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燃用重油的四冲程中速机排气阀烧损的原因及对策

时间:2017/9/18 16:57:35 点击:

  内容提示:国内沿海航行的一些中小型船舶上,配置的主机大多是国内柴油机厂家(如广柴、锡柴、淄柴、宁波中策等)生产的320、300、N330等系列机型,且多为燃用重油的四冲程中速柴油机。因各种原因,其为主机服务的辅...
国内沿海航行的一些中小型船舶上,配置的主机大多是国内柴油机厂家(如广柴、锡柴、淄柴、宁波中策等)生产的320、300、N330等系列机型,且多为燃用重油的四冲程中速柴油机。因各种原因,其为主机服务的辅助系统的配置也相对较低。多种因素的作用使得这些机型在运行过程中普遍存在排气阀的使用寿命短,气阀烧损严重的现象。柴油机及排气阀生产厂家虽然提高了排气阀密封面合金的耐温性能并改进了气阀的生产和加工工艺,但效果仍然不够理想。本文通过对其产生的原因进行分析,并结合实际给出改进建议。

首先,造成排气阀烧损的主要原因有:
1,燃油中含有不可燃烧的颗粒杂质。
2,燃油燃烧不良而导致的结碳的影响。
3,燃油中含有钒、钠等易引起金属高温腐蚀的元素。
4,气阀的转阀器失效。
5,气阀的质量问题。
6,排气阀和阀座研磨不良或者其它原因,使排气阀与阀座的密封面存在漏气。
7,气阀间隙调整不当,间隙过小导致排气阀工作时无法关闭

其次,烧损问题的产生过程和原理
1,当进入燃烧室的油品中混有不可燃烧的杂质颗粒物时,这些杂质颗粒会随着排气排出气缸,在排出的过程中会有一定的几率在排气阀关闭时被卡阻在排气阀和阀座的密封面上。造成排气阀不能完全关闭,这个卡住的颗粒杂质的直径有多大,气阀的开度就有多大。虽然能通过喷油器的喷孔进入燃烧室的颗粒杂质都较小,但在燃油混合气体爆炸燃烧时,燃烧室的爆炸压力很高,微小的气阀开度也能造成高温高压燃烧气体的窜出。这时候窜出的燃烧气体的温度很高,瞬间的峰值可达一千多摄氏度,远远高于排气冲程中流经排气阀密封面做功后的废气温度。排气阀的密封面材料可以经得起正常排气时的废气的冲刷,但经不起如此高压和高温的燃烧气体的冲刷,很短的时间就会造成排气阀烧损。尤其阀门卡住的是混在重油中的氧化铝和二氧化硅这些极硬颗粒时。这就是一些排气阀的出厂时耐温测试在500℃以上,但实际工作时的排温没有超过400℃就把气阀烧损的主要原因。也是排气阀使用寿命短的主要原因。
2,燃油燃烧不良以及因此造成的结碳。燃烧不良不但会引起排温升高,而且会在燃烧室形成结碳。排温升高使排气阀的工作环境更加恶劣,叠加其它情况后加剧了排气阀的烧损。燃烧室中的结碳会有一部分随着废气排出,它也会像前面说的颗粒一样卡在排气阀和阀座的密封面上,造成的气阀烧损过程也如颗粒造成的过程相同。尤其是重油的加热温度控制不佳,粘度太大造成喷入气缸的燃油难以雾化,高压油泵柱塞磨损造成的燃烧后移等原因引起的燃烧不良,对排气阀的烧损影响很大。
3,目前在航运市场上普遍使用的劣质燃油中含有大量钒、钠和硫等元素。在燃烧过程中硫、钒和钠等元素形成氧化硫、五氧化二钒和氧化钠等(这些氧化物的化学成份取决于过量氧气和燃烧温度)。氧化物之间要发生反应,而且还要与滑油中的钙反应,形成低熔点的盐类,有硫酸钠,硫酸钙和不同成份的钒酸钠等。这些盐类混合物熔点一般为535°C 左右,同时具有较强的腐蚀性。当零件温度在550°C 以上时,足以使钒、钠化台物处于熔化状态,附着于零件表面。当排气阀在工作中时,由于排气原因(气阀温度可达650—800°C 以上),使它以液态形式沉积在阀盘及阀座以及阀杆与阀面的过渡表面上。这时即使是非常耐腐蚀的硬质合金钢也会受到腐蚀,腐蚀结果在密封锥面上形成麻点、凹坑。凹坑相连就可能造成漏气。由于上述腐蚀是高温条件下产生的,所以称之为“高温腐蚀”。 在上述高温腐蚀的有害元素中以钒的危害性为最大。
4,排气阀的转阀器失效。燃用重油的四冲程柴油机为了降低上述第1、2、3项原因对气阀寿命的影响,设计了排气阀的转动机构。使排气阀每开关一下都自动旋转了一个角度,以此清除卡在密封面的颗粒和结碳,避免颗粒和结碳在排气阀密封面的堆积。如果这个排气阀的转阀器失效,不能使排气阀在工作中保持不停地转动,或转动和气阀的关闭行程不协调,将会使排气阀很快烧损,极大地缩短排气阀的使用寿命。
5,第5、6、7等原因属于偶然因素,这里略过不讨论。

