龔耀明，胡啟祥

(1.寧波海運(yùn)股份有限公司，浙江寧波 315020;2.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 311112)

G6300ZC－B型柴油機(jī)機(jī)體裂縫的原因分析和預(yù)防

龔耀明1，胡啟祥2

(1.寧波海運(yùn)股份有限公司，浙江寧波 315020;2.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 311112)

文章從柴油機(jī)機(jī)體產(chǎn)生裂縫的機(jī)理入手，通過(guò)對(duì)某柴油機(jī)故障調(diào)查和原因分析，提出了針對(duì)性的整改和預(yù)防措施，對(duì)做好柴油機(jī)管理與故障處理有一定的借鑒意義。

柴油機(jī)機(jī)體;裂縫;分析;措施

1 柴油機(jī)機(jī)體裂縫概述

1.1 G6300ZC型柴油機(jī)簡(jiǎn)介

某海運(yùn)公司一艘4 200 dwt的散貨船，雙主機(jī)采用G6300ZC－B型柴油機(jī)，1990年8月生產(chǎn);額定功率750 kW，額定轉(zhuǎn)速400 r/min，壓縮壓力6.22 MPa，爆發(fā)壓力≤10.3 MPa，排溫≤450 ℃;機(jī)體材料為球墨鑄鐵。

1.2 柴油機(jī)機(jī)體裂縫概述

該船自1991年投入運(yùn)行以來(lái)，2臺(tái)主機(jī)多次發(fā)生機(jī)體裂縫的故障，歷次機(jī)體裂縫情況如表1所述。裂縫部位多次采用金屬扣合法進(jìn)行修理。

表1 歷次機(jī)體裂縫情況

2007年2月，左機(jī)No.6缸又發(fā)現(xiàn)2條裂縫:1條在汽缸冷卻水腔中上部，上下方向長(zhǎng)約16 cm，如圖1所示;另1條在機(jī)體冷卻水出水口與工藝孔之間，如圖2所示。

圖1 左機(jī)No.6缸冷卻水腔裂縫

機(jī)體裂縫穿透了機(jī)體冷卻水腔的水隔層，使缸套冷卻水直接流入到曲柄箱，污染了系統(tǒng)潤(rùn)滑油，對(duì)柴油機(jī)的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響。由于每隔2～3年出現(xiàn)了5次機(jī)體裂縫，不僅影響到安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，而且，可能會(huì)造成機(jī)體無(wú)法修補(bǔ)而導(dǎo)致機(jī)體報(bào)廢的嚴(yán)重后果。

因此，組織有關(guān)技術(shù)專家分析事故原因，以便采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施。

圖2 左機(jī)No.6缸機(jī)體冷卻水出水口與工藝孔間裂縫

2 故障調(diào)查和原因分析

2.1 機(jī)械應(yīng)力的影響

一是來(lái)自貫穿螺栓的預(yù)緊力和汽缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的交變應(yīng)力，對(duì)金屬材料產(chǎn)生機(jī)械疲勞破壞。對(duì)機(jī)體來(lái)說(shuō)，貫穿螺栓的預(yù)緊力和燃燒時(shí)產(chǎn)生的交變應(yīng)力都是上下方向的壓應(yīng)力，對(duì)機(jī)械部件會(huì)產(chǎn)生擠壓傷。二是汽缸頭螺栓產(chǎn)生的局部機(jī)械應(yīng)力。該應(yīng)力主要集中在缸頭螺栓螺孔周圍和缸頭螺栓孔下面的加強(qiáng)筋部位，產(chǎn)生裂縫的形狀不確定，但一定是在機(jī)體上部的應(yīng)力集中部位。

船舶出廠以后2臺(tái)主機(jī)的機(jī)體從未解體過(guò)，貫穿螺栓都是出廠時(shí)安裝上去的，柴油機(jī)日常使用的爆壓在8.0 MPa左右，說(shuō)明書(shū)上最大允許值為10.3 MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)也沒(méi)有過(guò)載，因此該應(yīng)力在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)。就一般而言，鑄鐵的抗壓強(qiáng)度較高，抗拉強(qiáng)度較差，因此可以排除這種可能。

