3.7. КАВИТАЦИОННО-КОРРОЗИОННЫЕ РАЗРУШЕНИЯ ВТУЛОК
И БЛОКОВ ДВС
Зоны и характер кавитационных повреждений [27, 56]. Повышение агрегатных
мощностей дизелей за счет форсировки среднего эффективного давления
приводит к интенсивным кавитационным повреждениям охлаждаемых водой
стенок втулок и блоков цилиндров. Опыт эксплуатации дизелей на судах
морского, рыбопромыслового и речного флота показывает, что кавитационным
повреждениям в различной степени подвержены все типы дизелей. Эти
повреждения в 2—3 раза сокращают срок службы втулок цилиндров,
увеличивают объемы ремонтных работ, вызывают непроизводительные простои
судов, резко снижают надежность двигателей.
В быстроходных дизелях кавитационные повреждения втулок возникают на
верхних и нижних посадочных поясах, в средних частях (в пучностях
колебаний), в районах подвода и отвода охлаждающей воды. В средне- и
малооборотных дизелях интенсивные кавитационные разрушения появляются на
верхних посадочных и водоразделительных поясах (в так называемых узких
сечениях). Блоки цилиндров подвергаются кавитации в местах, лежащих
против посадочных и водоразделительных поясов, а также в районах
перетекания охлаждающей воды. Во всех случаях очаги повреждений на
втулках и блоках расположены в плоскости качания шатуна с усилением на
той стороне, которая воспринимает перекладку поршня при рабочем ходе.
Повреждения представляют собой отдельные глубокие раковины (глубиной до
15 мм) воронкообразной формы, иногда скопления раковин образуют сплошные
продолговатые углубления (ручьи) на дуге около 30 ... 40° в обе стороны
от плоскости качания шатуна. Повреждения на галтелях под посадочными
буртами в большинстве случаев вызывают образование трещин и замену
втулок.
Физическая сущность и причины кавитационных повреждений. Разрушения
охлаждаемых водой поверхностей втулок и блоков цилиндров двигателей
происходят в результате одновременного воздействий на них комплекса
механических, химических, тепловых и электрохимических процессов.
Причиной кавитации является высокочастотная вибрация втулок при
перекладках поршней в мертвых точках.
Под кавитацией понимается гидродинамический процесс образования
парогазовых пузырьков в зонах, где давление снижается до давления
насыщенных паров этой жидкости при данной температуре и последующего
сокращения (захлопывания) их в зонах повышенного давления. Схема
процесса кавитационного разрушения омываемых водой поверхностей дизелей
(рис. 3.9) заключается в следующем. Поршень во время перекладки под
действием нормальной силы, которая вблизи ВМТ имеет наибольшее значение,
приобретает некоторую скорость в поперечном движении и ударяет о стенку
втулки в момент контакта. Ударный импульс вызывает местные упругие
деформации, распространяющиеся как радиальные и продольные волны.
Колебания втулки приводят к возбуждению звуковых (акустических) волн в
кольцевом слое воды и попеременному ее растяжению и сжатию. Волновой
процесс растяжения и сжатия охлаждающей воды вблизи колеблющихся
поверхностей ведет к образованию кавитационных пузырьков (каверн) в
полупериод растяжения и к их захлопыванию в полупериод сжатия. При
захлопывании и слиянии пузырьков в пустоты, имеющиеся на поверхности
втулки, с большой скоростью устремляются потоки воды, которые подобно
мелким уколам алмазной иглы наносят удары с давлением в микрообъемах
1000 ... 1500 МПа (предел прочности чугуна составляет 200 ... 400 МПа).
Поскольку наибольшие напряжения превышают предел текучести металла, в
поверхностных слоях возникает явление деформации — наклеп. Наклеп
приводит к образованию и развитию микроскопических трещин. Под действием
повторяющихся ударов частицы металла, ограниченные сеткой
микроскопических трещин, выламываются и выкрашиваются, впоследствии в
этих местах возникают глубокие раковины. Чугун, например, в первую
очередь освобождается от графитовых включений, имеющих ничтожно малую
прочность по сравнению с металлом. У прочных, твердых тел этот процесс
протекает сравнительно медленно.
Наряду с чисто механическим происходят тепловое, химическое и
электрохимическое разрушения поверхности втулок. Под разрушающим
воздействием кавитационных пузырьков эрозируемый материал постоянно
находится в активном состоянии, что создает идеальные условия для
коррозии. Поэтому разрушение металла происходит особенно интенсивно в
случаях, когда кавитационные процессы протекают в агрессивных средах и
цикл кавитация — коррозия приобретает повторяющийся характер.
