柴油机排气冷却消音器选材比较、技术结构分析？
连云港市宏庆公司20年设计经验，秉承着“用心透过事物的表象看本质，做有生命的柴油机排气冷却消音器设计”的设计理念，设计出一个个优秀的产品，为人们带来一个个高质量、高品质、高技术、低价格客户满意的产品。柴油机水下排气时产生的强烈噪音直接影响柴油机潜艇的隐蔽性，六十年代以来，西德、意大利、法国与英国等均在潜艇柴油机的排气系统中安装了柴油机排气冷却消音器。关于柴油机排气冷却消音器的消音原理和消音效果已在有关文章中做了报道。由于柴油机排气冷却消音器工况条件比较苛刻，为确保其工作可鏹性和使用寿命要求，合理的结构设计、正确的选材和合适的加工工艺十分重要。就柴油机排气冷却消音器的选材问题进行分析。柴油机排气冷却消音器结构方案 柴油机排气冷却消音器由冷却与消音两部分组成。冷却部分置于消音部分前方，与柴油机排气管连接，其主要作用是降低排气温度和废气平均流速。消音部分是阻止声波的传播而允许气流通过的部件，其作用是衰减由声源进人消音器的声压和声能，减小管壁和管口处的声辐射。 经初步计算和论证，柴油机排气冷却消音器的结构方案如图1所示。冷却部分采用管板式结构，与火管锅炉类似。管程通高温燃气，管侧通冷却海水。废气人口温度约530 ℃，经冷却后要求出口温度低于450 ℃，温降大于80 ℃。海水流量约60t / h，要求海水出口温度低于 45℃。消音部分选用金属类的抗性消音器结构。根据排气噪声的频率特性和不同消音器的消声特性，拟采用共振式消音器元件消除低频噪声，用膨胀式元件消除中频噪声，用微孔结构消除高频噪声。为提高消音效果，冷却消音器应安装在柴油机附近，或座落在柴油机上方。这样柴油机排气冷却消音器的结构尺寸将受到舱室空间的限制，同时也给维修带来困难，因此要求其可靠性要高，其寿命应大于潜艇的一个大修期。工况分析及可能的失效形式： 柴油机排气冷却消音器的工作环境类似于海水冷凝器，但要比海水冷凝器苛刻得多。冷却器管内通废气，管外通海水。管子内壁受高温燃气腐蚀和高温氧化作用。虽然管体温度很高，管内外温度梯度很大，经传热计算，冷却管外侧与海水接触面的实际温度可达100 ℃左右，若管外壁有沉积附着物时，可能会更高。因此冷却管外侧将受到高温海水的严重腐蚀，可能产生点蚀和缝隙腐蚀。同时，由于管外侧通海水，在管子与管板胀接缝隙处可能出现严重的缝隙腐蚀，预计，管子与管板连接处将是整个冷却器的薄弱环节，防止该部位可能产生的缝隙腐蚀应作为冷却器选材的主要出发点。因此要求材料在海水介质中具有优异的抗点蚀和缝隙腐蚀性能，并尽可能选用同类材料以防止电偶腐蚀。若采取合适的电化学防护方法，可适当降低对材料抗腐蚀性要求，但给操作、维修和保养带来一定麻烦。由于冷却器结构尺寸受到艇内空间限制，换热面积小，要求冷却温降大，这就要求材料具有高的导热系数和高的传热效率，同时要加大海水流量，增加海水流速，这又要求材料应具有优良的抗冲刷腐蚀能力。同时，由于工作中水流的冲击，管子将产生振动，还要求管子材料具有高的强度和高的弹性模数，并具有优良的抗应力腐蚀和抗腐蚀疲蒡性能。 柴油机排气冷却消音器部分主要受高温燃气腐蚀和高温氧化作用，柴油机排气冷却消音器中各部件受高温气流冲击将产生振动。要求材料具有良好的抗高温燃气腐蝕性能和良好的高温强度及抗疲劳性能。由以上工况分析可知，柴油机排气冷却消音器部分的选材比较容易解决，而冷却器部分对材料的要求比较苛刻。本文重点讨论柴油机排气冷却消音器部分选材。柴油机排气冷却消音器三种材料性能比较: 根据工程经验，对冷却部分，可供选择的材料有三类: Cu-Ni合金、耐海水腐蚀不锈钢、钛及钛合金。本文从以下几方面性能分析比较。柴油机排气冷却消音器抗点蚀与缝隙腐蚀性能: 用于海水冷凝器的铜合金中，抗腐蚀性最好的应首推B30（70Cu一30Ni)，它是舰船和海滨电厂冷凝器的常用材料。但近年来，常常出现腐蚀穿孔泄漏事故。关于B30管材点蚀穿孔的原因，看法不一。有人认为Cu一Ni冷凝器管在制造过程中表面残留一层薄的黑色碳膜，呈阴极性，引起管材点蚀，导致B30管早期破坏。一般认为Cu-Ni合金在未污染的清洁海水中具有较强的抗点蚀和缝隙腐蚀能力，主要腐蚀形态是仝面均匀腐蚀，腐蚀速率在0.0025、0.07mm/年范围，是铜合金中最耐蚀的一类。