汽缸頭螺栓的上緊力矩說(shuō)明書(shū)上規(guī)定為744.8 N·m，需用扭力扳手?jǐn)Q緊。而船上輪機(jī)人員為了求方便，每次都是用氣動(dòng)扳手來(lái)緊固，因此存在缸頭螺栓上緊力矩過(guò)大和不均勻的可能性，是裂縫的可能原因之一。

2.2 熱應(yīng)力的影響

柴油機(jī)機(jī)體的熱應(yīng)力主要的是承受溫差熱應(yīng)力。冷卻腔水隔層的內(nèi)表面與水接觸，外表面與空氣接觸，內(nèi)外表面之間溫差越大，溫度變化越快，則產(chǎn)生的熱應(yīng)力就越大。管理中如果冷卻水溫度快速升高或者快速降低都會(huì)在冷卻腔水隔層中產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力。對(duì)圓筒體來(lái)說(shuō)，軸向應(yīng)力大于周向應(yīng)力，因此裂縫方向以軸向?yàn)橹鳌?/p>

船舶在出廠時(shí)，缸套水冷卻系統(tǒng)上裝有直接作用式的恒溫閥，由于該閥控制精度低、靈敏度不高，在主機(jī)工況變化時(shí)溫差變化較大，通?？蛇_(dá)十幾度或更大。輪機(jī)人員為了保持缸套冷卻水溫度穩(wěn)定，采取了人工改變海水旁通閥開(kāi)度和開(kāi)關(guān)海水泵的辦法來(lái)調(diào)節(jié)水溫。雖然人工介入后溫差變化有所好轉(zhuǎn)，但存在操作不當(dāng)和操作疏忽的可能性。

在主機(jī)缸套淡水冷卻系統(tǒng)中設(shè)有高溫報(bào)警，報(bào)警值為75℃，但未設(shè)低溫報(bào)警。因此，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)冷卻水溫度過(guò)低的情況。

船上沒(méi)有安裝缸套水暖缸設(shè)備。尤其是冬天，冷車啟動(dòng)時(shí)溫度較低，除了發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴之外，對(duì)機(jī)體也會(huì)產(chǎn)生額外的熱應(yīng)力。

備車時(shí)間不足。說(shuō)明書(shū)要求冷車啟動(dòng)到全負(fù)荷時(shí)間不小于30 min，淡水和油溫要達(dá)到40℃以上。實(shí)際上，船上從冷車到全負(fù)荷只用了10～15 min。因此，存在著發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升高太快和全負(fù)荷水溫太低的現(xiàn)象。

2.3 材質(zhì)和鑄造工藝的影響

機(jī)體的材質(zhì)很關(guān)鍵，好的材質(zhì)結(jié)構(gòu)致密，分子間張力大，使用壽命長(zhǎng)，不易產(chǎn)生裂縫。如果材質(zhì)低劣、鑄造工藝粗糙或鑄造時(shí)產(chǎn)生的局部應(yīng)力未消除，都會(huì)給日后產(chǎn)生裂縫留下隱患。

打開(kāi)汽缸后發(fā)現(xiàn)，機(jī)體的冷卻水腔壁面整體鑄造工藝較粗糙，鑄造時(shí)的殘?jiān)辞謇砀蓛簦饨堑牡胤捷^多。

打波浪鍵時(shí)發(fā)現(xiàn)，同一缸內(nèi)的水隔層壁厚不一樣，不同部位的材質(zhì)疏密不一致。

2.4 材料腐蝕的影響

機(jī)體的汽缸冷卻水腔觸水面長(zhǎng)期浸泡在柴油機(jī)冷卻水中，會(huì)受到冷卻水的腐蝕和缸套振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的冷卻水空泡腐蝕，或者是冷卻淡水中混入海水產(chǎn)生了電化腐蝕。腐蝕導(dǎo)致材料強(qiáng)度變?nèi)?，不能承受正常的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。

