7RT—Flex68D主机缸套低温腐蚀故障实例
赵玉铭+ 岳刘斌
摘要：受船舶运力严重过剩和经济增长缓慢的影响，同时为了推进绿色航运，各大航运公司都在实施节能节排，提高船舶营运效率，纷纷寻求各种办法降低营运成本，提高竞争力。船舶采取经济航速运行已成一种新常态化。主机低速运行和优化气缸油注油率可以降低燃油和润滑油成本。但诸如此类的降本增效措施，会对主机工况、船舶维护成本以及船舶安全性能方面带来不利影响。我轮主机采用瓦锡兰公司船用共轨（RT-flex）系列柴油机，型号为7RT-flex68D，持续功率21 910kW/95rpm，超长行程。主机运行在低低负荷转速下，造成了缸套低温腐蚀的发生。
关键词：低温腐蚀 注油率 含硫量
1 故障描述
本轮服务于国内南北线，南沙-天津定线，执行公司节能减排政策-主机降速运行20%负荷，56rpm。 2017年4月在南沙港期间，对主机扫气箱例行定期检查，发现主机每个缸缸套下方出现黑色斑块，斑块大小不一，各缸严重程度不同，黑斑均出现在缸套气缸油注油口和扫气口之间。 主机使用气缸油为SHELL Alexia S5 （TBN：70），各缸注油率均设定在0.86g/kWh， 燃油含硫量为2.6%（m/m），在5天前主机刚换用这批新装燃油，之前燃油含流量为1.5 %（m/m）。直接原因以为是燃油含硫增加所致，发现低温腐蚀后，随即调高气缸油注油率至1.1 g/kWh。航行3天抵宁波港后，主机扫气箱检查，低温腐蚀现象减小，黑色附着物已基本消失，在原黑色斑块处留下白色痕迹，各缸活塞头侧面和第一第二活塞环带间出现了积碳现象，说明气缸油注油率过大。检查后将注油率下调至1.05 g/kWh。随后航行3天抵天津港，主机扫气箱检查，个别缸套下方又出现低温腐蚀黑板块，黑色斑块均出现在主机缸套右侧（增压器侧），且活塞头侧面和第一第二活塞环之间积碳增多。根据此现象对缸套有低温腐蚀的缸增加气缸油注油率至1.1 g/kWh。
从天津航行至南沙途中，对主机扫气箱残油取样，抵南沙港后送化验室化验。再次对主机扫气箱检查，发现每个缸都有黑色斑块，严重情况不一，但有一共同特点，黑色斑块多数出现在主机缸套右侧（增压器侧）。活塞头侧面和第一第二活塞环带之间积碳增多，个别缸出现第二第三活塞环带间出现积碳现象。根据这一现象，只能一边等化验数据，一边调高气缸油注油率至1.15 g/kWh。化验结果送船显示，残油TBN数值在15～25 mgKOH/g之间（已报警），含铁量各缸已超100 mg/kg，个别几个缸在200mg/kg上下（报警值在200mg/kg）。
随后的几个航次在港对主机扫气检查中，低温腐蚀现象时有时无，气缸油注油率始终无法低于1.15 g/kWh，且活塞环带间积碳有增无减。
2 理论分析
2.1低温腐蚀
低温腐蚀是燃油中的硫份在气缸内燃烧过程中生成的二氧化硫和三氧化硫，均为气体，与水结合生成次硫酸和硫酸（缸壁温度低于它们的露点时），从而形成低温腐蚀。
当气缸油的总碱值过低时，则在各注油点之间的缸套表面上会出现漆状沉淀物，而漆状物底下的缸套表面则因腐蚀而发暗。当用镀铬缸套时，在被腐蚀处会出现白斑（硫酸铬）。
影响低温腐蚀的因素有燃油中的含硫量大小，气缸油中的碱值和注油率大小，扫气的含水量。扫气含水量和与空气的湿度，扫气温度等有关。当船舶航行在高湿海域时，要注意检查空冷器冷凝水的泄放情况。扫气温度的设定具有双重性，较低的温度可以起到“干冷”扫气，扫气相对湿度降低，主机功率增加；但扫气温度低会影响缸壁温度，一旦缸壁温度低于露点，在缸壁气缸油膜碱值不足时就会发生低温腐蚀。主机服务通函中讲到主机运转在低低负荷时，建议适当提高扫气温度，以避免发生低温腐蚀。
