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船舶柴油機氣缸蓋故障分析及預防措施


導讀

對于船舶柴油機而言,氣缸蓋是其所有零部件當中結構最為復雜的零件,且相比于其他零部件,氣缸蓋所承受的來自機械運轉及熱量所產生的負荷當屬最高。

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氣缸蓋的底部屬燃燒室,其與燃氣是直接接觸的,由于船舶的航行,其同時受高溫及高壓的作用,且這種作用是周期性的。

另因氣缸蓋各部分所受到的高溫及高壓作用程度不同,導致其熱應力作用效果不同,從而使得氣缸蓋極易出現裂紋。

裂紋是船舶氣缸蓋的主要故障之一,因此預防氣缸蓋產生裂紋也是保證柴油機安全運行的重要前提。

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本文可作為船舶輪機管理的經驗與借鑒,也可為主機廠的技術升級提供參考。


船舶柴油機氣缸蓋故障分析 

1.船舶柴油機氣缸蓋故障產生原因

船舶柴油機氣缸蓋不僅受到熱應力的作用,同時因柴油機的運轉需機械動力,其還受到機械應力的作用,所以導致船舶柴油機氣缸蓋出現故障的原因也是多方面的。

總體而言,船舶柴油機氣缸蓋出現裂紋的主要原因有以下幾方面:

第一,熱疲勞的影響。

從本質上而言,氣缸蓋底部出現裂紋是由于熱疲勞的影響。

熱負荷不斷增加,附加拉伸應力也會不斷加大,從而導致裂紋出現。

柴油機在工作的過程當中,氣缸蓋底部的溫度高達400℃,但因底部是局部受熱,因此其熱膨脹會受到一定限制,在這種情況下就會自動產生一股壓縮應力。

氣缸蓋所用材料可承受的溫度為350℃,若超過此溫度,其抗蠕變性能就會降低。

柴油機不斷運行,其壓縮應力不斷降低,停車之后,氣缸蓋底部的溫度就會下降,在恢復到室溫之前,其壓縮應力消失。

因此當溫度降至室溫時,受熱面就會產生附加拉伸應力。

附加拉伸應力的大小就決定了是否會產生裂紋。 

若局部溫度比允許值要高出很多,柴油機運行時間延長,那么所產生的附加拉伸應力就會越大,也就越容易產生裂紋。

若柴油機剛開始啟動時其溫度就達到最高,那么在歷經“加熱——冷卻”的過程之后,因氣缸蓋的內外溫差過大,其就極易立馬出現裂紋;

但是,通常來說,船舶柴油機氣缸蓋都是在經歷過多次“加熱——冷卻”的循環之后,因拉伸應力不斷加大而最終導致裂紋出現的。

因此歸根結底,船舶柴油機氣缸蓋因熱疲勞影響而產生的裂紋一般來說都是自觸熱面開始,慢慢發展而出現疲勞破壞。

第二,機械應力的影響。

氣缸蓋水腔面出現的裂紋通常是自進水口入口處的承筋根部的過渡圓角開始,小的裂紋產生之后會以其為中心向圓周處擴展,然后順著壁厚方向自水腔面延伸至燃燒室的壁面閣。 

此裂紋的產生是因爆炸壓力引發的高頻交變機械應力及熱負荷所引發的低頻交變熱應力綜合作用而出現疲勞損壞。

第三,熱沖擊的影響。

熱沖擊是指在急劇冷卻或加熱的過程當中,零件局部會出現劇烈的溫度變化,導致該零件內部產生對溫度波進行沖擊的傳播狀態,同時出現動態熱應力。

據試驗證明:

若正常啟動,氣缸蓋鼻梁處溫度變化的頻率最大為3.9℃/S;

若異常啟動則為11.7℃/S。

由此可以看出,若異常啟動,氣缸蓋所受熱沖擊影響就會越大。

柴油機的不斷啟停,氣缸蓋底部也不斷受到沖擊溫度波的作用,這就使得氣缸蓋底部部件材料延性不斷降低,最終脆化,導致氣缸蓋底部出現脆性破壞。 

第四,相關工作人員操作不當而導致。

相關工作人員操作不當會使得零件過熱、溫度過高,零部件所受機械應力及熱應力超過允許值,從而導致零部件出現機械疲勞及熱疲勞。

柴油機未預暖就啟動或啟動后加速過快,會使得氣缸蓋的與燃燒室接觸面和冷卻面之間的溫差過大,導致熱應力增加,從而加大氣缸蓋的熱負荷。

另外,柴油機啟動或停車過于頻繁,超負荷運行時間過長都會導致柴油機各零部件所受機械負荷及負荷不斷加大;

因潤滑不良或是冷卻中斷,停車后將冷卻水立即切斷等都會使得氣缸蓋零件過熱、各零件所受熱應力加大,導致氣缸蓋出現熱疲勞裂紋。

第五,缺乏日常維護及保養。

日常的維護及保養是延長機械使用壽命的重要工作之一。

若相關工作人員未依照說明書所述維護及保養方式對吊缸進行檢修,就很難及時發現氣缸蓋所存在的安全隱患,自然也無法提前做好預防工作;

柴油機不斷運行的過程當中,冷卻水腔會因各種原因產生積垢,若相關工作人員未能及時對冷卻水實施投藥處理或是所采取的處理方式不當,零件的散熱功能就會因積垢而受到影響,導致零件熱應力加大;