但在污染海水中，尤其海水被硫化物，聚硫化物或硫元素污染时，cu一Ni合金腐蚀明显加速，点蚀和缝隙腐蚀倾向增加，当硫离子含量达到0.005ppm时就足以引起严重腐蚀。硫化物的主要影响是破坏金属表面的任何一种保护性氧化膜，代之以含CL12S的多孔的非保护性膜。舰船冷凝器常在船坞、码头的污染海水中试运行，海滨电厂冷凝器用海水取自污染较重的河口水或海湾水，予成膜不好，常导致B30管的早期破坏，有的在试运行中即腐蚀泄漏。可见.Cu.№冷凝器管在海水中的抗腐蚀性与最初形成的腐蚀产物膜密切相关，因此要求CuNi合金应先在合适流速的洁净海水中试运行足够时间以形成保护性良好的Cti20膜。有的资料还指出，Cu一Ni合金对縫隙腐蚀比较敏感，尤其对沉淀腐蚀敏感，使用中应特别予以注意。 在常温和高温海水中，钛是目前所知的抗蚀性最优秀的结构材料。把钛试样在海水中浸泡10年，结果没有产生在测定上能反映出来的腐蚀。钛在沸腾的3％NaCl溶液中（不通气）的均匀腐蚀速度为0.000254毫米/年。由于钛在所有浓度的硫化物中都不受腐蚀，所以钛在污染海水中也不腐蚀。一般认为钛在水中不发生点蝕破坏，不论PH值如何，钛的点蚀电位仍为5V（SCE）左右，既使在PH值低的溶液中也几乎不发生点蚀。钛在室温下稀释的氯化物溶液中的点蚀电位比不锈钢高出1.2一1.4V (SHE), 随Cl一浓度和温度升高，点蚀电位下降，在6％NaC1溶液中，既使在200℃，其点蝕电位约为1.2V（SHE），因点蚀电位高，钛作为冷凝器材料时不必担心点蚀问题。指出，钛的缝隙腐蚀成长的极限电位为一0.4v（SCE），比钛的点蚀电位（5v，SCE）低得多，这表明钛的缝隙腐蚀并非由点蚀引起，而是由于缝隙中的活化腐蚀所致，可见钛的缝隙腐蚀倾向性比点蚀倾向性大得多。工业纯钛在海水及NaCl溶液中的点仙和缝隙腐蚀倾向与NaCt 浓度、PH值和温度有关。由图可见，钛在海水中发生点蝕的临界温度为160℃左右，发生缝隙腐蚀的临界温度为130℃左右，在130℃以下，工业纯钛在海水中处于完全免蚀区。但是关于钛在海水中发生缝隙腐蝕的临界温度各资料报道不同，有80℃、100℃、120℃、130℃不等。大多认为在120℃以下不会发生缝隙腐蚀，但也有报道在100一125 ℃海水淡化设备中曾发生过缝隙腐蚀。这说明钛在柴油机排气冷却消音器工况下发生缝隙腐蚀的危险性是存在的。Ti一0.2Pd合金是钛合金中抗热海水点蚀和缝隙腐蚀，当于美国的Ti一12和英国的Tic。de12）耐蚀性介于工业纯钛和Ti一0.2Pd合金之间，价格比工业纯钛略高。在温度不太高时，耐蚀性相当于Ti一0.2Pd合金，当温度接近260 ℃时，在海水中耐缝隙腐蚀性能较工业纯钛有明显改进。 为解决工业纯钛在高温海水中的缝隙腐蚀问题，在工业纯钛表面涂覆PdO +Ti02 表面膜的方法效果很好，可达到与Ti一0.2Pd合金相同的抗缝隙腐蚀能力，成本大大降低，可以在易发生缝隙腐蚀的管子与管板接头处涂覆。但焊接时，焊缝近缝区的涂层会受到一定程度的破坏，涂覆工艺也尚待研究。有资料指出，钛在使用中有吸氢而引起氢脆的危险。因为明显发生氢脆的抗冲刷腐蚀性能和允许流速。冲刷腐蚀仅限于铜合金。铜合金在海水中的腐蚀速度随流速增加而缓慢增加，当超过某一临界流速时会因保护膜的破坏而导致快速溃疡腐蚀。溃疡腐蚀呈现独特的马蹄形腐蚀形态，常发生在易产生紊流的热交换器管人口端部。因此铜合金管都有最大流速限制，但流速太低时又容易引起点蚀和缝隙腐蚀。Cu一30Ni合金（B30）允许流速范围为0.5、2.5/s有的资料提出其最大流速为4.5m/s当海水污染时，最大允许流速要降低。钛或不锈钢在0.50m/s宽广的流速范围内均不产生冲刷腐蚀，钛在18ms流速海水中，腐蚀速度小到可以忽略不计。 柴油机排气冷却消音器材料的力学性能： 几种典型的冷凝管材料的常规机械性能列于表1。由表1可见，工业纯钛的强度高于B30材料而略低于奥氏体类耐海水腐蚀不锈钢。钛的弹性模量比不锈钢和B30材料都低，在水流、气流冲击下，薄壁钛管的振动要比不锈钢和B30严重，结构设计时要考虑。