平舒电厂燃气发动机缸套穴蚀原因及解决措施

蔡子龙

（晋中市阳煤扬德煤层气发电有限公司 山西 晋中 045400）

穴蚀又叫空蚀、气蚀、空化和空泡腐蚀。穴蚀也是一种局部腐蚀，特征是气缸套表面聚集着小孔群，呈蜂窝状或分散状的孔穴，孔穴直径一般在1 mm以上，孔洞表面无腐蚀物沉积。穴蚀一旦形成，发展迅速，孔洞会在较短时间内扩大、变深，甚至穿透缸壁，导致缸套报废，显著降低了燃气发动机的使用寿命和工作稳定性，同时提高维修费用，增加了运营成本。

1 G12V190ZLDT1-2型燃气发动机总体结构

发动机是一种将其他形式能量（如燃料内能）转化成机械能量的动力装置，主要为生产或者生活提供动力。随着科学技术的进展，发动机的类型也在不断改进，内部结构也出现变化，但是发动机应该具备的基本元素不会发生变化，包括曲柄连杆机构、配气机构、润滑系统、燃料供给系统、冷却系统、启动系统和点火系统。其中气缸故障主要发生在曲柄连杆机构和配气机构。曲柄连杆机构包括机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组三部分，构成了发动机的主要运动机构。配气机构完成发动机的配气过程，保证发动机正常运行。G12V190ZLDT1-2型燃气发动机功率为500 kW机组，12缸V型排列，缸径190 mm，为涡轮增压型发动机。

2 发动机缸套发生穴蚀的原因

迄今，气缸套发生穴蚀的根本原因还不完全清楚，但是研究者一致认为与气缸套高频振动和冷却水携带电解质有关。气缸套穴蚀是以恶搞复杂的过程，包括物理过程和化学过程，气缸套在活塞往复运动冲下高频振动引起空泡溃灭是产生穴蚀的根源，冷却水携带的电解质引起电化学腐蚀起到促进作用。

2.1 缸套高频振动引起空泡溃灭

（1）气泡的产生：穴蚀是由于气泡破裂产生局部冲击高压而形成的，那么气泡如何产生就成为了穴蚀的关键所在。①液体中含有一定量的空气，空气可溶解在液体中，或者以气泡的形式混合在液体中。②液体汽化形成气泡，液体发生汽化时会产生大量蒸气气泡。③化学反应生成气泡，冷却水中的例子与金属表面物质发生化学反应放出气体，生成气泡。

（2）空泡溃灭：高频振动和变形使缸套外壁冷却水高速波动，不断交替地受到拉伸和挤压，拉伸使得缸壁附近的水出现局部真空，易于产生气泡；挤压使压力升高并达到一定值时，黏附于缸壁外围的空泡瞬间溃灭。这种溃灭在极短的时间内完成，由于气泡溃灭是在缸套表面附近，液体质点犹如无数的小弹头连续地击打在缸套外壁面，使缸套表面逐渐因疲劳而造成破坏，导致穴蚀。

（3）产生高频振动的原因：①燃料燃烧爆发会产生压力，使缸套承受一定的侧推力，缸套与活塞之间存在间隙，侧推力使缸套产生振动。②缸套与活塞间隙不合理，活塞往复运动使会缸套造成冲击。③缸套壁薄弱导致振动剧烈。

2.2 缸套电化学腐蚀

冷却水为弱电解质溶液，与缸套外壁上的金属或杂质形成无数微小原电池，导致缸套发生电化学穴蚀。另外冷却水流缓慢，温度较高时可加速电化学穴蚀。缸套多使用铸铁制造，发动机在工作时缸套外面受拉应力，金属容易逸出溶于水。

3 G12V190ZLDT1-2型燃气发动机缸套穴蚀现象分析

3.1 穴蚀现象

G12V190ZLDT1-2型燃气发动机自2014年1月12日成功并网发电至今共计运行时间25 000 h，经历2次中修，运行至6 000 h至9 000 h时出现呼吸器冒白雾现象，决定对其缸套进行拆检，拆检缸套时发现缸套发生穴蚀，严重时出现缸套穿透的情况。如图1所示。