提高主机缸套冷却水温度减小低温腐蚀，MAN公司已经利用LCDL系统，将主机缸套冷却水提高至120 ℃，用来防止低温腐蚀发生。
2.2气缸油的作用
清洁运动件：包括对活塞环，环槽，环槽之间的环带，清除附着在这些运动件上的燃烧残留物。由于现代主机燃烧室设计改进，燃烧室的上移，燃烧残留物很少附着在这些运动件上，经有关研究论证，只要主机的气缸油“注油率”在0.70g/kWh及以上，就可以满足清洁的功能。
形成油膜：气缸油主要功能是在缸套内壁形成油膜，减少活塞令与缸套间的摩擦，防止两者之间产生粘着磨损。同时阻碍燃气与缸套的接触，防止腐蚀。若注油率过大反而会使活塞头及活塞环带间积碳增加， 增加磨损。
提供添加剂控制腐蚀：气缸油都为优质矿物油加以多种添加剂调和而成。其中主要是以中和主机燃烧劣质高硫燃油产生的硫酸。
2.3扫气箱气缸油残油化验指标
气缸油残油碱值的高低可反映与硫酸中和的程度，残油碱值过大不仅造成气缸油浪费，还会在活塞头及活塞顶部形成结垢（灰白色沉积物，多钙盐类物质），造成磨损。残油碱值过低，缸套容易发送低温腐蚀，含铁量会大幅上升，缸套发生磨损。气缸油供应商SHELL推荐气缸油残油碱值25～50 mg KOH/g的碱值储备，含铁量不高于200mg/kg。
3 故障处理分析过程
当第一次检查出有低温腐蚀时，分析原因可能是燃油含流量的增加（含硫量从1.5%（m/m）升高到2.6%（m/m）），经过商讨计算分析采取增加气缸油注油率（0.85g/kWh 提高至1.1g/kWh）， 提高缸套水温度（从原设定91℃提高到93℃ ）。
当第二次检查出低温腐蚀时，气缸油注油率已经很高（1.05g/kWh），并伴随有活塞头侧面和第一第二活塞环带间有积碳情况，低温腐蚀均在扫气口和气缸油注油口之间，且靠近主机右侧较多（增压器侧）。根据检查情况分析，活塞头侧面有积碳，说明气缸油润滑功能上来讲注油率已经是过多，低温腐蚀发生在缸套扫气口和气缸油注油口之间，从缸套结构图上看（图3-1），缸套高温冷却水仅冷却气缸油注油口上面一段空间。提高缸套高温冷却水2℃对发生低温腐蚀影响极其有限，实际测试后也证明如此。所以只能通过提高扫气温度提高缸套下半部分的缸壁温度，或降低扫气温度已达到降低扫气中的含水量，减少低温腐蚀。（a）降低扫气空气中的含水量，由于我轮主机运行在56rpm@20%MCR，航行中主机扫气压力很低，将空冷器冷却水出口温度降至38℃时，空冷器下方还未析出冷凝水。通过测试主机加车至79rpm時，才能在空冷器泄放观察镜中看到有凝水出现（当时天气有大雾），抵港后拆解空冷器检查，挡水板、密封条、冷却器等均正常。故该措施不适用。（b）提高空冷器冷却水出口温度至46℃（关闭空冷器冷却水出口阀），扫气温度升至60℃左右，在抵港后的几次缸套检查中，低温腐蚀还是存在，效果并不明显。
采取了各种措施，缸套低温腐蚀无法得到很好的抑制，最后气缸油注油率上调至1.2 g/kWh时，腐蚀情况才有所好转，但活塞头和第一第二活塞环间积碳越来越多，个别缸已经出现第二第三活塞环间出现积碳。期间还对主机ALPHA电子注油器检查，无异常发现，氮气罐压力检测正常，注油器拉出做喷射试验正常（尤其是主机右侧注油器），航行中用剂量柜检测实际的气缸油消耗量和流量表计算数值对比，基本一致。检查中还发现，航行中每次有大雾或连续下大雨后的抵港检查，低温腐蚀情况更为严重。
