HY轮MEC电喷主机缸套和活塞环异常磨损原因分析...相当详细到位！

引言：HY輪于2017年3月日本大島船廠製造，主機型號為KAWASAKIMAN B&W 5S50 ME-C8.2 (DERATING),M.C.O.5650KWx108rpm、N.O.R.（77.1% MCO）4335KWx103.0rpm 燃油耗油率159.3g/kwhat NOR，燃油使用範圍380cstat 50℃-2.0cst at40℃，主機吊缸檢修週期為16000h，下面就主機运行中NO.3缸发生故障予以分析和说明，請參考。

一、经过

2020-6-9船舶自加拿大开往比利时的正常航行中，上午10点下机舱巡视发现NO3缸盘根箱残油漏斗处的残油颜色较其它缸的颜色黑些，查看主机各参数一直稳定正常，稳妥起见把NO.3缸注油率调至由0.90 g/kwh调整0.94 g/kwh，经观察漏斗处的残油颜色有所改观，当时怀疑是盘根箱上部气令工况不良污染所致，同时，船方安排対各缸的气缸残油进行了取样以进一步获取各缸磨损情况。

2020-6-10凌晨2点左右，值班轮机员发现NO.3缸断续出现敲击声，老轨、主管人员下机舱后多方查找，初步判断敲击声来自缸头上部排气阀处，其敲击的频率随船舶的摇晃而变化，当船向右摇晃时出现敲击声，船扶正时敲击声消失，此时因风浪太大无法停车检查。2020-6-12凌晨1点左右，船舶进入ECA区域前，海况逐渐平复，NO.3缸排气阀处的敲击声逐步减小，换用轻油后此敲击声消失。

二、故障现象

2020-6-13 晚20点靠泊，2020-6-16 0800对主机缸套、活塞令检查及盘根箱清洁，发现NO.3缸活塞令表面磨损“粗糙”严重，缸套表面波形花纹几乎消失并有纵向拉痕，其余各缸活塞令及缸套状况正常。照片如下：

NO.3 缸活塞令表面磨损情况

 NO.3 缸套磨损情况

当天0930决定对NO.3缸吊缸检修，活塞吊出后发现活塞顶部积碳正常，而在活塞TOP-LAND排烟侧偏后，大约120弧度范围存有沉积物，其表面坚硬而光亮且与缸套间存在严重磨擦；活塞令表面粗糙、部分光亮，环的上部边缘尖锐有毛刺存在，无断令现象，活塞令在环槽中活动自如，从环的表面磨损情况分析其属于说明书PLATE 70717活塞令磨损工况的第三种情况“TOTAL SEIZURED”；缸套表面纵向有垂直型拉痕存在，虽用肉眼看不出毛刺，但可看出及手感明显的拉痕，缸套测量最大值较上次吊缸增加两毫米左右，没有超极限。

活塞头部环带左后部沉积物

清洁后的活塞头

活塞令换新

但当时受船期等原因所限，没有时间换新缸套，只将活塞令全部换新，搭口间隙及天地间隙测量、排气阀换新、油头换新，各部件检测后装复原位，恢复主机正常。此时距上次吊缸检修时间3432h、排气阀检修时间658h、油头检修时间412h。

三、原因分析

1.一般来讲，缸套的磨损分类为：

• 腐蚀磨损：低温腐蚀，在第一道活塞环处磨损最大，因此处酸最多、润滑油膜最薄。

• 颗粒磨损：特征是沿缸套内圆表面或活塞令的表面有纵向的直线划痕，肉眼可见，有手感。

• 粘着磨损：一般出现在磨合期（缸套与活塞环）和长期运转后（几千小时）（缸套、活塞令与活塞裙部）。特点是：沿运动方向出现条纹状的磨痕，有时伴有暗红色或发兰色（氧化物），磨损率高。其磨损机理为：粘着——粘着点剪切——材料转移——反复作用后脱落，形成磨练粒。

低温粘着磨损—相对运动速度不大（0.5~0.6m/s）而法向载荷较大，摩擦表面温度在100~150度之间。接触点粘接——产生塑性变形而硬化（强度大于摩擦副中较软金属的强度——因相对运动而被剪切。表面层和基体的金相组织和化学成分均无明显变化。