Многочисленные осмотры втулок двигателей различных фирм и конструкций,
экспериментальные исследования показали, что кавитационные повреждения в
дизелях являются следствием некоторых конструктивных недостатков
полостей и систем охлаждения в целом. Одни из них вызывают развитие
кавитационных процессов в зарубашечном пространстве, другие не позволяют
в повседневной эксплуатации двигателей поддерживать требуемый водный
режим, что способствует протеканию коррозионных процессов. Основными
недостатками являются следующие.
1. Повышенная вибрация втулок вследствие
недостаточной жесткости самих втулок (малой толщины стенок и больших
расстояний между опорными поясами) и жесткости крепления втулок в блоках
(повышенные зазоры в посадочных поясах между втулкой и блоком).
2. Наличие застойных зон в верхних частях полостей охлаждения, карманов,
зауженных сечений, резких поворотов и других местных сопротивлений.
3. Недостаточное гидростатическое давление охлаждающей жидкости в
замкнутом контуре, при котором кавитационная прочность воды низка,
а максимумы кавитационных разрушений лежат в
диапазоне рабочих температур (50 ... 70 °С). С другой стороны, меньшее
давление воды в замкнутом контуре по сравнению с проточным часто
приводит к подсолению охлаждающей воды и выпаданию в осадок масляной
присадки.
4. Отсутствие в системах охлаждения терморегуляторов или их
неудовлетворительная работа, в связи с чем не обеспечивается
стабильность оптимального температурного режима охлаждающей воды по
отношению к режиму работы двигателя.
5. Открытый (негерметизированный) тип системы охлаждения, в результате
чего охлаждающая вода постоянно насыщается кислородом воздуха, имеет
пониженную кавитационную прочность и повышенную химическую активность.
6. Возможность поступления в зарубашечное пространство отработавших
газов через различные неплотности в системах охлаждения (стаканы
форсунок, масляные штуцера лубрикаторов, технологические заглушки,
трещины в крышках и др.).
7. Отсутствие на судах емкостей для охлаждающих жидкостей с масляными
присадками, возможности многократного использования жидкостей, а также
надежных методов контроля концентрации масляной присадки в охлаждающей
воде.
Опыт показывает, что интенсивность кавитационных разрушений зависит не
только от указанных факторов, но в значительной мере и от их
взаимосвязи. Особое внимание при эксплуатации дизелей следует уделять их
режимам работы и параметрам систем охлаждения (давление, температура,
химический состав охлаждающей воды).
Меры по защите дизелей от кавитационных разрушений. Комплекс
конструктивных, технологических и эксплуатационных мероприятий по защите
полостей охлаждения дизелей от кавитационных износов представлен на рис.
ЗЛО. Самой надежной из всех мер является конструктивная, направленная на
снижение уровня вибрации втулок как основного идточ-ника кавитационных
явлений, на предотвращение образования узких щелей в посадочных поясах и
мертвых зон в верхних частях полостей охлаждения, а также на создание
рациональных систем охлаждения. Однако внести существенные
конструктивные изменения на эксплуатирующихся дизелях практически
невозможно. За последние годы разработан технологический метод
одновременного повышения кавитационной стойкости и конструктивной
прочности цилиндровых втулок. Втулка состоит из двух слоев: наружного —
стального, внутреннего — чугунного. Получают втулку центробежным
способом. Эксплуатационный ресурс таких втулок в 3-4 раза больше
чугунных [56] .
Причины и интенсивность кавитационных разрушений у каждого типа
двигателя свои, что необходимо учитывать при выборе мер борьбы с
разрушениями. Вместе с тем для всех типов эксплуатирующихся дизелей
можно рекомендовать комплекс общих мероприятий по ослаблению
кавитационных разрушений без существенных конструктивных изменений.
1. Очистка и промывка систем охлаждения. Внутренние полости систем
охлаждения дизелей со временем покрываются различными отложениями:
накипью, продуктами коррозии, масла и др. Загрязнения охлаждаемых
поверхностей снижают эффективность использования присадок, уменьшают
объемную прочность воды, усиливают кавитационные и коррозионные
процессы, ухудшают условия отвода теплоты. Поэтому в период плановых
ремонтов двигателей необходимо производить очистку и промывку систем
охлаждения.