根据缸套低温腐蚀故障情况分析，判断主要原因可能是气缸油选配的碱值偏低所致，目前已有不少船舶使用的气缸油碱值为BN100，我轮使用的是BN70。后将该问题写成报告反馈给机务主管，公司安排气缸油供应商服务工程师上船，通过对主机扫气箱的检查和以往的化验报告，也建议换用碱值BN100号的S6。
S6气缸油供船后，先将主机气缸油注油率下调至1.1 g/kWh。换用后的第一港口扫气箱检查，缸套上黑斑已经全部消失，仅留下低温腐蚀的白色痕迹；活塞头顶部中心处留有黄褐色的结垢（成圆圈状），活塞头侧面和第一第二活塞环带间积碳没有减少迹象。说明缸壁上气缸油过大，碱值充足。逐渐下调气缸油注油率，检查结果越来越令人满意，缸壁低温腐蚀白色痕迹基本消失；活塞頭顶部黄褐色圆圈变小，个别缸消失；活塞头侧面积碳减少很多，第一第二活塞环带间积碳基本消失。结合气缸油残油化验结果，最终将气缸油注油率调低至0.78 g/kWh，这样低的气缸油注油率，残油碱值化验结果还30 mgKOH/g。留有30 mgKOH/g目的是为了防止天气变化空气湿度增大。
4 此次发生低温腐蚀问题原因
（1）主要原因是气缸油碱值不足，以至于气缸油注油率已经很大（活塞头部活塞环带处积碳增加说明润滑过剩），但在该工况下还是无法完全中和缸套下部硫氧化物。
（2）季节问题致使空气中含水量增加，特别是在春夏季节（4-6月份），中国沿海浓雾严重，梅雨盛行。缸套中燃烧产物硫氧化物和水蒸汽的露点降低，生成硫酸附着在缸套表面产生低温腐蚀。我轮该现象特别明显，当气缸油注油率一定时，在上一港口检查缸套时还未出现低温腐蚀，在本港口就检查出有低温腐蚀情况，两港口航行经过几天大雾天气，每次航行有雨水和大雾天气后抵港检查均可验证该现象，故在该季节时，主机应将气缸油注油率调高一点，以避免出现低温腐蚀发生。
（3）黑色低温腐蚀斑块多出现在主机缸套右侧（增压器侧），刚开始一直认为是扫气回流漩涡，致使扫气箱侧温度较低所致。后来分析要是该原因，低温腐蚀情况应多发生在对侧才是，对侧是扫气进入缸套首先吹拂处，问题应该不是在此。后来发现机舱2号风机两大通风口正对吹向主机增压器侧，致使缸套该侧（增压器侧）温度低于另一侧。为了验证原因，关闭两个通风口，航行一段时间后检查，缸套周围腐蚀情况不再集中在增压器侧。
在缸套低温腐蚀处理过程中还发现一些问题：
①注意燃油签收单中含硫量和实际的差距较大，比如最近一次国内燃油化验单（供油商提供）含硫量仅1.0%（m/m）， 而实际送化验实验室的油样确是2.8%（m/m）。
②不可简单根据主机服务商提供的气缸油注油率公式进行计算来确定，因为主机运转在低负荷工况时，相应的参数已经发生变化，还应考虑天气原因影响空气的含水量影响。
③船上供应的便携式气缸油残油化验设备有不准确现象，致使化验结果与实验室化验结果相差较大，管理人员应当注意校验。我轮在同时取两份气缸油残油，一份用船供便携式设备化验铁含量不超40 mg/kg，TBN含量40～50 mg KOH/g，而另一份送岸专业实验室化验数据铁含量在200 mg/kg附近，TBN含量在20 mg KOH/g左右。数据相差较大。
5 结束语
近年来，船舶主机普遍采取降速运转在低负荷区，甚至在低低负荷区长期运行，在低负荷、高硫燃油情况下，气缸状况和气缸残油的有效监控，可以帮助船舶管理人员定量的判断缸套情况和注油率是否满足实际工况使用。科学检测和监控可以让轮机管理人员对主机更精准的保养与检修，有效的掌控燃烧室部件的状况，优化气缸油注油率，排除故障，达到延长气缸吊缸检修周期节省备件成本，提高船舶的安全性。