高温粘着磨损：--相对运动速度很大而法向载荷较高，接触点的瞬时温度很高——表面金属发生软化并粘结在另一金属表面——沿运动方向形成裂口和凹穴。表面层的金相组织和化学成分均有明显变化。磨屑呈薄带状，厚度较低温摸粘着磨损厚度小。

粘着磨损形式：

名称	发生剪切部位	表面破坏程度
轻微磨损	粘着面上	金属有极轻微的转移
涂抹	距粘着面不远的较软的金属浅层	较软的金属涂抹在较硬的金属表面
擦伤 划伤	较软金属的表层内 较软金属的表层内	沿运动方向产生细小拉痕 严重的拉痕
撕裂	较软金属表面深层处	表面被严重撕裂而显得很粗糙和有明显的变形
咬死	粘着强度高，粘着面积大，剪切应力小，粘接点焊合而使相对运动受阻。

通常说的拉缸，也即粘着磨损为：柴油机运转时，活塞裙、活塞环和气缸套工作表面在异常情况下出现擦伤、划伤、撕裂和咬死的现象，分为轻微拉缸、严重拉缸（咬死），本船的粘着磨损属于“撕裂”粘着磨损。

2.影响粘着磨损的因素：

1)缸套与活塞令磨合不良：新造柴油机在制造厂台架实验时进行磨合运转，装船后还需进行磨合运转，船舶营运中摩擦副成对更换或只更换其一时，也需进行磨合运转。活塞环—气缸套良好磨合的标志：是环表面清洁光亮、无拉痕且活动自如。   磨合初期用不含碱性的纯矿物油，随后选用中度碱值气缸油，最后使用高碱值气缸油，按说明书调节注油率，转速由低到高、负荷由小到大、运转时间分配合理。

2)缸套过热：由于活塞令断令、后燃、定时不正确，导致燃烧恶化引起的气缸过热。

3)水侵入扫气空气中。

4)大量磨损颗粒的存在：如燃油中CAT FINES 和扫气空气携带灰尘或砂砾。

5)气缸注油率不正确，注油率过高，造成CHEMICAL BORE POLISH及MECHANICAL BORE POLISH。

6)PC令功能不正常，活塞头环带沉积物过多，造成与缸套表面的相互摩擦，即：MECHANICALBORE POLISH。

7)气缸注油定时、油膜及气缸油的选用。

8)燃油品质

3.分析结论

NO.3缸故障磨损时，其已运行3432h，期间每次活塞令及缸套检查状况良好，各热工参数及空冷器凝水疏通正常等，所以排除了磨合不良引起拉缸、缸套过热及扫气中含水引起的粘着磨损，因此，引起缸套和活塞令产生粘着磨损的原因主要集中在以下几个方面：

1)燃油品质的影响：自2020-1-1起，船舶开始使用超低硫燃油V.L.S.F.O，该燃油是一种混合油，是由分馏塔底部汲取出来的产品称为“slurry oil”或者“decant oil”，其特点是密度较高，粘度低，大约30-60cst 50℃，由于是高芳香烃，其是理想的渣油混合部分，从这个炼油过程看，大量各种有害物质如CAT-FINES等进入了渣油，然后利用这部分渣油与其它油品混合并脱硫，从而形成新型超低硫燃油。燃油中CAT-FINES是由ALUMINUM OXIDE 和 SILLCON OXIDE 组成，其颗粒尺寸从亚微米至30um不等，接近圆形的的颗粒，依据最新的ISO 8217燃油标准规定，供船燃油中的硅铝含量不能超过60ppm（单位重量），经过离心分油机分离后，燃油中硅铝含量进机前可减少80%左右，本船的进机前二级燃油自冲滤器孔径为10um，因此，进机的燃油中不可避免的含有一定量的CAT-FINES；另外，本船使用低硫燃油过程中，发现有的批次燃油稳定性较差，分油机分离出的油泥较多，高峰时平均每四个小时需清洗分油机一次；有的批次燃油分离后仍较脏，具体表现为主、付机、锅炉等的燃油滤器脏堵严重，并多次导致付机、锅炉燃烧恶化冒黑烟。