檢查汽缸冷卻水腔壁面和裂縫周邊部位，發(fā)現(xiàn)表面基本光潔和平整、無(wú)明顯腐蝕凹坑。冷卻水腐蝕引起的可能也基本可以排除。

2.5 結(jié)論

綜合上面的排查分析，并結(jié)合裂縫的形狀特征，產(chǎn)生裂縫的原因主要有2方面。

1)機(jī)體材質(zhì)和鑄造缺陷等先天不足，導(dǎo)致強(qiáng)度變?nèi)趸驊?yīng)力集中，造成裂縫產(chǎn)生。

2)使用管理不當(dāng)使裂縫發(fā)生的頻度增加。主要表現(xiàn)在:①缸套冷卻水溫度控制不穩(wěn)定，溫度大起大落使機(jī)體水隔層承受巨大的溫差熱應(yīng)力;②暖缸不足、備車不充分和用車不當(dāng)使柴油機(jī)的冷卻水腔在用車初期產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，導(dǎo)致機(jī)體材料的機(jī)械性能降低，最終導(dǎo)致裂縫;③使用氣動(dòng)扳手緊固缸頭螺絲時(shí)，造成螺栓受力不均或力矩過(guò)大，在螺孔附近產(chǎn)生的局部機(jī)械應(yīng)力大于材料屈服極限而開(kāi)裂。

3 整改和預(yù)防措施

由于機(jī)體的材質(zhì)和鑄造工藝在柴油機(jī)出廠時(shí)已成定局，我們能做的只有從加強(qiáng)管理上下功夫。所以，在對(duì)裂縫部位采用金屬扣合法進(jìn)行了修理后，采取了以下措施。

1)將缸套水系統(tǒng)的直接作用式恒溫閥更換成性能更好的電動(dòng)自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)閥。

2)更換溫控閥以后缸套冷卻水溫度的穩(wěn)定性已能滿足要求，為了避免人為過(guò)失造成水溫大起大落，禁止使用人工改變海水旁通閥開(kāi)度和開(kāi)關(guān)海水泵的辦法來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水溫度。

3)上緊缸頭螺栓只能用扭力扳手，并用對(duì)角交叉法上緊至規(guī)定力矩，氣動(dòng)扳手只能用于松開(kāi)缸頭螺絲。

4)嚴(yán)格按照說(shuō)明書(shū)的要求進(jìn)行操作，具體要求為:柴油機(jī)啟動(dòng)后的初期轉(zhuǎn)速為200 r/min，夏季5 min(冬季10 min)后方可低負(fù)荷運(yùn)行。汽缸頭出水溫度達(dá)到45℃以上，并至少運(yùn)轉(zhuǎn)30 min后，才允許全負(fù)荷運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)出機(jī)水溫嚴(yán)格控制在60～70℃。

經(jīng)過(guò)此次故障排查，并采取了一系列的后續(xù)補(bǔ)救和預(yù)防措施以后，情況得到了控制。從預(yù)防措施實(shí)施起至今4年來(lái)，2臺(tái)主機(jī)再未發(fā)現(xiàn)類似裂縫，說(shuō)明當(dāng)時(shí)采取的措施是適當(dāng)?shù)摹⒂行У?。這也說(shuō)明，科學(xué)規(guī)范的柴油機(jī)日常管理和保養(yǎng)，對(duì)于提高船舶的安全性、經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

［1］趙偉，張署，杜榮銘.船用柴油機(jī)機(jī)體裂縫原因的分析及對(duì)策［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，1997(1).

［2］杜榮銘.船舶柴油機(jī) ［M］.大連海事大學(xué)出版社，2006.

［3］王漢功，趙文軫.修復(fù)工程學(xué)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

Commencing from appearance mechanism of crack in diesel engine cylinder block，this paper investigates and analyzes the failure of a certain type of diesel engine.On these bases，rectification and prevention measures are put forward to provide useful references for diesel engine management and troubleshooting.

diesel engine cylinder block;crack;analysis;measure

U672

C

1001－8328(2012)01－0013－03

浙江省科技資助項(xiàng)目 (2010C31055)

龔耀明 (1962-)，男，浙江寧波人，指導(dǎo)輪機(jī)長(zhǎng)，主要從事船舶機(jī)電技術(shù)管理工作。

2011－08