船用柴油机气缸盖裂纹分析与处理

船用柴油机气缸盖裂纹分析与处理

在用作油气表的气臂盖上，通常配备消气阀、喷油器、指示器、启动装置和确保安全的气阀。气罐盖的内腔应配置相应的通道、开口和排水沟。因此,气缸盖的结构复杂,孔道较多,壁厚很不均匀。气缸盖的工作条件十分恶劣。气缸盖的底面直接与高温高压燃气接触,不仅受到高温高压燃气的腐蚀与冲刷,而且周期性地承受较高的机械负荷与热负荷;底面在燃气爆发压力的作用下产生很大的机械应力,壁厚与温度的不均匀导致较高的热应力;螺栓的预紧力使气缸盖承受着压应力,并与燃气压力共同作用使气缸盖受到弯曲作用,在截面变化处会产生应力集中,冷却水腔还受到水的腐蚀。由于气缸盖结构复杂,承受着很大的、分布很不均匀的机械应力和热应力,产生裂纹是较为常见的。一般来说,燃烧室部件裂纹多发生在触火面,特别是应力集中及金属堆积的地方,如气缸盖底面的各阀孔处及阀间区域。而能够造成气缸盖裂纹的原因较多,除与本身的材料、结构上的合理性及加工制造质量有关外,还与轮机管理人员水平有很大关系。本文分析金盛轮主机在运行6万h左右、在几个月时间里先后有三只气缸盖产生裂纹的实例,并提出日常管理注意问题。2油头损伤加胶压过大管轮的检查金盛轮是一艘集装箱船,可装载404TEU,于1996年在SSANGYONGHI船厂制造,主推进选用MAN-B&6L35MC,6只缸,缸径350mm,冲程1050mm,额定功率3353kW,营运转速180r/min,最大爆炸压力12MPa。2004年11月20日金盛轮停靠在烟台港,按主机检修计划,大管轮和机工长更换主机No5缸油头(工作9000h)。两只油头拆出后,发现油头体前端与油头孔座接触处各有一条沟痕,并且油头体前侧有明显的烟灰垢。根据常规,用专用工具进行油头座孔接触面的研磨,研磨清洁后发现,在油头座孔接触面内侧各有一条长8mm的裂纹,并且越研越明显。轮机长得知情况后,下机舱检查确认缸盖裂纹,并决定更换备用缸头。此后,轮机人员把气缸盖所有的附件拆除,对燃烧室表面用钢丝刷彻底清洁,发现在两只油头的喷雾方向,有两只呈扇形状的凹坑,面积大约为30×60mm,再仔细检查后发现每只的凹坑内有一条约2mm的裂纹,见图1。这种情况先后在No.1、No.4缸发生。3热应力和机械应力引起的裂纹从气缸盖呈扇形的凹坑情况来看,裸露的金属表面比较光滑而且呈有规则的波浪型,凹坑状态犹如“滴水穿石”,裂纹在波谷最深处。从清洁下来的燃烧产物和腐蚀产物来看是高温烧蚀的症状。那么,这种呈扇形凹坑高温烧蚀是何原因引起呢?该机型油头的油嘴伸进在气缸盖的燃烧室里,其伸入部分的长短就直接影响雾化的油束与气缸盖表面的距离,如果这部分过短,那么部分雾化的油束就会喷射到气缸盖内壁顶部,这部分燃油不是雾化状态,而形成线条状。由于雾化的油束压力高达30MPa,喷射速度快,一方面会使喷到气缸盖内壁顶部区域的燃油燃烧温度突然升高,使之承受超大应力和热负荷;另一方面燃烧产物中所含五氧化二钒很容易造成高温腐蚀,时间一长,就在气缸盖上沿着燃油雾化的油束方向(燃油喷射到气缸盖内壁顶部上)产生凹坑。当这个凹坑深度达到一定时,气缸盖的局部承载强度就大大地减弱,在大负荷高爆压(12MPa)情况下,承受热应力和机械应力而产生疲劳裂纹。一般来说,每一种机型的气缸盖可允许烧蚀凹坑,在一定的程度内不影响安全运行。MAN-B&W6L35MC机型的气缸盖凹坑,可允许使用极限深度是在6mm以内。但从该轮有裂纹的气缸盖,经测量凹坑最深度已达8mm,那么在凹坑的波谷深处产生裂纹就毫无疑问了。