2. Поддержание высокого качества охлаждающей воды, систематическое
применение защитных присадок, поддержание их концентрации. Длительный
опыт борьбы с кавитационно-коррозионными разрушениями показал, что эти
меры являются самыми эффективными из всех эксплуатационных. Результаты
сравнительных лабораторных испытаний применяемых на судах отечественных
и зарубежных присадок показывают практически одинаковую их
эффективность. Однако в системах охлаждения эффект присадок проявляется
по-разному не только для различных типов дизелей, но и для одних и тех
же'марок дизелей, установленных на разных судах. Оказывается, что
основными причинами ухудшения защитных свойств присадок в системах
охлаждения являются снижение качества охлаждающей воды (повышение
содержания хлор-иона и солей жесткости) и изменение концентрации
присадки. На судах, где поддерживалось высокое качество воды и
стабильная концентрация присадки, втулки и блоки двигателя Бурмейстер и
Вайн не имели серьезных кавитационных разрушений после 30 тыс. ч работы.
На другом судне, работающем в таких же условиях, но с низким качеством
воды и малой концентрацией присадки, цилиндровые втулки заменялись через
6245 ч работы.
3. Повышение гидростатического давления в замкнутом контуре охлаждения
до 0,25 ... 0,3 МПа. Это одно из наиболее эффективных средств снижения
интенсивности кавитационных разрушений, так как разрушения при
повышенном давлении зависят от изменения температуры охлаждающей воды,
что особенно важно для тех дизелей, в системах охлаждения которых
отсутствуют терморегуляторы. Кроме того, повышение давления в контуре
пресной воды способствует стабилизации ее качества, поскольку
предотвращаются протечки из контура забортной воды. Данное мероприятие
легко осуществить за счет поднятия расширительной цистерны. Если это
невозможно, то при любых условиях следует стремиться к поддержанию
давления в контуре пресной воды на 0,03 ...
0,05 МПа выше давления в контуре забортной воды. При решении вопросов о
повышении давления в системах охлаждения двигателей с большими
геометрическими размерами необходимо учитывать прочностные
характеристики блоков.
4. Поддержание оптимального температурного режима охлаждения двигателя.
Экспериментально доказано, что температура втулок цилиндров изменяется
почти одновременно с изменением температуры охлаждающей воды. Самым
неблагоприятным с точки зрения кавитационных явлений температурным
режимом является 50 ... 60 0С (при существующих в системах охлаждения
давлениях 0,05 ... 0,15 МПа). Поэтому необходимо поддерживать
температуру охлаждающей воды на выходе из двигателя особенно при работе
на низких нагрузках и переменных режимах
на уровнях верхнего температурного предела,
рекомендованного заводской инструкцией.
5. Герметизация систем охлаждения. Герметизация (закрытие) систем
охлаждения путем установки гидравлических затворов способствует снижению
содержания кислорода в воде в 15 ... 17 раз по сравнению с открытыми
системами. В результате повышается кавитационная прочность воды и
снижается ее химическая активность. Установка гидрозатворов дает
возможность своевременно обнаружить поступление отработавших газов в
систему охлаждения.
6. Предотвращение возможности дросселирования охлаждающей воды на входе
в двигатель, циркуляционный насос или в полостях охлаждения. Часто
наблюдаемое в практике явление дросселирования происходит либо от
неправильной установки уплотнительных прокладок при сборке
трубопроводов, либо в случае перекрытия отверстий для выхода охлаждающей
воды из блока верхним направляющим поясом втулки. Даже при
незначительном перекрытии отверстий необходимо произвести
соответствующую обработку втулок на токарном станке.
7. Ликвидация застойных зон в верхних частях полостей охлаждения. Этого
можно достичь двумя способами. Первый, наиболее надежный и простой —
герметизация зазоров термостойкими клеями, например клеем КТ. Второй
способ — отвод паровоздушной смеси из застойных зон через специальные
отверстия в буртах втулок и трубки. Оба способа дают одинаковый защитный
эффект.
8. Многократное использование охлаждающей жидкости. Осуществление
возможно при наличии сливных цистерн. Названные меры являются полезными
для судовых двигателей всех типов. Но в зависимости от интенсивности
разрушений только их может быть недостаточно. Например: для двигателей
Бурмейстер и Вайн кроме указанных мер потребовалась обработка
(увеличение) Отверстий для выхода воды из блока; блоки цилиндров
двигателей 6Д50М в местах подвода охлаждающей воды к насосам удалось
защитить дополнительным подпором жидкости и т. п. Поэтому решение
проблемы защиты для каждого двигателя требует индивидуального подхода.