邱治皓+李寧

摘 要：針對(duì)某型中速柴油機(jī)進(jìn)氣閥閥盤發(fā)生開裂的事故，通過從柴油機(jī)內(nèi)部和外部因素逐層進(jìn)行分析，明確了進(jìn)氣閥閥盤開裂是閥盤溫差過大、熱應(yīng)力過大導(dǎo)致的疲勞開裂。同時(shí)對(duì)進(jìn)氣閥材料的性能進(jìn)行分析，指出原進(jìn)氣閥材料不能適應(yīng)高強(qiáng)化度柴油機(jī)的工作需要，并就此提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；進(jìn)氣閥；溫差；疲勞斷裂

中圖分類號(hào)：U664.123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Inlet Valve Fracture and Improvement of Marine

Medium-Speed Diesel Engine

QIU Zhihao， LI Ning

（ Guangzhou Diesel Engine Factory Co.， Ltd. Guangzhou 510382 ）

Abstract： In terms of inlet valve disc fracture for a medium speed diesel engine， this paper analyzes the reasons for the fracture and concludes that too high valve disc temperature difference and heat stress lead to the fracture. The performance of the inlet valve material is analyzed and the defect of it is found， so it can not fit the working requirements for the high reinforcing engine， and the related improving measures are put forward.

Key words： Diesel engine； Inlet valve； Temperature difference； Fatigue fracture

1 引 言

某型中速柴油機(jī)投放市場(chǎng)多年來一直沒有進(jìn)氣閥損壞反饋報(bào)告。隨著近年來該型中速柴油機(jī)投入珠江口工程船市場(chǎng)的數(shù)量不斷增加，2014到2015年期間，陸續(xù)接到3宗進(jìn)氣閥損壞報(bào)告，且都發(fā)生在柴油機(jī)投入運(yùn)行后不長時(shí)間內(nèi)。

通常，柴油機(jī)氣閥損壞以排氣閥居多，主要是與排氣閥工作環(huán)境惡劣有關(guān)，而進(jìn)氣閥由于其工作環(huán)境相對(duì)較好，損壞甚少。而在珠江口工程船中出現(xiàn)的3臺(tái)該型中速柴油機(jī)進(jìn)氣閥在運(yùn)行短時(shí)間后損壞現(xiàn)象是不正常的，必有其特殊原因所致。

2 斷口檢查

圖1、2、3為該型中速柴油機(jī)三個(gè)用戶的進(jìn)氣閥損壞狀況，損壞形貌相似。圖1為閥盤密封面上有眾多徑向裂紋，裂紋由閥盤堆焊層密封面向內(nèi)并延伸至氣閥本體，轉(zhuǎn)向沿堆焊層與氣閥本體結(jié)合面圓周方向擴(kuò)展；圖2為閥盤A處有疲勞紋，裂紋擴(kuò)展直至閥盤部分裂開。

3 故障原因分析

從閥盤裂口宏觀形貌來看，裂紋首先在閥盤堆焊層表面生成，有脆裂特征，是內(nèi)應(yīng)力過高所致。A點(diǎn)是閥盤機(jī)械應(yīng)力最大處，當(dāng)閥盤受損有裂紋后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為裂紋擴(kuò)展源。

閥盤堆焊層表面的內(nèi)應(yīng)力，是閥盤堆焊加工時(shí)殘留應(yīng)力，或是工作時(shí)溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

針對(duì)珠江口工程船的該型中速柴油機(jī)進(jìn)氣閥的開裂現(xiàn)象，從以下幾方面對(duì)其原因進(jìn)行分析。

3.1 柴油機(jī)內(nèi)部因素

氣閥運(yùn)行環(huán)境極為惡劣，長期承受高溫、高壓、廢氣腐蝕、交變熱應(yīng)力和頻繁沖擊等各種負(fù)荷。該型柴油機(jī)是目前國內(nèi)自行開發(fā)強(qiáng)化度最高的中速船用柴油機(jī)，高功率、高增壓、高爆發(fā)壓力、燃燒溫度高。和其它柴油機(jī)相比，該型柴油機(jī)氣閥工作環(huán)境更惡劣，承受更高的氣缸壓力和燃燒溫度。另一方面，該型柴油機(jī)壓縮空氣溫度高達(dá)230 ℃～250 ℃，經(jīng)空冷器冷卻后降至50 ℃左右，產(chǎn)生的冷凝水多，尤其在空氣環(huán)境潮濕時(shí)冷凝水更多。這樣，柴油機(jī)進(jìn)氣閥一方面受到高溫燃?xì)鉀_擊，另一方面受到低溫濕冷含水空氣的沖擊，存在較大的溫度梯度和較大的交變熱應(yīng)力。交變熱應(yīng)力會(huì)加速氣閥疲勞失效，是氣閥錐面堆焊層產(chǎn)生疲勞裂紋或脆裂的重要因素。

3.2 柴油機(jī)工作環(huán)境因素

珠江口工程船的該型中速柴油機(jī)，主要是泵機(jī)或發(fā)電機(jī)。泵機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵工作，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)其它工程設(shè)備工作。

工程船有如下工作特點(diǎn)。

（1）泵機(jī)帶負(fù)荷起動(dòng)，迅速提升至額定轉(zhuǎn)速、額定工況運(yùn)行；

（2）發(fā)電機(jī)組起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速（空車），當(dāng)工程船投入作業(yè)時(shí)，突然加至較高負(fù)荷工作；

