根.B&W长冲程柴油主机缸套裂纹与预防[J].航海技术.2011（3）：47-49
[2]满一新.船机维修技术[M].大连：大连海事大学出版社，2006：34-37，142.
[3]黄少竹.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2006：66-67.
[4]杨极，杨贵恒，张寿珍.内燃机气缸套异常磨损机理及其预防对策研究[J].内燃机，2007（2）：15-18.
作者简介：
张东方（1981--），男，工学硕士，讲师，研究方向：轮机工程、船舶与海洋工程。
缪盛泽（1996-），男，南京林业大学机电学院，大三学生，研究方向：机械设计与制造。