从金盛轮的油嘴使用情况看,在备件中油嘴的长度共有长、短两种。长的油嘴规格有两种:1)7.0×140,L=64.5mm;2)6.0×140,L=64.5mm。短的油嘴规格有两种:1)6.0×140,L=57mm;2)6.1×140,L=57mm。经查长油嘴64.5mm是最近两年订购来的备件,而装机上使用的油嘴大多是短油嘴57mm,长油嘴与短油嘴长度相差7.5mm。另外,据原机出厂时,配用的油嘴只有52mm。实践证明使用短油嘴时,部分雾化的油束会喷射到气缸盖内壁表面上,而长油嘴就没有此现象,说明制造厂已发现该油嘴设计上有缺陷(52mm过短),进行了逐步改进加长到64.5mm。比如金莱轮是金盛轮的姐妹船,金莱轮在1999年开始使用长油嘴(以前也是使用短油嘴57mm),经吊缸检查,气缸盖上虽然也有凹坑,但其深度只有3mm左右未到极限,至今还未发现气缸盖裂纹。此外,油头若是长时间未拆出清洁、泵压检查或者是油头雾化不好滴油时,那么在运行中,油嘴容量结炭而影响燃油雾化的方向,同样有一部分油雾也会直接喷射到气缸盖内壁上,也会造成高温腐蚀产生凹坑。另外,油头孔座与油头接触面密封不良,也易造成热负荷过大,导致热应力增加而产生裂纹。后来金盛轮主机进行逐步吊缸检查,各个气缸都有雷同情况,凹坑深度达到4mm以上,因而金盛轮就难免在几个月时间里,相继有三只缸气缸盖产生裂纹,而且其它三只缸也要进厂补焊修理解决。4日常管理注意事项4.1喷油器的保养周期金盛轮主机气缸盖的裂纹除了与油头上的油嘴长度直接有关外,还与油头的雾化质量以及燃油的质量有关。因而,在日常维护管理中,对油头的雾化质量要定期地检查,虽然MAN-B&W6L35CM机型说明书要求对喷油器保养周期在9000h左右,但在具体运行中,燃油质量不稳定,每次在5000h左右拆检油头时,油嘴结炭就已经比较严重。另一方面随着主机的运行,缸套磨损量的变大,对油头的雾化质量要求越高,因此要缩短油头的拆检周期,建议在5000h左右拆检,至少可以把油嘴的结炭去除掉,并且每次更换油头,都要对油头座孔进行彻底清洁与研磨,以防止油头座孔接触面过热造成裂纹。同时仔细检查,及早发现裂纹,尽早解决。4.2长油敞口的压温该机型主机燃用IF380cst的油品,但经查金盛轮的燃油进机温度在106℃～110℃,根据燃油温粘特性图(见图2)可查到,要把燃油进机的粘度控制在12cst左右,燃油温度必须加热到130℃以上,况且如今IF380cst的质量比较差,因而要保持燃油加热温度,在进机时至少在130℃以上,才能使燃油雾化的质量提高,减少油嘴的结炭。此外,上述的长油嘴64.5mm有两种规格,主要是油孔的直径不一样,但在实际使用中,主机在低速或更换油嘴使用一段时间温差较大(80℃)外,高速时温差很小,一般在20℃以内,所以两种规格的长油嘴都可以用(但力求使用同一种规格的油嘴),避免再使用短油嘴。在每次主机吊缸,装复气缸盖之前,不应仅把气缸盖与缸套接触表面清洁一下,而忽视了气缸盖燃烧室表面的清洁,以至于表面烧蚀和高温腐蚀产生的凹坑被炭灰掩盖很难发现。因而缸盖的燃烧室表面也要清洁,仔细检查,尤其是油嘴孔和其它附件孔的周围,如果发现有烧损凹坑,要进行修理,烧损凹坑较浅,但有波浪或者有尖锐边缘,要把波浪形磨平或者把尖锐边缘磨成弧度(大于4mm半径弧度),应该对烧损进行修整,防止出现裂痕。5机械主流管理的必要性MAN-B&W/L机型的主机,近几年在各类船舶的应用越来越广泛,因而厂家也时有服务信函通知部件的改进情况,所以机务管理人员想要全面了解和掌握这种机型维护和管理,