船用主机高压油管开裂分析及措施

主机燃油高压油管是主机燃油系统中的重要组成部分，主机运行时高压油管持续承受脉冲高压冲击，其质量的好坏直接关系到主机运转[1]。为了保证主机正常运转，主机燃油高压油管在管材一般要求的基础之上，主机专利商MDT还有以下相关要求：1）管材需要能承受90MPa的压力在200℃条件下；2）管子内表面的总脱碳层深度不得超过0.03mm；3）管子内壁缺陷的深度不能超过0.3mm；4）离内表面0.3mm范围内的珠光体减少不得超过50%。某船主机型号为6S50ME-B9.3，功率为8130kW，高压油管材质为490I，规格为φ25×8.5mm（外径×壁厚），高压油管原材料采用多道冷拔及调质处理工艺加工而成，整个生产、加工过程中无酸洗、磷化工序，主机运行时高压油管所受到的冲击频率约为50次/分钟。该主机在运行102h左右就发生高压油管开裂，见图1。图1失效高压油管本文通过对断裂油管断口分析、金相分析、化学成份、力学性能分析，确定了其开裂失效原因及后续的改进措施。一、检测分析结果1、检测方案制定该主机相继出现开裂的油管总共有3根，对其中1根进行磁粉检测发现共有4处裂纹，所处位置大约在距离A端弯管处300mm～550mm之间，裂纹长度大约在30mm～50mm，高压油管的A端是联接喷油器，B端连接高压油泵，开裂部位在图1中C处。为了准确查找失效原因，制定从以下几个方面查找原因：1）在C处开裂口进行宏观、微观分析，查找开裂原因；2）在D、E、F、G位置做横截面内表面微裂纹深度检测；3）做化学成份与力学性能分析。2、断口及表面缺陷观察将开裂位置C处的管段剖开，见图2(a)，可见2个贯穿整个油管壁厚的裂纹面。裂纹面宏观形貌见图2(b)，开裂面较为平整，无明显塑性变形，裂纹源区位于内壁，开裂面上清晰可见贝壳纹，符合疲劳开裂的宏观形貌特征。放大观察裂纹源区处，油管内壁处明显可见存在带状区域，见图2(c)。图2油管壁裂纹形貌3、SEM形貌分析与EDS能谱分析将裂纹样品置于扫描电子显微镜下观察，裂纹源区SEM形貌见图3(a)，宏观所见内壁处的带状区域经测量尺寸为638.4μm，裂纹源位于带状区域的近表面处，可见台阶特征为疲劳源区的微观形貌特征，见图3(b)。裂纹扩展区SEM形貌见图3(c)，可见大致平行的二次裂纹及疲劳辉纹，为疲劳开裂的微观形貌特征。图3裂纹面SEM形貌4、化学成份分析在油管中间位置处进行了取样并使用红外碳硫仪（测量C和S两种元素）和光电直读光谱仪测定了油管除碳和硫以外的其它基体化学成份，化学成份实测值与专利商MDT的管材化学成份技术要求相比较，实测值符合MDT的技术要求[2]，见表1。5、力学性能测试从油管上图1中位置D和E之间取样进行了力学性能分析，各项性能实测值见表2。结果表明油管的静态力学性能和硬度均符合技术要求[3]。6、金相分析截取裂纹处的剖面金相试样，经镶嵌、磨抛后置于金相显微镜下观察发现，在裂纹源区附近发现了与主裂纹大致平行的裂纹缺陷，测量值为303.68μm，见图4(a)，并在内壁上发现多处裂纹型缺陷，测量值为65.12μm、67.53μm、59.41μm，见图4(b)。试验样品经化学试剂侵蚀后在显微镜下观察，显微组织见图4(c)，源区处的显微组织可见明显挤压变形，说明源区处带状缺陷是挤压时形成的，显微组织为铁素体+珠光体[4]，见图4(d)和图4(e)。图4金相样品形貌7、在D、E、F、G横截面内表面微裂纹深度检测D：内壁处裂纹缺陷测量值为365.05μm、549.4μm、481.6μm，见图5(a)、图5(b)。