船用柴油機氣缸蓋裂紋分析與處理

船用柴油機氣缸蓋裂紋分析與處理

在用作油氣表的氣臂蓋上，通常配備消氣閥、噴油器、指示器、啟動裝置和確保安全的氣閥。氣罐蓋的內腔應配置相應的通道、開口和排水溝。因此,氣缸蓋的結構復雜,孔道較多,壁厚很不均勻。氣缸蓋的工作條件十分惡劣。氣缸蓋的底面直接與高溫高壓燃氣接觸,不僅受到高溫高壓燃氣的腐蝕與沖刷,而且周期性地承受較高的機械負荷與熱負荷;底面在燃氣爆發(fā)壓力的作用下產生很大的機械應力,壁厚與溫度的不均勻導致較高的熱應力;螺栓的預緊力使氣缸蓋承受著壓應力,并與燃氣壓力共同作用使氣缸蓋受到彎曲作用,在截面變化處會產生應力集中,冷卻水腔還受到水的腐蝕。由于氣缸蓋結構復雜,承受著很大的、分布很不均勻的機械應力和熱應力,產生裂紋是較為常見的。一般來說,燃燒室部件裂紋多發(fā)生在觸火面,特別是應力集中及金屬堆積的地方,如氣缸蓋底面的各閥孔處及閥間區(qū)域。而能夠造成氣缸蓋裂紋的原因較多,除與本身的材料、結構上的合理性及加工制造質量有關外,還與輪機管理人員水平有很大關系。本文分析金盛輪主機在運行6萬h左右、在幾個月時間里先后有三只氣缸蓋產生裂紋的實例,并提出日常管理注意問題。2油頭損傷加膠壓過大管輪的檢查金盛輪是一艘集裝箱船,可裝載404TEU,于1996年在SSANGYONGHI船廠制造,主推進選用MAN-B&6L35MC,6只缸,缸徑350mm,沖程1050mm,額定功率3353kW,營運轉速180r/min,最大爆炸壓力12MPa。2004年11月20日金盛輪?？吭跓熍_港,按主機檢修計劃,大管輪和機工長更換主機No5缸油頭(工作9000h)。兩只油頭拆出后,發(fā)現油頭體前端與油頭孔座接觸處各有一條溝痕,并且油頭體前側有明顯的煙灰垢。根據常規(guī),用專用工具進行油頭座孔接觸面的研磨,研磨清潔后發(fā)現,在油頭座孔接觸面內側各有一條長8mm的裂紋,并且越研越明顯。輪機長得知情況后,下機艙檢查確認缸蓋裂紋,并決定更換備用缸頭。此后,輪機人員把氣缸蓋所有的附件拆除,對燃燒室表面用鋼絲刷徹底清潔,發(fā)現在兩只油頭的噴霧方向,有兩只呈扇形狀的凹坑,面積大約為30×60mm,再仔細檢查后發(fā)現每只的凹坑內有一條約2mm的裂紋,見圖1。這種情況先后在No.1、No.4缸發(fā)生。3熱應力和機械應力引起的裂紋從氣缸蓋呈扇形的凹坑情況來看,裸露的金屬表面比較光滑而且呈有規(guī)則的波浪型,凹坑狀態(tài)猶如“滴水穿石”,裂紋在波谷最深處。從清潔下來的燃燒產物和腐蝕產物來看是高溫燒蝕的癥狀。那么,這種呈扇形凹坑高溫燒蝕是何原因引起呢?該機型油頭的油嘴伸進在氣缸蓋的燃燒室里,其伸入部分的長短就直接影響霧化的油束與氣缸蓋表面的距離,如果這部分過短,那么部分霧化的油束就會噴射到氣缸蓋內壁頂部,這部分燃油不是霧化狀態(tài),而形成線條狀。由于霧化的油束壓力高達30MPa,噴射速度快,一方面會使噴到氣缸蓋內壁頂部區(qū)域的燃油燃燒溫度突然升高,使之承受超大應力和熱負荷;另一方面燃燒產物中所含五氧化二釩很容易造成高溫腐蝕,時間一長,就在氣缸蓋上沿著燃油霧化的油束方向(燃油噴射到氣缸蓋內壁頂部上)產生凹坑。當這個凹坑深度達到一定時,氣缸蓋的局部承載強度就大大地減弱,在大負荷高爆壓(12MPa)情況下,承受熱應力和機械應力而產生疲勞裂紋。一般來說,每一種機型的氣缸蓋可允許燒蝕凹坑,在一定的程度內不影響安全運行。MAN-B&W6L35MC機型的氣缸蓋凹坑,可允許使用極限深度是在6mm以內。但從該輪有裂紋的氣缸蓋,經測量凹坑最深度已達8mm,那么在凹坑的波谷深處產生裂紋就毫無疑問了。