因此CAT-FINES 及不良燃烧产物的存在必将造成主、付机等运行设备非正常磨损或损坏。

2)气缸油因素：山海关船厂开航后，船方即使用道达尔公司应对低硫燃油使用新型气缸油TALUSIA UNIVERSAL，碱值BN 57，对应含硫量为0.5%燃油讲，其有效的综合酸能力应该没有问题，但低碱值气缸油普遍存在的问题是清洁分散能力差于高碱值气缸油，然而，认可的气缸油，即使在最低安全注油率0.6/kwh时，也能满足对活塞令、令槽、活塞令环带的清洁要求；对于ME型机来讲，注油器的控制整合由ECS系统完成，并有自检功能，任何的定时偏差都会自动修正及并报警，因此气缸油及定时不存在问题；关于气缸油膜的建立，当最佳油膜的注油率达到后，注油率即使再增加也不会使得油膜的厚度增加，而获得最佳油膜的安全下线为为0.6g/kwh，因此气缸油因素对缸套的粘着磨损影响不存在。

3)气缸注油率的调节：本船使用含硫量2.0-3.5%高硫油时，基本注油率设定为BASIC SETTING=S% X feed rate factor=3.1%x0.32=1.0g/KWh，注油率的正常调节范围为1.0-0.6 g/KWh之间，自2020年一月一日起使用含硫量为0.5%低硫燃油，当硫份低于1.5%时，燃油的燃烧特性有可能变差，可能对气缸状态引起问题，同时应调节气缸注油率与燃油含硫量的匹配，避免高减值气缸油对主机造成不利影响。

说明书规定当使用低于含硫量1.5%的燃油时，应按计算公式PL=P-(1.5-S)x0.25来逐步调节：

PL=使用低硫油时的推荐的注油率g/PSh

P=当前的注油率g/PSh，我轮为0.74g/PSh即1.0 g/KWh

S：硫含量百分数

按含硫量0.5%的燃油计算，其注油率对应为：PL70=P-(1.5-S)x0.25=0.74-(1.5-0.5)x0.25=0.49g/PSh=0.67 g/KWh，考虑到此公式是基于BN70碱值为依据计算出来的，若换成碱值为BN57的气缸油，其注油率应为：PL57=70*57xPL,=0.82g/KWh。

船方按要求，结合扫气口检查（期间每次到港都要对缸套和活塞令工况检查均正常），逐步将主机基本注油率由1.0 g/kwh 调整至0.9 g/kwh ，并分别在注油率为0.96g/kwh和0.90 g/kwh时两次气缸残油取样送交化验室化验，化验结果均正常。

另外，所谓的基本注油率是平均工况下，确保安全和滑油经济性气缸状态，所获得的注油剂量，基本注油率是按额定功率、额定转速计算的，实际营运时的功率很少达到主机额定工况，而本船的运营转速102-103rpm使用功率仅为3800kw左右，约为额定负荷67%左右，经济航速下转速仅为95-98rpm对应功率更低。

因此，从缸套、活塞令工况检查、理论上和化验结果均表明，本船主机气缸油调节安全冗余很大，不存在因气缸油微调造成活塞令和缸套的异常磨损。

2020-3-15修船出厂后，主机换用了碱值为BN57气缸油，主机吊缸检修磨合后，气缸注油率又逐步调整至0.92 g/kwh ，而NO.3缸自2019-11-4韩国蔚山吊缸检修磨合后，其注油率一直保持0.9 g/kwh未变。2020-5-6 在美国巴尔的摩港检查缸套活塞令状况显示各缸状况均正常，详见五月度维修报表照片。

2020-6-16主机NO.3缸吊缸检修时各缸运行时间表及气缸注油率

1	2	3	4	5
1376 h	3432 h	3432 h	1318 h	1376 h
主机气缸注油率
92	92	90	92	92

4)PC令及MECHANICALBORE POLISH：从活塞头部环带沉积物的存在看，活塞头环带120弧度左右沉积物已明显形成对缸套的MECHANICAL BORE POLISH，导致缸套上润滑油膜的破坏，造成活塞令和缸套之间的干摩擦，由于磨损的活塞令在环槽中的自由转动，继而引起整个活塞令和缸套的粘着磨损，位于活塞头部环带沉积物一方面表明了气缸注油率在某种程度上的“过剩”，同时也可能意味着PC令某些功能的缺失。

综上分析，缸套、活塞环（及活塞裙部分拉痕）发生突发性粘着磨损原因为：

由于活塞头部环带120弧度范围沉积物（主要为过量气缸油的残余物钙基成分）存在，其和缸套产生紧密摩擦，导致缸套上的润滑油膜遭到破坏，活塞令与缸套之间形成局部干摩擦，造成缸套和活塞令的磨损，而活塞令在环槽中自由转动，逐步造成整个活塞令及缸套表面的粘着磨损。

