某型柴油機(jī)連桿斷裂故障原因分析

某型柴油機(jī)于2015年10月遭遇臺(tái)風(fēng)，導(dǎo)致海水進(jìn)入主機(jī)。柴油機(jī)制造廠(chǎng)維修人員上船排查后更換了啟動(dòng)馬達(dá)，但柴油機(jī)仍無(wú)法起動(dòng)。進(jìn)一步拆檢發(fā)現(xiàn):渦輪增壓器進(jìn)氣葉輪附件有銹蝕;缸套、連桿、曲軸也有銹蝕。該柴油機(jī)出艙維修，更換進(jìn)氣閥、主軸承軸瓦、曲軸、活塞、缸套、連桿軸瓦、密封件，并于2016年7月裝復(fù)。期間，船廠(chǎng)對(duì)主機(jī)排氣擋板及消音器進(jìn)行了相應(yīng)技術(shù)改造。柴油機(jī)制造廠(chǎng)工程師隨船兩次試航，試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常。一、故障發(fā)生經(jīng)過(guò)該柴油機(jī)在2016年10月10日上午8:41~12:25運(yùn)行的3h44min內(nèi)，正常;下午18:16~18:54正常運(yùn)行至38min時(shí)，突然停機(jī)并報(bào)警，機(jī)旁控制面板顯示滑油壓力過(guò)低緊急停機(jī)，同時(shí)顯示冷卻水溫度高報(bào)警，冷卻水位低報(bào)警。檢查發(fā)現(xiàn):柴油機(jī)B5缸附近底部油底殼位置被擊穿破洞，滑油、淡水不斷流出。至此該柴油機(jī)從上次維修完成到此次故障發(fā)生共運(yùn)行200h。經(jīng)查，該柴油機(jī)起動(dòng)前嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行了檢查，確認(rèn)正常后起動(dòng);備車(chē)至故障發(fā)生前，柴油機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)正常，未出現(xiàn)異常。柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)記錄的停機(jī)前后的參數(shù)見(jiàn)表1。故障前后主要參數(shù)對(duì)比如表2。對(duì)比發(fā)現(xiàn):該柴油機(jī)滑油壓力過(guò)低，冷卻水溫度升高，與報(bào)警信號(hào)對(duì)應(yīng)。二、整機(jī)拆檢情況該船?？看a頭后,將柴油機(jī)A排第四缸下部觀(guān)察孔拆下后發(fā)現(xiàn):B排第五缸連桿彎曲變形，活塞脫落,缸套開(kāi)裂;附近曲軸及A排第四缸連桿磨損嚴(yán)重。故障柴油機(jī)運(yùn)回柴油機(jī)制造廠(chǎng)進(jìn)行拆檢。現(xiàn)場(chǎng)拆解發(fā)現(xiàn):氣缸蓋上的搖臂和氣閥彈簧都沒(méi)有銹跡，氣閥也沒(méi)有銹跡;增壓器渦輪葉片無(wú)銹跡，增壓器與柴油機(jī)排煙管連接口無(wú)銹跡;滑油無(wú)乳化變質(zhì)，滑油精濾器狀況良好;B5缸連桿大頭端固定螺栓斷裂且大頭端蓋斷裂成兩部分，連桿彎曲變形;柴油機(jī)內(nèi)淡水呈偏黃色且渾濁，淡水冷卻主管內(nèi)部有銹跡，在接口部分有類(lèi)似結(jié)晶物質(zhì)，冷卻缸套的淡水管路接口銹蝕嚴(yán)重。三、故障原因分析根據(jù)柴油機(jī)故障現(xiàn)象和破損情況,初步分析可能造成的故障原因如下。1、外來(lái)水對(duì)B缸“液擊”造成連桿彎曲“液擊”是指高速流動(dòng)的氣體當(dāng)遇有液體時(shí)，由于液體受到?jīng)_擊而不斷向四處快速擴(kuò)散，導(dǎo)致液體不規(guī)律地打擊設(shè)備、管道的內(nèi)表面，而使設(shè)備劇烈振動(dòng)的現(xiàn)象。“液擊”嚴(yán)重時(shí)可造成設(shè)備破裂、變形、錯(cuò)位等事故。如果柴油機(jī)氣缸內(nèi)有水，由于液體的不可壓縮性，進(jìn)入氣缸的水會(huì)受到運(yùn)動(dòng)部件的擠壓和沖擊，對(duì)燃燒部件形成巨大的撞擊力，而且液體的反作用力通過(guò)活塞、連桿作用在曲軸上，會(huì)對(duì)柴油機(jī)部件造成損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)柴油機(jī)癱瘓。根據(jù)本船柴油機(jī)輔助系統(tǒng)的配置情況，海水非正常進(jìn)入柴油機(jī)的可能渠道只能是排氣管路。柴油機(jī)排氣管布置如圖1所示；圖1主機(jī)排氣系統(tǒng)布置圖排氣管如圖2所示。圖2