摘要：受船舶运力严重过剩和经济增长缓慢的影响，同时为了推进绿色航运，各大航运公司都在实施节能节排，提高船舶营运效率，纷纷寻求各种办法降低营运成本，提高竞争力。船舶采取经济航速运行已成一种新常态化。主机低速运行和优化气缸油注油率可以降低燃油和润滑油成本。但诸如此类的降本增效措施，会对主机工况、船舶维护成本以及船舶安全性能方面带来不利影响。我轮主机采用瓦锡兰公司船用共轨（RT-flex）系列柴油机，型号为7RT-flex68D，持续功率21 910kW/95rpm，超长行程。主机运行在低低负荷转速下，造成了缸套低温腐蚀的发生。
关键词：低温腐蚀 注油率 含硫量
1 故障描述
本轮服务于国内南北线，南沙-天津定线，执行公司节能减排政策-主机降速运行20%负荷，56rpm。 2017年4月在南沙港期间，对主机扫气箱例行定期检查，发现主机每个缸缸套下方出现黑色斑块，斑块大小不一，各缸严重程度不同，黑斑均出现在缸套气缸油注油口和扫气口之间。 主机使用气缸油为SHELL Alexia S5 （TBN：70），各缸注油率均设定在0.86g/kWh， 燃油含硫量为2.6%（m/m），在5天前主机刚换用这批新装燃油，之前燃油含流量为1.5 %（m/m）。直接原因以为是燃油含硫增加所致，发现低温腐蚀后，随即调高气缸油注油率至1.1 g/kWh。航行3天抵宁波港后，主机扫气箱检查，低温腐蚀现象减小，黑色附着物已基本消失，在原黑色斑块处留下白色痕迹，各缸活塞头侧面和第一第二活塞环带间出现了积碳现象，说明气缸油注油率过大。检查后将注油率下调至1.05 g/kWh。随后航行3天抵天津港，主机扫气箱检查，个别缸套下方又出现低温腐蚀黑板块，黑色斑块均出现在主机缸套右侧（增压器侧），且活塞头侧面和第一第二活塞环之间积碳增多。根据此现象对缸套有低温腐蚀的缸增加气缸油注油率至1.1 g/kWh。
从天津航行至南沙途中，对主机扫气箱残油取样，抵南沙港后送化验室化验。再次对主机扫气箱检查，发现每个缸都有黑色斑块，严重情况不一，但有一共同特点，黑色斑块多数出现在主机缸套右侧（增压器侧）。活塞头侧面和第一第二活塞环带之间积碳增多，个别缸出现第二第三活塞环带间出现积碳现象。根据这一现象，只能一边等化验数据，一边调高气缸油注油率至1.15 g/kWh。化验结果送船显示，残油TBN数值在15～25 mgKOH/g之间（已报警），含铁量各缸已超100 mg/kg，个别几个缸在200mg/kg上下（报警值在200mg/kg）。
随后的几个航次在港对主机扫气检查中，低温腐蚀现象时有时无，气缸油注油率始终无法低于1.15 g/kWh，且活塞环带间积碳有增无减。
2 理论分析
2.1低温腐蚀
低温腐蚀是燃油中的硫份在气缸内燃烧过程中生成的二氧化硫和三氧化硫，均为气体，与水结合生成次硫酸和硫酸（缸壁温度低于它们的露点时），从而形成低温腐蚀。
当气缸油的总碱值过低时，则在各注油点之间的缸套表面上会出现漆状沉淀物，而漆状物底下的缸套表面则因腐蚀而发暗。当用镀铬缸套时，在被腐蚀处会出现白斑（硫酸铬）。
影响低温腐蚀的因素有燃油中的含硫量大小，气缸油中的碱值和注油率大小，扫气的含水量。扫气含水量和与空气的湿度，扫气温度等有关。当船舶航行在高湿海域时，要注意检查空冷器冷凝水的泄放情况。扫气温度的设定具有双重性，较低的温度可以起到“干冷”扫气，扫气相对湿度降低，主机功率增加；但扫气温度低会影响缸壁温度，一旦缸壁温度低于露点，在缸壁气缸油膜碱值不足时就会发生低温腐蚀。主机服务通函中讲到主机运转在低低负荷时，建议适当提高扫气温度，以避免发生低温腐蚀。