燃油中CAT-FINES引起的磨损：从活塞令的上下端面看，活塞令的上下端面明显存在“麻坑”这证明燃油中的磨损颗 粒卡在活塞令端面和令槽端面之间，造成环端面的“POCK MARKS”；一般颗粒磨损可在活塞表面形成垂直喇叭形沟槽刮痕，通常不会产生MICRO-SEIZURE“微咬”，但如果颗粒磨损的加剧，必然导致“过度微咬”也即SCUFFING粘着磨损产生。

2020/6/22道达尔比利时化验室对船方所取主机气缸残油化验结果表明：主机NO.3 缸P-Q指数高，其它缸的P-Q指数也较高，这使得在这些气缸残油样中的铁含量过高，建议检查燃油系统，改进燃油分离，保持燃油良好状态；NO.1、NO.3缸铬含量过高，表明活塞令及槽等的铬涂层磨损增加，本人认为这主要由于燃油中CAT-FINES等颗粒进入活塞令环槽，活塞环及槽涂层磨损引起的；NO.3缸磷P和锌Z含量高，表明其盘根箱刮油令使得系统油进入了该缸的气缸残油样中，因此，需检查该缸盘根箱刮油令的工况。

结合化验报告及船方汇报，公司认为：主机NO.3缸套和活塞令异常磨损是由于燃油质量引起的，建议加强燃油的清净分离，保持燃油进机质量。

关于缸头上部的敲击声：因本船主机燃烧室设计是在缸头上部，排气阀座的位置恰在距缸头顶部1/3的位置，外部听起来好像是排气阀座处撞击，声音较为沉闷，并不是清脆的金属撞击声，2020-6-12换轻油后，直到根特港靠泊，敲击声一直没有发生：本人认为这种现象符合主机拉缸出现的特有异响“吭吭或哒哒”声，这种声音往往出现在活塞上死点位置，并随船舶状态而改变，换用轻油后，燃油的质量和燃烧获得改善，拉缸现象得以减轻，故异响暂时消失。

4.后续的工作

1)比利时根特开航近4天后，2020-6-21船抵立陶宛克莱佩达港，船方对NO.3缸活塞令及缸套进行了检查，发现缸套和活塞令又出现了磨损，故重新吊缸换新了该缸套。

截止到2020-7-31，该缸套换新后已运行557h，多次检查其磨合情况良好。

2)根据2020-6-22气缸残油化验报告，船方加强了对主机各缸的检查，在发现NO.4缸活塞令断令以及缸套局部磨损后，于2020.07.22对主机NO.4缸进行了吊缸检修，距上次吊缸检修时间仅为1894h。

• 吊缸后发现：第一道活塞令搭口处断掉约25mm、活塞头部环带存在45度弧度的沉积物并于缸套形成bore-polishing，缸套排烟侧偏前存在宽约30mm的纵向拉痕，见照片。

• 经分析认为：活塞令折断原因与令槽磨损变形有关；缸套排烟侧纵向拉痕与活塞头部环带沉积物、断令及燃油质量有关；活塞令表面垂直型沟槽磨痕与燃油质量有关。

• 修复：因船无活塞令备件库存，只好挑选出一道可以使用的旧令修复后换用在第一道，第2-4道令沿用原令。

从磨损现象看，NO.4缸套和NO.3缸套磨损相类似，此不赘述。

截止2020-7-31该缸已磨合运行44小时，期间两次缸套、活塞令状况检查，情况良好。

第一道断令

缸套排烟侧磨损情况

3)今后一段时间，船方仍会面临低硫燃油的使用，其特点是含有害物较多、稳定性较差及燃油质量不一，因此：加油前一定在油舱内加注燃油添加剂；按燃油化验报告及厂方要求严格控制分离温度和尽量低流量，确保燃油净化设备良好；每次抵港后对缸套、活塞令表面工况检查，视情况调整气缸油量，做好气缸残油定期及疑问化验；加强对喷油设备的拆检，保持主机燃烧工况正常。

匆忙起草，难免有误，请修改指正！

来源：惠通惠航资料编辑整理   

来源：惠通惠航资料编辑整理   作者：海悦轮轮机长 贾广信