浅谈船舶主机喷油器弹簧断裂的原因

船舶主机喷油器弹簧断裂的原因主要包括弹簧质量问题、喷油器安装不当问题、过度使用或过度加载、不正确的维护和保养以及操作错误等。需要采取相应的措施对出现断裂的弹簧及时进行更换和处理，提高船舶主机可靠性与使用寿命，降低船舶主机喷油器弹簧断裂风险。2020年9月8日，船东甲反馈，船舶在航行期间，主机5﹟缸附近出现敲击声，停车后拆检5﹟靠后油头，发现弹簧第一圈处发生断裂。2020年9月26日，接到乙船东反馈，主机低速操车阶段6群缸附近出现异常声响，停车后拆检6拌靠后油头，发现弹簧第二圈处发生断裂，主机机型6S50ME-B9.3。喷油器拆解如图1所示。图1喷油器拆解一、调查分析随着我国航运事业的发展，对船舶主推进装置可靠性要求不断提高，船舶主机是推进装置中的重要设备，为保证船舶主机可靠运行需要分析喷油器弹簧断裂原因采取相应处理措施。喷油器弹簧断裂受到采购、检验、仓储、安装等环节的影响，在连续收到船东关于主机喷油器相关质量信息后，马上组织人员前往主机喷油器制造厂家进行实地调查。从采购、检验、仓储、安装等环节，对喷油器生产的整个过程进行分析[1]。1、喷油器内部弹簧采购过程调压弹簧是MAN主机喷油器生产中的关键部件，国产MAN主机喷油器内部调压弹簧一直都是国外进口部件，通过对主机喷油器厂家生产计划的查看，喷油器厂家今年共计分6个批次进口调压弹簧272根，每根弹簧表面标识独立的批次号。2、弹簧验收过程弹簧采购入库后，会根据采购合同单号，对每批进行抽检,抽检比例10%。检验项目为目视检查、尺寸检查、负荷试验。根据验收记录显示，这6批次弹簧在抽检过程中质量合格，未发现异常。3、喷油器弹簧安装过程从喷油器安装工艺上来看，对弹簧的安装没有特殊的要求。在将针阀偶件装入喷油器体后，安装弹簧座。弹簧套在止回阀上后,整体装入喷油器体。完成安装后，对喷油器进行泵压试验，并调整垫片。从喷油器的设计结构上分析，喷油器装配后内部零部件有自定位功能，且止回阀两端密封均采用球头密封形式，即使出现喷油器内部零件位置不正，在喷油器泵压试验时会出现无法建压、针阀运动不灵活，雾化不良，喷雾后大量滴油等现象。4、本批次弹簧涉及机型喷油器厂家在每个批次进口弹簧到货后都会进行验收，确保每个批次的弹簧质量合格。在实际安装过程中，在装配记录中没有对弹簧上的批次号进行记录的要求，无法准确锁定，出现问题的弹簧具体是哪个批次号，只能根据出库时间扩大排查范围。二、弹簧断裂原因分析随着我国经济的快速发展，船舶运输事业得到很大进步，由于船舶老龄化等原因导致船舶事故多发。船舶主机对安全运营起到决定性作用，主机安全可靠性是航运界人士共同关注的焦点。为深入分析弹簧断裂的确切原因，将返回的断裂弹簧以及库存弹簧送国家实验室做对比分析和失效分析[2]。船舶机械设备长期运转使用中承受摩擦磨损等多种作用，机械技术状态与使用性能不断下降导致功能丧失造成停航。船舶主机喷油器弹簧断裂的原因主要包括弹簧质量问题、过度使用或过度加载、不正确地维护和保养以及操作错误等。弹簧结构特殊，理化性能试棒无法取样，故从硬度、金相等方面开展相关检测分析弹簧断裂原因。通过硬度测试、金相分析、化学成分分析、疲劳试验和失效分析等方法可以探究弹簧断裂的原因，具体硬度结果如表1所示。1、新弹簧表面质量弹簧表面质量较好，无毛刺、折叠、裂纹、擦伤、点蚀等宏观缺陷。非金属夹杂物:非金属夹杂物是指在金属材料中混入的其他物质，非金属夹杂物较好，A、B、C类夹杂物为0级，D类夹杂物为0.5级，对弹簧的质量和使用性能影响不大。