提高主机缸套冷却水温度减小低温腐蚀，MAN公司已经利用LCDL系统，将主机缸套冷却水提高至120 ℃，用来防止低温腐蚀发生。
2.2气缸油的作用
清洁运动件：包括对活塞环，环槽，环槽之间的环带，清除附着在这些运动件上的燃烧残留物。由于现代主机燃烧室设计改进，燃烧室的上移，燃烧残留物很少附着在这些运动件上，经有关研究论证，只要主机的气缸油“注油率”在0.70g/kWh及以上，就可以满足清洁的功能。
形成油膜：气缸油主要功能是在缸套内壁形成油膜，减少活塞令与缸套间的摩擦，防止两者之间产生粘着磨损。同时阻碍燃气与缸套的接触，防止腐蚀。若注油率过大反而会使活塞头及活塞环带间积碳增加， 增加磨损。
提供添加剂控制腐蚀：气缸油都为优质矿物油加以多种添加剂调和而成。其中主要是以中和主机燃烧劣质高硫燃油产生的硫酸。
2.3扫气箱气缸油残油化验指标
气缸油残油碱值的高低可反映与硫酸中和的程度，残油碱值过大不仅造成气缸油浪费，还会在活塞头及活塞顶部形成结垢（灰白色沉积物，多钙盐类物质），造成磨损。残油碱值过低，缸套容易发送低温腐蚀，含铁量会大幅上升，缸套发生磨损。气缸油供应商SHELL推荐气缸油残油碱值25～50 mg KOH/g的碱值储备，含铁量不高于200mg/kg。
3 故障处理分析过程
当第一次检查出有低温腐蚀时，分析原因可能是燃油含流量的增加（含硫量从1.5%（m/m）升高到2.6%（m/m）），经过商讨计算分析采取增加气缸油注油率（0.85g/kWh 提高至1.1g/kWh）， 提高缸套水温度（从原设定91℃提高到93℃ ）。
当第二次检查出低温腐蚀时，气缸油注油率已经很高（1.05g/kWh），并伴随有活塞头侧面和第一第二活塞环带间有积碳情况，低温腐蚀均在扫气口和气缸油注油口之间，且靠近主机右侧较多（增压器侧）。根据检查情况分析，活塞头侧面有积碳，说明气缸油润滑功能上来讲注油率已经是过多，低温腐蚀发生在缸套扫气口和气缸油注油口之间，从缸套结构图上看（图3-1），缸套高温冷却水仅冷却气缸油注油口上面一段空间。提高缸套高温冷却水2℃对发生低温腐蚀影响极其有限，实际测试后也证明如此。所以只能通过提高扫气温度提高缸套下半部分的缸壁温度，或降低扫气温度已达到降低扫气中的含水量，减少低温腐蚀。（a）降低扫气空气中的含水量，由于我轮主机运行在56rpm@20%MCR，航行中主机扫气压力很低，将空冷器冷却水出口温度降至38℃时，空冷器下方还未析出冷凝水。通过测试主机加车至79rpm時，才能在空冷器泄放观察镜中看到有凝水出现（当时天气有大雾），抵港后拆解空冷器检查，挡水板、密封条、冷却器等均正常。故该措施不适用。（b）提高空冷器冷却水出口温度至46℃（关闭空冷器冷却水出口阀），扫气温度升至60℃左右，在抵港后的几次缸套检查中，低温腐蚀还是存在，效果并不明显。
采取了各种措施，缸套低温腐蚀无法得到很好的抑制，最后气缸油注油率上调至1.2 g/kWh时，腐蚀情况才有所好转，但活塞头和第一第二活塞环间积碳越来越多，个别缸已经出现第二第三活塞环间出现积碳。期间还对主机ALPHA电子注油器检查，无异常发现，氮气罐压力检测正常，注油器拉出做喷射试验正常（尤其是主机右侧注油器），航行中用剂量柜检测实际的气缸油消耗量和流量表计算数值对比，基本一致。检查中还发现，航行中每次有大雾或连续下大雨后的抵港检查，低温腐蚀情况更为严重。