E：内壁处裂纹缺陷测量值为373.32μm、497.19μm，见图5(c)、图5(d)。F：内壁处裂纹缺陷测量值为395.08μm、158.23μm，见图5(e)、图5(f)。G：内壁处裂纹缺陷测量值为324.74μm、1052.1μm，见图5(g)、图5(h)。图5样品D、F、G、H抛光态形貌二、失效原因及结论分析通过化学成分分析可知，油管本体上取样的化学成分实测值符合专利厂商MDT技术要求。通过宏观分析可知，人工打开的裂纹面平整洁净，无明显塑性变形，开裂面上发现贝壳纹，裂纹源区位于管子内壁，为起源于内壁的疲劳开裂的形貌特征；通过SEM形貌分析可知，内壁处的带状区域经测量为638.4μm，裂纹源于带状区域后的近表面处，可见台阶特征，裂纹扩展区可见大致平行的二次裂纹及疲劳辉纹，为疲劳开裂的微观形貌特征；通过金相分析可知，裂纹源处可见与主裂纹大致平行的裂纹缺陷，测量值为303.68μm，内壁处可见多处裂纹缺陷，测量值为65.12μm、67.53μm、59.41μm，侵蚀后观察，源区处显微组织可见变形，为加工缺陷。横截面内表面微裂纹深度测定，在直管区域和裂纹附近区域的裂纹深度都已超出专利厂商MDT的技术要求，油管在后期的制作过程中无涉及到管子内部的加工工序。综合分析认为，油管开裂性质为疲劳开裂，开裂源于内壁处的加工缺陷，来源于原管材拉制过程中[5]。综上可知：1）失效的油管的化学成分实测值符合技术要求；2）油管在使用时由于内壁的加工缺陷处发生了疲劳扩展，导致开裂。三、改进措施1）管材内壁存在线性缺陷的原因管内壁存在线性缺陷的原因是因母管（坯料）内表存在六方（浅显的纵向凹痕），后经多道次冷拔，内壁的凹痕发生了收缩、延长变形。个别钢管的内壁凹痕变成了纵向沟槽，且沟槽的宽度越来越小，深度越来越深，形成了线性缺陷[6]。2）原生产工艺母管φ73×12mm经过2道次衬芯冷拔，再经过4道次空拔冷拔出成品φ25×8.5mm。此工艺需要经过多次冷拔，冷拔带来的不利因素就是增加了内表面线性缺陷的可能性。为了消除内壁线性缺陷，钢管厂经过研究分析，对原有的生产工艺进行了改进。3）改进后的生产工艺母管由原来的φ73×12mm改为φ73.5×13.5mm，经过1道次衬芯冷拔和1道冷轧，再经3道次空拔冷拔出成品φ25×8.5mm。改进后的生产工艺优点，由于增加了母管减壁量1.5mm，可有效压平母管原有的内壁凹痕；从而最大程度消除钢管内壁凹痕（线性沟槽）；同时减少一次空拔，减少钢管内壁线性缺陷的产生几率，来保证成品钢管内壁质量。改进后工艺生产的管材约已投入市场使用两年多的时间内未收到类似问题反馈。实践证明通过减少冷拔的次数及增加管壁的减壁量可有效减少钢管内壁线性缺陷的发生率[7]。4）在上述的改进工艺基础上，为了进一步提高钢管的质量，相关方又再次召开了专题会，共同研究进一步优化生产工艺，现制定出新的工艺[8]：母管φ82.5×14.5mm，经过1道次衬芯冷拔、2道次冷轧、2道次空拔出成品φ25×8.5mm。新试制生产工艺增大了母管外径规格（+9.5mm）、再增加母管减壁量1.0mm、增加冷轧1道次，减少1道次空拔，从而最大程度消除钢管内壁凹陷（线性沟槽）保证成品钢管内壁质量。按此新工艺生产出来的钢管跟踪情况来看，内壁质量良好。已有近30船套由新工艺生产出来钢管制作的产品交付给客户了，至今未发生类似问题。四、结论1）管材自身的缺陷在有些生产工艺中会发生变化，导致缺陷的延伸和拓展变形，形成线性缺陷，这种线性缺陷会影响钢管内壁质量。2）对自身有线性缺陷的管材，即使化学成分和静态力学性能满足要求的情