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【船机帮】二冲程船用柴油机低温腐蚀及应对措施


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船机故障心莫慌,遇事不决船机帮

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导读

船舶低速柴油机设计趋向采用高效的增压器、更长的冲程、更高的爆发压力和平均有效压力,以追求更高的燃烧热效率。

由于全球经济持续低迷,越来越多的船舶所有人选择降速航行以节约油耗,降低运营成本。

柴油机长期在低负荷下运行所导致的气缸套低温腐蚀现象越来越严重,目前主要通过提高气缸套温度、改善气缸润滑条件和选用适当碱值的气缸油等措施减轻气缸套低温腐蚀。

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故障分析

1.低温腐蚀原理

国际航行船舶大多以价格低廉的重油为燃料油,重油中硫分达到3.5%左右,还包含钒、铁、钠、镍等微量元素。

含硫燃油燃烧时会生成SO₂,其中部分SO₂又进一步氧化生成SO₃; 钒和铁燃烧后生成 V₂O₅和Fe₂O₃,其也是SO₂氧化生成SO₃ 的催化剂; 氢燃烧后生成水蒸气,经增压后的新鲜空气也携带部分水蒸气。

SO₂、SO₃和水蒸气在温度降低到各自的露点( 在缸内条件下,露点为160~180℃) 以下时,就会分别凝结成H₂SO₃和H₂SO₄,严重腐蚀气缸套,使得气缸套内表面布满疏松的细小孔穴。

这种腐蚀称为低温腐蚀,又称为冷腐蚀,常发生在船舶低速二冲程柴油机气缸套内部。

2.低温腐蚀影响因素

只有当气缸套内表面温度低于酸的露点温度时才会形成H₂SO₄,进而发生低温腐蚀。

因此,低温腐蚀的决定性因素有气缸套内表面温度、气缸内压力、燃油硫分、水分、反应时间、废气中氧含量以及气缸套内表面润滑油油膜完整度和厚度、气缸套耐磨和耐腐蚀设计等。 

3.腐蚀部位

一般情况下,气缸套的上部和下部( 扫气口处) 低温腐蚀最严重,见图1。

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图 1 低温腐蚀形成的黑色条状痕迹

气缸套下部温度最低,为H₂SO₄凝结提供有利条件; 气缸套上部长时间处于高温高压环境,而润滑油油膜又较薄,隔离、中和硫酸的能力较低,虽然此处凝结的H₂SO₄很少,但活塞上行时会将气缸套下部生成的H₂SO₄带到上部,为腐蚀提供条件。

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危害和应对措施

低温腐蚀将缩短气缸套、活塞环、活塞头和气缸盖等燃烧室部件的使用寿命,增大气缸套的故障率,缩短气缸套的维修周期,增大柴油机安全运行隐患,增加船舶所有人的运营成本。 

在燃油消耗经济性指标不降低的前提下,降低和减缓低温腐蚀的方法主要有: 

(1) 降低燃油硫分或使用替代燃料;

(2) 降低扫气空气中的含水量; 

(3) 提高气缸套温度,降低水蒸气的析出量,抑制H₂SO₃和H₂SO₄的生成; 

(4) 改善气缸润滑条件,利用碱性气缸油中和 H₂SO₃和 H₂SO₄。

使用低硫燃油或替代燃料均会增加运营成本,不能满足船舶所有人的需求。

笔者对后3条措施提出技术改进方案。


技术方案

(一)提高气缸套内表面温度

提高气缸套冷却水出水口温度,并调高缸套冷却水上限报警值( 由85℃调整至90℃) 。

1.MAN B&W 设计方案

(1) RDL 缸套。

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图 2 RDL 缸套结构示意

改变缸套中冷却水套管管路布置(见图2) ,缩短缸套冷却水管路长度,降低换热量,提高缸套内表面温度。

实验证明,在柴油机低负荷时可使缸套上部(缸套顶部至0.3m处易腐蚀部位) 温度提高30~35℃。

(2) LDCL 冷却水系统。

根据柴油机的负荷情况,通过电控软件控制三通阀执行器,调节气缸套与气缸盖和排气阀冷却水管路上三通阀的开度,对2路冷却水量进行分配调节,提高柴油机低负荷时的缸套水的温度。

