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        燃用重油的四沖程中速機排氣閥燒損的原因及對策

        時間:2017/9/18 16:57:35 點擊:

          內容提示:國內沿海航行的一些中小型船舶上,配置的主機大多是國內柴油機廠家(如廣柴、錫柴、淄柴、寧波中策等)生產的320、300、N330等系列機型,且多為燃用重油的四沖程中速柴油機。因各種原因,其為主機服務的輔...
        國內沿海航行的一些中小型船舶上,配置的主機大多是國內柴油機廠家(如廣柴、錫柴、淄柴、寧波中策等)生產的320、300、N330等系列機型,且多為燃用重油的四沖程中速柴油機。因各種原因,其為主機服務的輔助系統的配置也相對較低。多種因素的作用使得這些機型在運行過程中普遍存在排氣閥的使用壽命短,氣閥燒損嚴重的現象。柴油機及排氣閥生產廠家雖然提高了排氣閥密封面合金的耐溫性能并改進了氣閥的生產和加工工藝,但效果仍然不夠理想。本文通過對其產生的原因進行分析,并結合實際給出改進建議。

        首先,造成排氣閥燒損的主要原因有:
        1,燃油中含有不可燃燒的顆粒雜質。
        2,燃油燃燒不良而導致的結碳的影響。
        3,燃油中含有釩、鈉等易引起金屬高溫腐蝕的元素。
        4,氣閥的轉閥器失效。
        5,氣閥的質量問題。
        6,排氣閥和閥座研磨不良或者其它原因,使排氣閥與閥座的密封面存在漏氣。
        7,氣閥間隙調整不當,間隙過小導致排氣閥工作時無法關閉

        其次,燒損問題的產生過程和原理
        1,當進入燃燒室的油品中混有不可燃燒的雜質顆粒物時,這些雜質顆粒會隨著排氣排出氣缸,在排出的過程中會有一定的幾率在排氣閥關閉時被卡阻在排氣閥和閥座的密封面上。造成排氣閥不能完全關閉,這個卡住的顆粒雜質的直徑有多大,氣閥的開度就有多大。雖然能通過噴油器的噴孔進入燃燒室的顆粒雜質都較小,但在燃油混合氣體爆炸燃燒時,燃燒室的爆炸壓力很高,微小的氣閥開度也能造成高溫高壓燃燒氣體的竄出。這時候竄出的燃燒氣體的溫度很高,瞬間的峰值可達一千多攝氏度,遠遠高于排氣沖程中流經排氣閥密封面做功后的廢氣溫度。排氣閥的密封面材料可以經得起正常排氣時的廢氣的沖刷,但經不起如此高壓和高溫的燃燒氣體的沖刷,很短的時間就會造成排氣閥燒損。尤其閥門卡住的是混在重油中的氧化鋁和二氧化硅這些極硬顆粒時。這就是一些排氣閥的出廠時耐溫測試在500℃以上,但實際工作時的排溫沒有超過400℃就把氣閥燒損的主要原因。也是排氣閥使用壽命短的主要原因。
        2,燃油燃燒不良以及因此造成的結碳。燃燒不良不但會引起排溫升高,而且會在燃燒室形成結碳。排溫升高使排氣閥的工作環境更加惡劣,疊加其它情況后加劇了排氣閥的燒損。燃燒室中的結碳會有一部分隨著廢氣排出,它也會像前面說的顆粒一樣卡在排氣閥和閥座的密封面上,造成的氣閥燒損過程也如顆粒造成的過程相同。尤其是重油的加熱溫度控制不佳,粘度太大造成噴入氣缸的燃油難以霧化,高壓油泵柱塞磨損造成的燃燒后移等原因引起的燃燒不良,對排氣閥的燒損影響很大。
        3,目前在航運市場上普遍使用的劣質燃油中含有大量釩、鈉和硫等元素。在燃燒過程中硫、釩和鈉等元素形成氧化硫、五氧化二釩和氧化鈉等(這些氧化物的化學成份取決于過量氧氣和燃燒溫度)。氧化物之間要發生反應,而且還要與滑油中的鈣反應,形成低熔點的鹽類,有硫酸鈉,硫酸鈣和不同成份的釩酸鈉等。這些鹽類混合物熔點一般為535°C 左右,同時具有較強的腐蝕性。當零件溫度在550°C 以上時,足以使釩、鈉化臺物處于熔化狀態,附著于零件表面。當排氣閥在工作中時,由于排氣原因(氣閥溫度可達650—800°C 以上),使它以液態形式沉積在閥盤及閥座以及閥桿與閥面的過渡表面上。這時即使是非常耐腐蝕的硬質合金鋼也會受到腐蝕,腐蝕結果在密封錐面上形成麻點、凹坑。凹坑相連就可能造成漏氣。由于上述腐蝕是高溫條件下產生的,所以稱之為“高溫腐蝕”。 在上述高溫腐蝕的有害元素中以釩的危害性為最大。
        4,排氣閥的轉閥器失效。燃用重油的四沖程柴油機為了降低上述第1、2、3項原因對氣閥壽命的影響,設計了排氣閥的轉動機構。使排氣閥每開關一下都自動旋轉了一個角度,以此清除卡在密封面的顆粒和結碳,避免顆粒和結碳在排氣閥密封面的堆積。如果這個排氣閥的轉閥器失效,不能使排氣閥在工作中保持不停地轉動,或轉動和氣閥的關閉行程不協調,將會使排氣閥很快燒損,極大地縮短排氣閥的使用壽命。
        5,第5、6、7等原因屬于偶然因素,這里略過不討論。