主機(jī)排氣管示意圖柴油機(jī)廢氣經(jīng)排氣波紋管后，匯合至排氣消聲器，經(jīng)排氣彎管、排氣擋板及放浪管后由舷側(cè)排出。排氣消聲器及水平管路沿排氣方向向下傾斜，排氣擋板位于排氣彎管下方，在接近排氣出口的放浪管前。柴油機(jī)工作時(shí)，排氣的溫度和壓力較高，在排氣壓力和排氣溫度的作用下，海水無(wú)法通過(guò)排氣管進(jìn)入氣缸（在海水進(jìn)入排煙管到氣缸的過(guò)程中會(huì)因高溫氣化)，海水不會(huì)倒灌進(jìn)入機(jī)體;主機(jī)停機(jī)后，排氣擋板自動(dòng)關(guān)閉，也不會(huì)有海水進(jìn)入柴油機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)結(jié)果也顯示:氣缸和渦輪增壓器均無(wú)積液痕跡;該柴油機(jī)故障前無(wú)低液位報(bào)警，也未添加淡水，滑油無(wú)乳化現(xiàn)象。綜合以上情況，可以排除外來(lái)水“液擊”造成連桿彎曲的可能。2、材料疲勞斷裂或應(yīng)力集中對(duì)連桿壓蓋和螺栓進(jìn)行失效分析,取遠(yuǎn)離斷口處的試樣,采用OES進(jìn)行化學(xué)成分分析，具體結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出:連桿壓蓋和螺栓中各化學(xué)元素的含量符合標(biāo)準(zhǔn)EN10083-3：2006"的要求。取斷裂的小段作為試樣，按照標(biāo)準(zhǔn)ISO6508-1:2005對(duì)連桿壓蓋和螺栓進(jìn)行芯部洛氏硬度測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表4?？梢?jiàn):連桿壓蓋芯部硬度較為均勻、硬度值為28.7HRC;螺栓芯部硬度值為33.8HRC，該螺栓為非標(biāo)準(zhǔn)螺栓緊固件，抗拉強(qiáng)度為1050~1200MPa，按照標(biāo)準(zhǔn)ISO898-1:2013中螺栓強(qiáng)度的推薦值，螺栓的等級(jí)為10.9級(jí)，則螺栓的芯部硬度值符合要求值（HRC=32~39)。取連桿壓蓋和螺栓的芯部，按照標(biāo)準(zhǔn)ISO6892-1:2009進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5和表6。連桿壓蓋的抗拉強(qiáng)度和屈服極限分別為1109MPa和991MPa，四項(xiàng)指標(biāo)均符合EN10083-3:2006的要求。螺栓的抗拉強(qiáng)度為1093MPa，付合ISO898-1:2013中10.9級(jí)螺栓的要求;其斷后伸長(zhǎng)率和斷后收縮率均滿(mǎn)足EN10083-3:2006和ISO898-1:2013的要求。對(duì)B5缸斷裂的連桿大端和聯(lián)接螺栓進(jìn)行宏觀(guān)檢測(cè)與SEM分析，斷口平整且短偶表面有清晰的疲勞“貝殼線(xiàn)”。從“貝殼線(xiàn)”彎曲的方向推測(cè),裂紋是從下方向上擴(kuò)展。斷裂連桿壓蓋沒(méi)有受到彎曲變形和燒蝕跡象，這說(shuō)明疲勞斷裂發(fā)生在連桿彎曲變形之前。連桿壓蓋斷口疲勞區(qū)大過(guò)載區(qū)小;而螺栓斷口疲勞區(qū)小過(guò)載區(qū)大，且連桿壓蓋斷口裂紋源的變形尺寸與螺栓倒角的變形尺寸幾乎一致，這說(shuō)明連桿壓蓋先發(fā)生斷裂，隨后螺栓斷裂。圖3

連桿壓蓋受力及斷裂位置示意圖圖3是連桿受力及斷裂位置示意圖，可見(jiàn)斷裂位置正好位于連桿壓蓋外側(cè)的倒圓處,且在受力的軸線(xiàn)上。正常情況下，連桿運(yùn)行時(shí)受磨部位所受的力較小，但從連桿壓蓋裂紋源側(cè)表面觀(guān)察到許多微裂紋。3、維修過(guò)程中裝配或有缺陷該柴油機(jī)于事故發(fā)生前曾進(jìn)行過(guò)維修，維修時(shí)更換了活塞、曲軸、進(jìn)氣閥、主軸承軸瓦、缸套、連桿軸瓦、密封件等。從維修完成到此次故障僅運(yùn)行了約200h。故分析認(rèn)為:該柴油機(jī)在更換活塞、曲軸時(shí),操作、工藝和裝配過(guò)程中可能存在缺陷，柴油機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，該缺陷造成連桿下端蓋螺栓斜切斷裂,導(dǎo)致下端蓋斷裂，引起其它部件二次損壞。四、結(jié)

論通過(guò)分析梳理可能造成柴油機(jī)連桿