2、表面组织及芯部组织表面无明显氧化脱碳现象，芯部为回火马氏体及颗粒状碳化物。弹簧的表面质量和芯部组织都符合一般要求，可以满足使用性能。弹簧表面和弹簧芯部组织,如图2和图3所示。3、断裂弹簧金相分析1）非金属夹杂物评定。非金属夹杂物较好，A、B、C类夹杂物为0级，D类夹杂物为0.5级。2）表面局部区域存在凹痕缺陷，凹坑深度约为0.03mm，凹坑缺陷周围存在高温氧化黑点。可能是由于弹簧在高温环境下使用或存储时，表面受到氧化作用而形成的。氧化黑点可能会影响弹簧的外观和抗腐蚀性能。3）样品组织。回火托氏体是一种具有较高强度和韧性的钢材料，在经过淬火和回火热处理后形成。表面局部区域有脱碳现象，脱碳层深度为29um。脱碳是指钢材料在高温下与炉气中的氧化性气体作用，导致表层碳含量降低的现象。脱碳会导致钢材料表面硬度和强度下降，影响其使用性能。在弹簧制造过程中，如果热处理工艺不当或操作不规范，很容易出现脱碳现象3。4、断裂弹簧断口分析1)裂纹起始于内圆弧面凹坑缺陷底部，呈放射状扩展，凹痕深度约0.10mm，周向宽度0.17mm，如图4~图8所示。2）距离裂纹源0.5mm的放射状区域断口为准解理断裂，局部区域有疲劳裂纹扩展形成的疲劳辉纹。3）距离裂纹源2.0mm处断口为撕裂和韧窝的混合断裂，韧窝开口指向裂纹扩展方向。4）最后断裂区断口为韧窝的韧性断裂。5）裂纹源附近有与裂纹源凹痕形状一致的凹痕缺陷，凹痕底部有开裂现象。三、调查结论船舶主机喷油器弹簧断裂的原因有多种，主要包括弹簧质量问题、过度使用或过度加载、不正确的维护和保养、操作错误等。根据对上述采购、检验、仓储、安装等环节的调查，以及弹簧失效分析的结果，得出结论如下:1)）喷油器零件的制造以及喷油器装配时未出现异常。从喷油器设计结构以及出厂试验结果来看，可以排除喷油器内部零件位置不正，使弹黄受到侧问男切刀力，导致喷油器弹簧在使用后发生断裂的情况。2）从失效分析断口的形貌来看，断裂裂纹起始于内侧表面凹坑缺陷处，在裂纹源附近外表面也存在分散分布的凹坑。断口疲劳裂纹扩展区较小，80%以上区域为快速断裂，说明裂纹源处早期疲劳裂纹萌生后裂纹扩展速度较快，为低周疲劳断裂。3）根据金相组织分析可知，在局部表面存在脱碳现象，脱碳区域存在高温氧化形成的凹坑，凹坑内部填充满氧化物，在凹坑两侧存在由于高温形成的氧化黑点。4）综合分析推断，样品主要是由于内侧表面存在0.1mm深度的凹坑缺陷，引起应力集中现象，使用过程中在外界循环交变载荷作用下裂纹在凹坑缺陷底部萌生并发生快速疲劳断裂。四、发现问题及整改措施从弹簧批次排查的情况来看，喷油器中的自制零部件,有船检要求的进口零件批次化管理、记录工作很完善。针阀偶件、止回阀、喷油器盖的编号记录都会完整的记录到工厂报告和自检记录中去，但无船检要求的进口件批次编号记录存在缺失，这也导致无法准确追溯具体涉及台份。因此，目前只能通过进出库时间、扩大检查范围等方法来锁定问题批次4，后续要求有:1）细化批次化管理要求，在安装记录中增加进口件编号记录要求，相关记录需在最终的工厂报告中体现。2）举一反三，对HCU组件中的进口件进行排查，检查批次化管理、编号记录中是否有类似问题，并按上述要求一并整改。3）加强弹簧的入库检验，在原先外观、尺寸、负荷检测的基础上,细化外观检查要求,确保弹簧表面无毛刺、折叠、裂纹、擦伤、点蚀等宏观缺陷。4）对每批次弹簧抽检1件进行金相、硬度等理化检测，合格后才能入库使用。五、结语船舶主机喷油器弹簧断裂的原因主要集中在弹簧生产过程中出现的表面凹痕缺陷，以及弹簧材料本身存在的冶金缺陷