        第三,關于燒損排氣閥問題的一些誤區。

        在實際的柴油機運轉管理中,出現燃燒不良排氣溫度升高后,會造成排氣閥在短時間里燒損。輪機員往往會采用降低柴油機的運行轉速,使排溫降低到一定的區域,比如讓排溫從380℃降到330℃,這樣排氣閥還能堅持使用一段時間。由此使很多輪機員在認識上進入一個誤區并得出錯誤的結論,認為排溫高是燒損排氣閥的主要原因。在管理上把主機置于低負荷區域運行,對主機運行極為不利,也嚴重影響了船舶的經濟效益。排溫從330℃升到380℃,雖然對燒損氣閥有疊加的影響,但升高這50℃不是造成排氣閥燒損的主要原因。因為把主機轉速降低,使排溫從380℃降到330℃的同時,柴油機的負荷也和轉速成3次方的關系降低,燃燒室燃燒氣體的爆炸壓力和溫度也降低了許多。這時雖然同樣存在顆粒或結碳卡在排氣閥和閥座密封面的情況,但因燃燒室的爆壓大幅降低使泄漏的燃氣也大幅減少,并且泄漏燃氣的溫度也大幅降低,因此排氣閥使用期得以延長。這也是一些低爆壓的老型燃用重油的四沖程柴油機,即使選用質量一般的排氣閥也不容易燒損的原因,因那些機型的爆壓和熱負荷都較低。

        第四,解決和預防排氣閥燒損的對策。

        對氣閥轉閥器,應加強運轉中的監控,發現有轉動遲滯的現象應及時保養換新;對供應的燃油,釩、鈉的含量應控制在允許的范圍;合理使用燃油添加劑改善燃燒狀況,去除有害物對燃燒產生的影響;對燃油中含有不可燃燒的顆粒雜質,以及燃燒后移造成的排溫升高燃燒不良等原因,可采取提高燃油過濾器的過濾精度;加強分油效果;對其它引起燃燒不良的缺陷也應及時修復。

        第五,一個跟蹤案例。

        在同樣配置這些機型的船舶中,有些主機燒損排氣閥的現象較不明顯。那些經常引起氣閥燒損的柴油機,都有一個共同的特點,就是進入主機的燃油過濾器的過濾精度差,網目大于35um,有些甚至大于50um。重油中的氧化鋁、二氧化硅這些極硬的顆粒,還是極硬的磨料,是原油在提煉過程中經二次催化裂化而大量帶入的,極易造成高壓油泵柱塞和噴油器針閥的磨損。不但是造成噴油燃燒過程后移,引起排溫高的元兇(參見筆者在《國產燃用重油中速柴油機的兩個常見故障及解決方案》中的分析)。還是造成排氣閥燒損的主要原因之一。如果把燃油過濾器的過濾精度提高到10um,就可將95%直徑大于10um的有害氧化鋁、二氧化硅粒子以及其它機械雜質有效過濾掉。在一些跟蹤的案例中,僅在供油單元和主機之間加裝一臺過濾精度10um的自動反沖燃油濾器,其它沒有任何改變,排氣閥的使用壽命可延長一倍以上。

        比如,在跟蹤的一艘船舶上,圖示過濾器安裝于供油單元和主機之間,以主機燃用200噸重油為計算節點,通過該過濾器過濾出的如下圖所示的顆粒雜質,約在2至4公斤之間。

        作者:張慶勝 來源:機務之家

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