進行氣缸蓋的安裝時,若相關工作人員未依照說明書的相關要求進行操作,或是各螺栓之間所受力不均勻都會導致氣缸蓋的附加應力過大。

因此,相關工作人員在日常的工作及管理當中應嚴格按照規定對柴油機進行操作,同時做好日常維護及保養工作,避免因管理不善而導致零件因所受機械負荷或熱負荷過大而遭到損壞。

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2.船舶柴油機氣缸蓋故障判斷

氣缸蓋是否存在裂紋可通過觀察冷卻水壓力表指針是否擺動及水箱中水位是否波動或存在氣泄、油漬等來判斷,此外還可觀察示功閥是否有冒煙或燃燒不充分等現象來判斷。

總體而言,在航行的過程當中,若機器冷卻水出現斷續或是水中存在油煙,則可判斷船舶柴油機氣缸蓋出現裂紋。 

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船舶柴油機氣缸蓋故障預防措施

1.船舶柴油機氣缸蓋故障預防措施

因氣缸蓋的結構相對復雜,再加上其同時承受機械應力及熱應力的影響,導致氣缸蓋很容易出現裂紋。

氣缸蓋的完整直接關系到船舶的正常運行,為保證船舶的安全、正常航行,就必須采取相應的預防措施以盡量避免氣缸蓋出現故障,具體可從以下方面著手:

第一,改善氣缸蓋所用材質。

通過改善氣缸蓋所用材質可有效減少其產生裂紋。

若氣缸蓋直徑不超過400mm,則其材質可選擇灰鑄鐵;

若氣缸蓋直徑超過400mm,由于灰鑄鐵無法長期承受大變形,因此其材質可選擇球墨鑄鐵。 

第二,加強冷卻氣缸蓋溫度過高部位。

可在氣缸蓋的冷卻水道當中加設擋水板,以此來增加水流的速度,此外還可根據需要加強引導水流,以保證水流可定向流動,對部分受熱嚴重的零部件如排氣門、噴油器等進行沖刷,以加強其冷卻效果。 

第三,實施“薄避強背”措施。

實施“薄避強背”措施可充分發揮機械應力及熱應力應有的作用。

通過調查可發現,近些年來,大多數中速柴油機的結構形式都是雙層底氣缸蓋,其設計理念是將機械負荷及熱負荷進行分離處理:

利用薄底板可加強冷卻效果,從而有效降低底板的溫差,即使用薄底板來對抗熱負荷;

而針對頂面、中間阻隔及周壁則使用相對較厚的板,通過加強板的鋼度來提高頂面 、中間隔板及周壁的抗機械負荷能力,這就是 “薄避強背”措施的工作原理。 

第四,盡量降低壁溫。

降低壁溫的方法有很多,在此可利用粗糙強化換熱的原理來使壁溫下降,即在冷卻水側壁加設凸柱,通過增加粗糙元的方法來干擾流體,同時將粘性底層進行破壞,從而使冷卻水與壁面之間的換熱熱阻不斷下降,以加強傳熱。 

第五,釋放熱應力。

若熱應力過大是會導致零部件出現裂紋,因此在設計的過程當中還應充分考慮將熱應力進行釋放。

如為降低燃燒室壁的熱應力,在設計的過程當中針對結構問題,氣缸蓋周圍的束縛就不能過緊,要在氣缸蓋與缸套的定位凸肩處留有一定空隙;

又如為預防氣缸蓋閥門的過橋處出現裂紋,可在容易產生裂紋的地方將部分金屬銑除,從而減少該處的集中應力,有效預防裂紋的產生。 

第六,提醒相關工作人員避免粗暴用車。

在日常工作當中,若操作不當,船舶柴油機氣缸蓋也很容易出現裂紋。

如柴油機冷車時未預熱就啟動、啟動后立 即加速或加速過快都會導致氣缸蓋出現裂紋,因零件的受熱及冷卻液的升溫都是需要一定時間的,若啟動后立即加速或是加速過快,零部件內外壁溫度過大,從而導致熱應力也超出允許值,長期以往自然就會使氣缸蓋出現裂紋。

因此,必須提醒相關工作人員需待機器進行充分預暖之后再啟動機器。

此外,啟動機器之后不能立即加速或加速過快,要等到油溫升到一定高度之后再將速度加快至全速動轉狀態。 

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2.船舶柴油機氣缸蓋日常維護

在日常的航行過程當中,船舶柴油機氣缸蓋的維護主要是輪機人員需在氣缸得到充分預暖之后再開始增加負荷,冷卻水量的調節也需緩慢進行,以免出現“激碎 ”的情況,此外還要定期清理存于冷卻空間的水垢及鐵銹。

若裂紋出現可采取目測法、粉劑顯痕法、熒光法、超聲波控聲法等進行檢修。 


結束語

對于船舶來說,柴油機的發動機有著不可替代的作用,柴油機發動機也是船舶運行的主要動力來源。

因柴油機需長期處惡劣環境下工作,位于柴油機上的氣缸蓋也承受著其它零件所沒有的機械負荷及熱應力所帶來的影響。

為保證船舶的正常運行,究根結底就是要保證發動機的正常運轉,因此就必須及時發現并解決氣缸蓋故障,同時還要做好相應的預防措施。

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隨著船舶行業的不斷發展,船舶柴油機的氣缸蓋故障也會越來越受到人們的關注,針對氣缸蓋裂紋的故障分析會越來越細致,并且相對的預防措施也會越來越完善。 

本文原創作者系:

陽江漁政支隊中國漁政 44602船   李開超 

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來源:網絡

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