船舶发动机的热腐蚀和冷腐蚀

  船运公司的利润并非完全取决于其承运的货物数量,事实上,船运公司利润的很大一部分来自于运营成本的节省,这使得船东能够以有竞争力的价格承运货物。   众所周知,船舶从X港驶往Y港的主要运...

  船运公司的利润并非完全取决于其承运的货物数量,事实上,船运公司利润的很大一部分来自于运营成本的节省,这使得船东能够以有竞争力的价格承运货物。

  众所周知,船舶从X港驶往Y港的主要运营成本之一是燃油。出于同样的原因,各公司都在尽一切可能利用诸如使用低等级燃料减速航行等技术将燃料成本降至最低。

  然而,如果燃烧效率不高,用于运行船用发动机的燃料油也会对发动机部件产生不利影响(因为其中含有天然元素)。

当船舶发动机燃烧重质燃油时,腐蚀是船舶的主要问题。它可以进一步描述为:

  • 热腐蚀: 由于燃油中存在钒 (Va) 和钠 (Na) 而发生,影响发动机的排气通道

  • 冷腐蚀: 由于燃油中含有硫而发生,影响气缸套和燃烧室的其他部件

热腐蚀:

钒是船用燃料油中天然存在的可溶性元素,这意味着,即使燃料在离心机中处理,它也不会被分离。钒与钠结合时,在高温下会对发动机造成损坏。钠和钒的化合物在高温下形成这在热腐蚀中起着至关重要的作用。

燃料燃烧时,燃烧室内氧气充足,导致钒氧化生成VO和VO2,在进一步燃烧过程中,温度下降,VO2进一步氧化生成V2O5。


V2O5 熔点低,呈半液态,性质粘稠,粘附在接触的表面上。


燃料中的钠在燃烧过程中与水蒸气发生反应生成氢氧化钠,然后与二氧化硫结合形成硫酸钠。


硫酸钠在约 890 摄氏度以下的温度下凝结,并会粘附在已存在 V2O5 的表面上。这种沉积物会阻塞气体通道并腐蚀金属表面。如果 Va:Na 的比例为 3:1,则产生的复合物熔点最低,约为 350 – 450 摄氏度,并且沉积物形成的可能性增加。


含钒量和钠量较高的燃料会增加排气通道中形成沉积物的倾向。在较高温度下(>600 摄氏度),灰烬沉积物会加速金属腐蚀和气体通道结垢。


热腐蚀的影响

1. 腐蚀:主要发生在排气通道中,高温废气中的灰和碳沉积物会磨损金属。因此,排气门会受到严重影响。

2. 熔盐腐蚀:在高温下,Na和Va形成腐蚀性熔剂,侵蚀和腐蚀排气阀、涡轮增压器喷嘴和叶片。盐溶解保护性氧化层,促进进一步的气相氧化。

3.气相氧化: 是热排气中氧气对金属发动机表面的作用。


如何控制热腐蚀?

• 将排气温度保持在远低于 Na 和 Va 复合物的熔点(约 400c)以下
• 在排气阀座上使用 Sterlite 涂层或 Nimonic 钢以防止腐蚀
• 使用排气阀旋转器来平滑径向温度分布并防止在阀面上的单点处发生重复冲击损坏
• 可以使用燃料添加剂(如灰分改性剂),它可以修改和增加在灰分不呈熔融形式且无腐蚀性时形成的 Na 和 Va 复合物的熔点温度
• 控制排气通道和机械的污垢,即定期清洁和检查排气歧管频繁用水清洗涡轮增压器、大修排气阀等。


冷腐蚀

硫是原油中天然存在的另一种元素。其含量由原油精炼过程中获得的残余燃料流中的硫含量来表示。


根据MARPOL附则 VI ,目前燃料中的硫含量为 0.1% 至 3.5% 。新的全球上限 0.50% m/m 将于 2020 年 1 月 1 日或 2025 年 1 月 1 日及之后适用,具体取决于 MEPC 审查的结果。


燃料中的硫充当天然的 EP(极压)添加剂,为通过喷油器和泵的燃料提供固有的润滑性。


由于燃烧室内有充足的氧气,硫会转化为 SO2,并进一步与氧气结合形成 SO3 三氧化硫。


当 SO3 与扫气中的水或水蒸气接触时,会发生反应并形成 H2SO4。


如果发动机在低转速下运转效率低下,则气缸套温度偏低,低于硫酸和水的露点(120-160 摄氏度)。腐蚀性混合物会凝结在气缸套壁上,导致气缸套冷腐蚀。


在低硫燃料中,延迟或缓慢燃烧会增加气缸部件的热负荷,导致过热、润滑问题和冷腐蚀。

为什么冷腐蚀会成为 新型发动机的一个问题?

新型节能船用发动机燃烧低硫燃料,具有超长冲程和更高压力,运行条件十分恶劣。采用慢速航行也导致发动机出现极冷腐蚀情况。


另一个重要原因是,新型船用发动机的设计符合 Tiere III 级 NOX 法规和 EED 指南。为了满足这些新法规,发动机气缸必须在增加的压力和降低的工作温度下运行(减少 NOX 排放),从而创造低于露点的条件,使水凝结在气缸线性壁上。然后,水与燃烧过程中产生的硫结合形成 H2SO4,从而导致冷腐蚀。


EGR 还会将酸性成分带入空气混合物中并影响燃烧室的温度。


长行程发动机中热应力和压力常数会更加严重,从而导致腐蚀的风险。

老式船舶的发动机通常经过改装,以在低负荷下运行。它们还安装了 VTA、气体旁通阀、夹套冷却旁通等系统,以实现慢速航行。老式发动机经过改装,以在低负荷下运行,但没有进行额外改装来应对冷腐蚀。


超低速慢速蒸汽机的运行负荷最高可达满负荷的10%,这也导致燃烧室内的温度较低,一旦温度低于露点,就会导致冷腐蚀。


冷腐蚀的影响:

1. 气缸油污垢过多
2. 环槽凸起
3. 活塞环粘连
4. 铁颗粒脱落导致表面质量下降
5. 气缸套使用寿命缩短

如何管理冷腐蚀?

  • 根据燃料的硫含量使用适当的托拉尔碱值 (TBN) 气缸油。

燃料含硫量(%)

低于 0.25(气缸油 TBN 约为 10 mgKOH/g)
0.25 – 1.0(气缸油 TBN 约为 10-20 mgKOH/g)
1.0 – 3.0(气缸油 TBN 约为 70 mgKOH/g)
高于 3.5(气缸油 TBN 约为 >70 mgKOH/g)

  • 采用现代气缸润滑方法,如阿尔法润滑器 (MAN) 或脉冲润滑系统 (Wartsila)

进行清扫测试(在使用高硫含量燃料的 MAN 发动机中,通过以不同的进料速率供应气缸油 24 小时来检查效果),以找出与最小腐蚀磨损相对应的特定气缸油的可接受 ACC 因子。

  • 实施状态监测程序,分析刮油中的铁磨损 (Fe) 和残留 TBN

使用最新技术和设备,例如

  • 可变几何涡轮增压器 (VGT)

  • 废气旁通阀

  • 提供 TC 切口等。

    ——END

  • 发表于 2024-08-26 13:42
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