铜合金在含有氨、氨的衍生物、硫酸盐、硝酸盐的水中会产生应力腐蚀开裂，铜合金管由于扩管和焊接残余应力常导致应力腐蚀开裂。不锈钢在含有Cl一的水溶液中对应力腐蚀也比较敏感。工业纯钛只在极特殊介质中（红色发烟硝酸或含有水分、卤素的甲醇）才产生应力腐蚀，在海水中不发生应力腐蝕，钛在静载荷为80％。b的应力下在海水中五年无任何应力腐蚀破坏征兆。钛的抗腐蚀疲蒡性能极好，钛在海水中的疲蒡强度与空气中相同。可见钛在海水中抗应力腐蚀和腐蚀疲蒡性能优于cu.Ni合金和耐海水腐蚀不锈钢。传热效率： 铜合金具有良好的导热性，因此最早用来作为热交换器材料。钛和不锈钢的导热性都较差（钛略高于不锈钢），其导热系数约为B30铜合金的一半，因此人们担心用钛或不锈钢作为热交换器材料时传热效率会降低。图3为热交换器中金属传热温度梯度示意图，由于金属的导热性比介质膜和附着物膜大得多，因此由金属所引起的热损失比液体、气体包覆膜及附着物膜所引起的热损失要小得多。所以金属的导热性对总的传热效率影响甚小，只占2％左右。给出三种材料在不同流速下整体传热效率的比较，虽然开始时钛和不锈钢的传热效率略低于铜合金，但14个月后，由于钛和不锈钢的结垢比铜合金少，其传热效率反而超过铜合金。使用钛或不锈钢材料时，还可以通过减薄壁厚、增大流速进一步提高传热效率。实践表明，采用薄壁钛管或薄壁不锈钢管后总传热效率与B30管相当或略高总热传导效率。 冷却器管与管板的连接多采用胀接加焊接方法。钛材的冷成形性能及焊接性能良好，一般采用氩气保护焊，焊缝及热影响区的耐蚀性不降低。但是钛在凝固和冷却过程中很容易吸收氧气、氮气和氢气而导致脆化，因此焊接时要求焊缝及附近高温区都要用惰性气体严格保护，直至温度降到300 ℃以下。由于工艺要求严格，其工艺成本远比不锈钢和铜合金为高。钛材的价格较高，TAI管材价格约为B30管材的3倍。国内耐海水腐蚀不锈钢尚处于研制阶段，价格较高，其管材约为B30管的2倍。柴油机排气冷却消音器综合分析与选材： 比较三种材料的各项性能，钛材除成本高，一次性投资费用大的缺点外，其他性能如抗点蚀、缝隙腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳性能均优于Cu一Ni合金。因此近年来舰船冷凝器、海滨电厂冷疑器和海水淡化装置都有用钛材代替Cu一Ni合金的趋势。有的已改为钛材，试用效果良好，并积累了一些制造和使用经验。考虑潜艇用冷却消音器的结构尺寸不大，用材较少，且要求可靠性高，寿命长，因此与热海永接触的冷却器部分可全部选用工业纯钛（TAI或TA2）制造，冷却管亦可选用Ti一0.3M一0.8Ni材料。钛材作为结构材料，工作温度可达到800。F（426.7 ℃），虽然燃气温度为450、530 ℃，但冷却管内壁的实际温度不会超过200 ℃，其耐热性完全可以满足要求。由于钛的弹性模数小，钛管壁薄，在横向水流冲击下管子振动较大，相邻管子可能在半跨距处碰撞产生严重磨损，振幅小时可能在管板附近产生微振磨损，结构设计时要限制管板间跨距或增加支撑管板以减小管子振动。耐海水腐蚀不锈钢的抗蚀性也优于Cu一Ni合金，但低于工业纯钛，若用于与热海水接触的冷却器部分，需同时施加电化学防护措施。海水介质中电化学保护方法有两种，一种是牺牲阳极阴极保护法，另一种是外加电流阴极保护法。考虑使用维修方便及艇内空间限制，在此宜选用牺牲阳极保护法。考虑海水温度较高，应选用纯锌阳极为宜，并严格限制其杂质含量，尤其Fe％应控制在0.0014％以下，以防止锌阳极发生晶间腐蚀破损。对于不接触热海水、仅受高温燃气腐蚀的消音器部分和封头等，选用1Cr18№9Ti或ICr18Ni9Nb不锈钢即可满足要求。若柴油机排气冷却消音器亮体及封头采用双层海水冷却结构时，选材时也要考虑其抗热海水腐蝕问题． 柴油机排气冷却消音器中与热海水接触的部件应选用工业纯钛（TAI，TA2)或Ti-0.3M00.8Ni材料。若选用高MO耐海水腐蚀不锈钢或低MO的316L不锈钢，应同时采用以纯Zn为阳极的牺牲阳极保护法。 柴油机排气冷却消音器中不与海水接触仅受高温燃气腐的部件可选用1Cr18№9Ti或lcr18Ni9Nb不锈钢材料。