第三,关于烧损排气阀问题的一些误区。

在实际的柴油机运转管理中,出现燃烧不良排气温度升高后,会造成排气阀在短时间里烧损。轮机员往往会采用降低柴油机的运行转速,使排温降低到一定的区域,比如让排温从380℃降到330℃,这样排气阀还能坚持使用一段时间。由此使很多轮机员在认识上进入一个误区并得出错误的结论,认为排温高是烧损排气阀的主要原因。在管理上把主机置于低负荷区域运行,对主机运行极为不利,也严重影响了船舶的经济效益。排温从330℃升到380℃,虽然对烧损气阀有叠加的影响,但升高这50℃不是造成排气阀烧损的主要原因。因为把主机转速降低,使排温从380℃降到330℃的同时,柴油机的负荷也和转速成3次方的关系降低,燃烧室燃烧气体的爆炸压力和温度也降低了许多。这时虽然同样存在颗粒或结碳卡在排气阀和阀座密封面的情况,但因燃烧室的爆压大幅降低使泄漏的燃气也大幅减少,并且泄漏燃气的温度也大幅降低,因此排气阀使用期得以延长。这也是一些低爆压的老型燃用重油的四冲程柴油机,即使选用质量一般的排气阀也不容易烧损的原因,因那些机型的爆压和热负荷都较低。

第四,解决和预防排气阀烧损的对策。

对气阀转阀器,应加强运转中的监控,发现有转动迟滞的现象应及时保养换新;对供应的燃油,钒、钠的含量应控制在允许的范围;合理使用燃油添加剂改善燃烧状况,去除有害物对燃烧产生的影响;对燃油中含有不可燃烧的颗粒杂质,以及燃烧后移造成的排温升高燃烧不良等原因,可采取提高燃油过滤器的过滤精度;加强分油效果;对其它引起燃烧不良的缺陷也应及时修复。

第五,一个跟踪案例。

在同样配置这些机型的船舶中,有些主机烧损排气阀的现象较不明显。那些经常引起气阀烧损的柴油机,都有一个共同的特点,就是进入主机的燃油过滤器的过滤精度差,网目大于35um,有些甚至大于50um。重油中的氧化铝、二氧化硅这些极硬的颗粒,还是极硬的磨料,是原油在提炼过程中经二次催化裂化而大量带入的,极易造成高压油泵柱塞和喷油器针阀的磨损。不但是造成喷油燃烧过程后移,引起排温高的元凶(参见笔者在《国产燃用重油中速柴油机的两个常见故障及解决方案》中的分析)。还是造成排气阀烧损的主要原因之一。如果把燃油过滤器的过滤精度提高到10um,就可将95%直径大于10um的有害氧化铝、二氧化硅粒子以及其它机械杂质有效过滤掉。在一些跟踪的案例中,仅在供油单元和主机之间加装一台过滤精度10um的自动反冲燃油滤器,其它没有任何改变,排气阀的使用寿命可延长一倍以上。

比如,在跟踪的一艘船舶上,图示过滤器安装于供油单元和主机之间,以主机燃用200吨重油为计算节点,通过该过滤器过滤出的如下图所示的颗粒杂质,约在2至4公斤之间。

作者:张庆胜 来源:机务之家

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