2.Win G&D 设计方案

 (1) 改进缸套冷却水系统。

通过可调节节流孔板的孔径控制缸套冷却水和缸盖、排气阀冷却水量。 

当柴油机低负荷时,降低缸套冷却水流量,提高缸套内表面温度。 

(2) 缩短冷却水套长度。

将传统长冷却水套缩短30cm,减少气缸套的换热量。

实验证明,在柴油机低负荷时气缸套上部内表面温度最多可提高25 ℃。 

(二)改善缸套润滑条件

1. 选择合适的气缸润滑油。

在气缸油中加入可有效抑制酸腐蚀的添加剂。

如埃克森美孚推出的BN100气缸油———Mobilgard 5100,专门用于以HFO为燃料的二冲程船用柴油机,可有效抑制柴油机的低温腐蚀现象。

此外,可增配高低碱值气缸油混兑装置,根据柴油机的工况选择适当碱值的气缸油。

2.改进气缸润滑油喷射技术。

采用 HJ SIP 阀气缸润滑系统,其由气缸油注油器和HJ SIP 阀组成。

利用柴油机扫气旋流的离心力,将HJ SIP 阀喷射出的气缸润滑油分布到气缸壁上; 在活塞和活塞环未抵达前,在气缸套上部形成1层润滑油膜,改善缸套上部的润滑质量,非常适用于超长冲程柴油机。 

3.改进缸套设计。

在缸套上部增加1圈伞形储油槽并优化为折线形,在扫气口上部附近增加折线储油槽,以提高气缸壁润滑质量。 

(三)加强轮机管理

柴油机运转时降低扫气中的含水量,尤其是在高温高湿的区域航行时; 同时注意扫气空冷器冷凝水的放残管理,定期检查空冷器后水雾分离器。

长期使用高硫分燃油的柴油机填料函残油样本的化验分析结果表明: 

填料函放残油碱值安全范围应>25mgKOH/g,警戒值约为15mgKOH/g,<10 mgKOH/g 时会导致过度腐蚀和活塞环、缸套的快速磨损。 

轮机员必须根据柴油机的设计工况和常用转速、燃油硫分、气缸油碱值和柴油机的实际运转情况,并综合考虑柴油机生产厂家推荐的注油率,确定最佳的气缸油注油率。

此种方法用时短、精度高。 

1.磨合期气缸油注油率。

柴油机初次投入使用或气缸套和活塞环换新后,在投入正常运行前500h内要进行磨合,须按照厂家建议的磨合程序和气缸油注油率进行磨合。

磨合过程中要定期通过扫气口检查气缸套内壁和活塞环的工作状态,如果扫气口出现异常现象,那么不能继续调低气缸油注油率。

 2.ACC 控制优化阶段。

柴油机磨合后进入ACC控制优化阶段,以确定最佳ACC注油因子。

在ACC控制优化过程中,最小气缸油注油率为0.6g /(kW·h) ,最大气缸油注油率为1.7g /(kW·h) ,在任何情况下都不可低于最小气缸油注油率。 

气缸油注油率由ACC注油因子×S%确定,ACC注油因子的取值范围为 0.2~0.4g/(kW·h) 。

初始气缸油注油率为0.4g /( kW·h) × S% ,每隔600h以0.04g /(kW·h) × S%逐步下调气缸油注油率。

气缸油注油率调整得合适与否,可以通过扫气口检查和化验残余气缸油碱值确定。

在进行扫气口检查时,若发现有划痕、活塞环黏结、气缸套温度升高等现象,须立即增加气缸油注油率到1.2g/(kW·h) ,并降低爆压和平均有效压力,待状态稳定后气缸油注油率和气缸压力参数恢复至正常值。

在 ACC 控制优化阶段,如果柴油机使用的燃油含硫量为2.8%~3.5% ,可以采用注油率扫描的方法确定ACC注油因子。

该方法仅需6d即可完成,在此过程中需要柴油机负荷保持恒定,气缸油注油率按照规定剂量供给,并利用气缸油注油率公式计 算出ACC注油因子。

每隔24h调整气缸油注油率并对残油取样,化验残油中的碱值和铁含量,绘制残油碱值和铁含量图。


技术方案应用

综合考虑降低和预防二冲程船用柴油机气缸套低温腐蚀的改造成本和可操作性,对老旧船和新造船分别提出改造和建造建议。 

(1) 对于老旧船: 

须提高缸套内表面温度,如调高缸套冷却水水温,修改检测报警系统和缸套冷却水出水口高温报警值; 提高气缸润滑质量,将原机械式气缸油注油系统升级改造成电子式和机械式(备用) 并行系统,在降低缸套腐蚀风险的同时降低气缸油消耗量。

(2) 对于新造船: 

应尽量选择电控式柴油机,并配置电控式气缸油润滑系统; 应选用技术相对成熟、可靠的缸套和冷却水导套。

本文原创作者系:

青岛远洋船员职业学院     毛宏雨   李春艳

宜昌船舶柴油机有限公司   张文华   杨志明

END

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