根据缸套低温腐蚀故障情况分析，判断主要原因可能是气缸油选配的碱值偏低所致，目前已有不少船舶使用的气缸油碱值为BN100，我轮使用的是BN70。后将该问题写成报告反馈给机务主管，公司安排气缸油供应商服务工程师上船，通过对主机扫气箱的检查和以往的化验报告，也建议换用碱值BN100号的S6。
S6气缸油供船后，先将主机气缸油注油率下调至1.1 g/kWh。换用后的第一港口扫气箱检查，缸套上黑斑已经全部消失，仅留下低温腐蚀的白色痕迹；活塞头顶部中心处留有黄褐色的结垢（成圆圈状），活塞头侧面和第一第二活塞环带间积碳没有减少迹象。说明缸壁上气缸油过大，碱值充足。逐渐下调气缸油注油率，检查结果越来越令人满意，缸壁低温腐蚀白色痕迹基本消失；活塞頭顶部黄褐色圆圈变小，个别缸消失；活塞头侧面积碳减少很多，第一第二活塞环带间积碳基本消失。结合气缸油残油化验结果，最终将气缸油注油率调低至0.78 g/kWh，这样低的气缸油注油率，残油碱值化验结果还30 mgKOH/g。留有30 mgKOH/g目的是为了防止天气变化空气湿度增大。
4 此次发生低温腐蚀问题原因
（1）主要原因是气缸油碱值不足，以至于气缸油注油率已经很大（活塞头部活塞环带处积碳增加说明润滑过剩），但在该工况下还是无法完全中和缸套下部硫氧化物。
（2）季节问题致使空气中含水量增加，特别是在春夏季节（4-6月份），中国沿海浓雾严重，梅雨盛行。缸套中燃烧产物硫氧化物和水蒸汽的露点降低，生成硫酸附着在缸套表面产生低温腐蚀。我轮该现象特别明显，当气缸油注油率一定时，在上一港口检查缸套时还未出现低温腐蚀，在本港口就检查出有低温腐蚀情况，两港口航行经过几天大雾天气，每次航行有雨水和大雾天气后抵港检查均可验证该现象，故在该季节时，主机应将气缸油注油率调高一点，以避免出现低温腐蚀发生。
（3）黑色低温腐蚀斑块多出现在主机缸套右侧（增压器侧），刚开始一直认为是扫气回流漩涡，致使扫气箱侧温度较低所致。后来分析要是该原因，低温腐蚀情况应多发生在对侧才是，对侧是扫气进入缸套首先吹拂处，问题应该不是在此。后来发现机舱2号风机两大通风口正对吹向主机增压器侧，致使缸套该侧（增压器侧）温度低于另一侧。为了验证原因，关闭两个通风口，航行一段时间后检查，缸套周围腐蚀情况不再集中在增压器侧。
在缸套低温腐蚀处理过程中还发现一些问题：
①注意燃油签收单中含硫量和实际的差距较大，比如最近一次国内燃油化验单（供油商提供）含硫量仅1.0%（m/m）， 而实际送化验实验室的油样确是2.8%（m/m）。
②不可简单根据主机服务商提供的气缸油注油率公式进行计算来确定，因为主机运转在低负荷工况时，相应的参数已经发生变化，还应考虑天气原因影响空气的含水量影响。
③船上供应的便携式气缸油残油化验设备有不准确现象，致使化验结果与实验室化验结果相差较大，管理人员应当注意校验。我轮在同时取两份气缸油残油，一份用船供便携式设备化验铁含量不超40 mg/kg，TBN含量40～50 mg KOH/g，而另一份送岸专业实验室化验数据铁含量在200 mg/kg附近，TBN含量在20 mg KOH/g左右。数据相差较大。
5 结束语
近年来，船舶主机普遍采取降速运转在低负荷区，甚至在低低负荷区长期运行，在低负荷、高硫燃油情况下，气缸状况和气缸残油的有效监控，可以帮助船舶管理人员定量的判断缸套情况和注油率是否满足实际工况使用。科学检测和监控可以让轮机管理人员对主机更精准的保养与检修，有效的掌控燃烧室部件的状况，优化气缸油注油率，排除故障，达到延长气缸吊缸检修周期节省备件成本，提高船舶的安全性。