（3）工程船作業(yè)區(qū)域?yàn)橹榻?，空氣潮濕，并且工程船本身也產(chǎn)生大量水霧，柴油機(jī)工作時(shí)冷凝水多。

工程船用于泵機(jī)和發(fā)電機(jī)組的該型中速柴油機(jī)，都是在預(yù)熱不充分甚至沒有預(yù)熱的情況下快速提升到高負(fù)荷工作的，這樣會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)零件如氣閥、活塞、氣缸蓋、缸套等溫差加大而產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力。船上的潮濕環(huán)境和柴油機(jī)進(jìn)氣冷凝水多，將加劇這種狀況。

3.3 進(jìn)氣閥材料因素

該型柴油機(jī)進(jìn)氣閥材料為4Cr10Si2MoA（新標(biāo)準(zhǔn)為40Cr10Si2MoA），屬馬氏體不銹鋼，是柴油機(jī)常用的進(jìn)氣閥材料。但它存在以下不足：

（1）焊接時(shí)基體會(huì)產(chǎn)生淬硬層，淬硬層很脆，而且是過飽和固溶體，其應(yīng)力大，焊接時(shí)容易產(chǎn)生焊接裂紋；

（2）焊后不僅有應(yīng)力大的淬硬層，而且有軟化層，加上基體的原有組織，基體至少有3種以上的組織，這種不均勻性將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；

（3）焊后會(huì)產(chǎn)生淬硬層和應(yīng)力，從而導(dǎo)致整體韌性下降。

由于這種材料的物理性能較差，往往使氣閥密封面產(chǎn)生很多缺陷，如氣孔、疏松、夾渣，同時(shí)存在內(nèi)應(yīng)力和容易產(chǎn)生焊接裂紋，氣閥質(zhì)量難以得到保證，使用于重油和高性能柴油機(jī)有較大風(fēng)險(xiǎn)。endprint

綜合上面3個(gè)因素分析認(rèn)為，該型柴油機(jī)性能強(qiáng)化度高，進(jìn)氣閥工作時(shí)熱負(fù)荷高，存在較大熱應(yīng)力。

因此，珠江口工程船該型中速柴油機(jī)進(jìn)氣閥開裂的原因，首先是柴油機(jī)運(yùn)行預(yù)熱不充分，導(dǎo)致進(jìn)氣閥溫差大和交變熱應(yīng)力大；其次是氣閥材料堆焊層質(zhì)量不穩(wěn)定。當(dāng)焊接質(zhì)量較差存在脆性和有較大殘余焊接內(nèi)應(yīng)力的進(jìn)氣閥，遇上預(yù)熱不充分運(yùn)行時(shí)，在較大的交變熱應(yīng)力作用下，材料熱脹冷縮，循環(huán)應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致堆焊層產(chǎn)生熱疲勞開裂。

4 改進(jìn)措施

4.1 改善柴油機(jī)工作環(huán)境

柴油機(jī)油、水冷卻系統(tǒng)增加預(yù)熱裝置，這一點(diǎn)對(duì)于工程船的泵機(jī)和發(fā)電機(jī)組尤為重要。柴油機(jī)起動(dòng)前，先起動(dòng)油、水冷卻系統(tǒng)的預(yù)熱裝置，對(duì)柴油機(jī)充分預(yù)熱，避免柴油機(jī)起動(dòng)后因零件（主要有進(jìn)氣閥、氣缸蓋、氣缸套等）溫差過大、熱應(yīng)力過大造成的損壞。

4.2 改進(jìn)進(jìn)氣閥材料

進(jìn)氣閥材料改為45Cr14Ni14W2Mo，該種材料是奧氏體沉淀硬化型不銹鋼，和4Cr10Si2MoA（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

（馬氏體不銹鋼）相比，具有如下優(yōu)勢(shì)。

（1）耐高溫性能高于馬氏體不銹鋼。從600℃高溫開始，4Cr14Ni14W2Mo的機(jī)械強(qiáng)度就明顯高于4Cr10Si2MoA；

（2）焊接性能優(yōu)于馬氏體不銹鋼，焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生淬硬層；

（3）焊后產(chǎn)生的應(yīng)力小于馬氏體不銹鋼。4Cr14Ni14W2Mo焊后保持原有的組織結(jié)構(gòu)，均勻性沒受到破壞，因此應(yīng)力很小；

（4）焊后韌性優(yōu)于馬氏體不銹鋼，4Cr14Ni14W2Mo焊后不會(huì)產(chǎn)生淬硬層和應(yīng)力，能保持原有的狀態(tài)和韌性。

從以上幾點(diǎn)看，4Cr14Ni14W2Mo更適合作為高強(qiáng)化機(jī)型的進(jìn)氣閥材料。

4.3 改進(jìn)焊接工藝，減小焊接應(yīng)力

對(duì)堆焊坡口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，使坡口的約束變得最小，使焊層和基體之間互相產(chǎn)生的應(yīng)力最小化，達(dá)到充分發(fā)揮焊層和基體的效能作用。

4.4 改進(jìn)氣閥結(jié)構(gòu)，消除應(yīng)力集中

對(duì)進(jìn)氣閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，閥盤邊緣倒角處理，消除零件邊緣應(yīng)力集中。

5 結(jié)束語

通過以上分析我們認(rèn)為，采取如下措施可以有效克服該型中速柴油機(jī)在珠江口工程船作為泵機(jī)和發(fā)電機(jī)組使用時(shí)出現(xiàn)的進(jìn)氣閥開裂問題：柴油機(jī)油、水冷卻系統(tǒng)增加預(yù)熱裝置；更換性能更好的氣閥材料；改進(jìn)氣閥結(jié)構(gòu)和焊接工藝等。從改進(jìn)措施實(shí)施一年多以來，再未接到進(jìn)氣閥開裂的質(zhì)量反饋，證明上述改進(jìn)措施是有效的。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 12773-2008 內(nèi)燃機(jī)氣閥用鋼及合金棒材.

[2] 王少懷等， 機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，1989.endprint