图1 产生穴蚀的缸套

3.2 原因分析

根据现场情况，对比其他同类低浓度煤层气发电厂设备进行分析研究，G12V190ZLDT1-2 型燃气发动机运行至6 000 h至9 000 h时出现穴蚀情况，当时对2#机组进行改装，将2#机组DN65 进出水管加透明观察管，观察时发现透明观察管有大量气泡冒出，检查补偿水箱时发现水箱内液位翻滚明显，对比同类K 电厂同类型机组，在发动机运行至6 000 h至9 000 h时未出现穴蚀情况，与K 电厂不同之处，我电厂G12V190ZLDT1-2型燃气发动机的补偿水箱与机组平行，机组运行时，补偿水箱内冷却液翻滚严重，K 电厂G12V190ZLDT1-2型燃气发动机的补偿水箱在厂房顶部，高于机组，机组运行时，补偿水箱内冷却液无翻滚现象，对比研究后，决定将补偿水箱抬高，第一次将补偿水箱提高500 mm 后，观察透明观察管，观察发现气泡减少，但仍有气泡冒出，于是将补偿水箱提高1 500 mm，，观察透明观察管，观察发现有少量气泡冒出，补偿水箱液位基本无翻滚。此次改造后，在机组运行至18 000 h 时，未出现呼吸器冒白烟的情况，机组第2 次中修时，对缸套进行拆检，发现仍然有少量缸套发生穴蚀，从此现象可以看出，加高补偿水箱可以减少缸套穴蚀，但并不能完全消除缸套穴蚀的情况，冷却水压力高可以抑制空泡的形成。

3.3 研究结果

经过研究发现，由于G12V190ZLDT1-2 型燃气发动机缸套呈V型排布，活塞在气缸套内作往复运行时，活塞经上、下止点时，活塞受力BA可分解为垂直向上的力CA 和水平方向的力BC，当活塞做功时，缸套就会受到水平方向的力BC，从而引起弹性形变，产生振动。曲轴转动缸套受力位置从气缸面一(B)侧改变到另一(A)侧，由于气缸套倾侧摆动撞击气缸套，引起气缸壁振动和变形。由于机组曲轴是逆时针方向旋转的，所以气缸套受力也为逆时针，气缸套的受力情况决定了缸套穴蚀的处所。因此出现7#～12#缸，缸套穴蚀发生在缸套外侧（A点），1#～6#缸，缸套穴蚀发生在缸套内侧（B 点）。至此，气缸套穴蚀的主要成因终于找到。如图2所示。

图2 发动机气缸套受力图及发动机曲柄连杆机构

3.4 解决措施

①减少气缸套振动：采用更为合适的活塞与气缸套配合，活塞与气缸套的配合间隙是活塞横向摆动时冲击缸套的主要原因，尤其是活塞在上下止点处的换向对气缸套的冲击很大，间隙越大，则气缸套受活塞的冲击就越大，气缸套振动也就越大，穴蚀就愈加严重。G12V190ZLDT1-2 型燃气发动机活塞裙部（活塞最大处）与气缸套的配合间隙最小为0.230 mm,最大可达0.436 mm，选用较小内径的气缸套和较大外径的活塞，尽可能是其配合间隙缩小在0.260 mm以内，可以有效的减少气缸套振动，同样，采用膨胀系数小的材质做活塞也可以达到此目的。采用新厂新缸套密封胶圈做试验。将第一道密封胶圈的厚度加厚0.2 mm，将第一道密封胶圈的宽带略微加厚，保证密封胶圈全部充满环槽，可以大大的减少气缸套振动，拆检过程中发现，好多缸套穴蚀均发生在密封胶圈接口处，此次改造，我相信将会解决这一问题。适当增加气缸盖螺栓的紧固力矩。②减少冷却液腐蚀：在冷却液中加入缓蚀剂，减少气泡破裂后产生的能量也是防止气缸套穴蚀的有效措施之一。③加快冷却液流动：研究使用新型水泵，加快冷却液的流动，从而抑制气泡的产生，同时水泵的出力大小会影响夏季机组高低温水的循环，水泵出力大会降低机组进出水的温差，从而达到降低机组内出水温度的效果。④在机组高温水泵进口处增加自动排气球阀，将可能从外界带入机组内的气体排除。⑤修补穴蚀部位，41#机组机体穴蚀后采用工业修补剂TS101AB胶对机体穴蚀部位进行修补，修补前先将机体穴蚀部位进行打磨除锈，然后用酒精将机体穴蚀部位进行清洗，最后将TS101 AB 胶按2：1 的比例进行混合，自然风干48 h后检查机体修补部位的硬化情况，硬化良好，便可以进行回装。22#机组运转750 h进行月保养时对机体进行检查，发现机体穴蚀修补部位完好，AB 胶无脱落情况。如图3所示。

图3 22#机组修补750 h后效果图

4 小结

燃气发动机的磨损不可避免，但大多数故障在运行中是有迹可循，结合检修工作对机组进行故障排查，积极改善机组的运行条件，可以发动机寿命的延长。气缸套是发动机的核心部件，本文针对G12V190ZLDT1-2型燃气发动机气缸套产生穴蚀的原因进行分析，采取相应预防措施和解决方案，可延长气缸套穴蚀使用寿命，增加发动机的稳定性，更好的实现安全生产和产能的提高。