從金盛輪的油嘴使用情況看,在備件中油嘴的長度共有長、短兩種。長的油嘴規(guī)格有兩種:1)7.0×140,L=64.5mm;2)6.0×140,L=64.5mm。短的油嘴規(guī)格有兩種:1)6.0×140,L=57mm;2)6.1×140,L=57mm。經查長油嘴64.5mm是最近兩年訂購來的備件,而裝機上使用的油嘴大多是短油嘴57mm,長油嘴與短油嘴長度相差7.5mm。另外,據原機出廠時,配用的油嘴只有52mm。實踐證明使用短油嘴時,部分霧化的油束會噴射到氣缸蓋內壁表面上,而長油嘴就沒有此現象,說明制造廠已發(fā)現該油嘴設計上有缺陷(52mm過短),進行了逐步改進加長到64.5mm。比如金萊輪是金盛輪的姐妹船,金萊輪在1999年開始使用長油嘴(以前也是使用短油嘴57mm),經吊缸檢查,氣缸蓋上雖然也有凹坑,但其深度只有3mm左右未到極限,至今還未發(fā)現氣缸蓋裂紋。此外,油頭若是長時間未拆出清潔、泵壓檢查或者是油頭霧化不好滴油時,那么在運行中,油嘴容量結炭而影響燃油霧化的方向,同樣有一部分油霧也會直接噴射到氣缸蓋內壁上,也會造成高溫腐蝕產生凹坑。另外,油頭孔座與油頭接觸面密封不良,也易造成熱負荷過大,導致熱應力增加而產生裂紋。后來金盛輪主機進行逐步吊缸檢查,各個氣缸都有雷同情況,凹坑深度達到4mm以上,因而金盛輪就難免在幾個月時間里,相繼有三只缸氣缸蓋產生裂紋,而且其它三只缸也要進廠補焊修理解決。4日常管理注意事項4.1噴油器的保養(yǎng)周期金盛輪主機氣缸蓋的裂紋除了與油頭上的油嘴長度直接有關外,還與油頭的霧化質量以及燃油的質量有關。因而,在日常維護管理中,對油頭的霧化質量要定期地檢查,雖然MAN-B&W6L35CM機型說明書要求對噴油器保養(yǎng)周期在9000h左右,但在具體運行中,燃油質量不穩(wěn)定,每次在5000h左右拆檢油頭時,油嘴結炭就已經比較嚴重。另一方面隨著主機的運行,缸套磨損量的變大,對油頭的霧化質量要求越高,因此要縮短油頭的拆檢周期,建議在5000h左右拆檢,至少可以把油嘴的結炭去除掉,并且每次更換油頭,都要對油頭座孔進行徹底清潔與研磨,以防止油頭座孔接觸面過熱造成裂紋。同時仔細檢查,及早發(fā)現裂紋,盡早解決。4.2長油敞口的壓溫該機型主機燃用IF380cst的油品,但經查金盛輪的燃油進機溫度在106℃～110℃,根據燃油溫粘特性圖(見圖2)可查到,要把燃油進機的粘度控制在12cst左右,燃油溫度必須加熱到130℃以上,況且如今IF380cst的質量比較差,因而要保持燃油加熱溫度,在進機時至少在130℃以上,才能使燃油霧化的質量提高,減少油嘴的結炭。此外,上述的長油嘴64.5mm有兩種規(guī)格,主要是油孔的直徑不一樣,但在實際使用中,主機在低速或更換油嘴使用一段時間溫差較大(80℃)外,高速時溫差很小,一般在20℃以內,所以兩種規(guī)格的長油嘴都可以用(但力求使用同一種規(guī)格的油嘴),避免再使用短油嘴。在每次主機吊缸,裝復氣缸蓋之前,不應僅把氣缸蓋與缸套接觸表面清潔一下,而忽視了氣缸蓋燃燒室表面的清潔,以至于表面燒蝕和高溫腐蝕產生的凹坑被炭灰掩蓋很難發(fā)現。因而缸蓋的燃燒室表面也要清潔,仔細檢查,尤其是油嘴孔和其它附件孔的周圍,如果發(fā)現有燒損凹坑,要進行修理,燒損凹坑較淺,但有波浪或者有尖銳邊緣,要把波浪形磨平或者把尖銳邊緣磨成弧度(大于4mm半徑弧度),應該對燒損進行修整,防止出現裂痕。5機械主流管理的必要性MAN-B&W/L機型的主機,近幾年在各類船舶的應用越來越廣泛,因而廠家也時有服務信函通知部件的改進情況,所以機務管理人員想要全面了解和掌握這種機型維護和管理,