船用柴油機汽缸蓋裂紋原因分析及管理對策

文/ 浙江省船舶檢驗局舟山檢驗處 龔均均

大連中石油海運有限公司 張瀾濤

汽缸蓋的工作條件比較惡劣，其底部直接與高溫、高壓燃氣接觸，承受較高的機械負荷、熱負荷和腐蝕作用。當(dāng)管理不當(dāng)時，就會使燃燒室的工作條件更加惡化，導(dǎo)致汽缸蓋的局部出現(xiàn)裂紋。由汽缸蓋所起的作用和它所處的位置可以知道，汽缸蓋受到螺栓預(yù)緊力和缸套的反力的作用，其冷卻水腔還受到水的腐蝕。汽缸蓋由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬分布不均，各部位的溫差很大，因此承受著很大的、分布不均勻的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力，是柴油機的主要易損部件之一。

一、汽缸蓋出現(xiàn)裂紋原因

1. 冷卻不良

（1）由于汽缸蓋冷卻水側(cè)結(jié)垢及鐵銹等，使得觸火側(cè)的溫度上升，若周期性地與吸入低溫的掃氣空氣相接觸即產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致在汽缸蓋閥孔邊緣處產(chǎn)生裂紋。

（2）冷卻水流通不良或形成氣袋，無法使空氣或蒸汽逸出，則會造成局部過熱的狀態(tài)，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。

（3）冷卻水溫調(diào)整不當(dāng)或停機后過早中斷冷卻水循環(huán)。

通常冷卻水中含有溶解氧，水溫升高時即分離而出，倘若冷卻水的溫度再上升，則急速蒸發(fā)而產(chǎn)生蒸汽，若無法由逸氣管排出，則在水流緩慢處滯留，形成氣袋。如果有由于失誤或自動溫度調(diào)整閥的動作不良，而使冷卻水出口溫度超過95 ℃時，溫度就會急速上升而接近沸點，故在冷卻水接近95 ℃以前應(yīng)立即減車，以確保柴油機的安全。

2. 爆發(fā)壓力過高

（1）由于船底污穢或螺旋槳效率降低等導(dǎo)致阻力增加，以及主機長期使用后功率下降時，而欲維持原功率，將油門開度增加，結(jié)果將造成柴油機超負荷運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致爆發(fā)壓力過高。

（2）暖機或壓縮壓力不足而欲啟動主機時，因加大噴油量導(dǎo)致缸內(nèi)積油過多，或在更換噴油器或噴油泵后，泵油驅(qū)氣使活塞頭頂部積留燃油，在啟動時一次點燃而產(chǎn)生爆震，使安全閥跳開而導(dǎo)致爆發(fā)壓力過高。

（3）噴油器不良、噴油泵定時不當(dāng)?shù)仍斐傻牟徽Ｈ紵?，?dǎo)致在燃燒室內(nèi)發(fā)生爆震，同時爆發(fā)壓力異常升高，導(dǎo)致柴油機發(fā)生震動，冷卻水側(cè)的肋骨及水流導(dǎo)向肋等的應(yīng)力值增加，致使熱應(yīng)力及機械應(yīng)力增加。

3. 熱負荷過大

（1）柴油機因長時間超負荷運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致缸蓋過熱；或因各缸的功率不均，使某缸超負荷運行。

（2）噴油器性能不良，致使噴射燃燒不良使缸蓋觸火側(cè)積炭，使得缸蓋底面的溫度過熱產(chǎn)生裂紋。

（3）排氣閥漏泄使閥座附近產(chǎn)生局部過熱，致使閥孔的圓周邊緣附近或閥盤周沿邊緣產(chǎn)生裂紋。

4. 腐蝕

由于汽缸蓋冷卻水側(cè)的腐蝕及觸火側(cè)的燒損而使汽缸蓋壁的厚度減少時，材料強度減弱，應(yīng)力增加而致破裂。例如，汽缸蓋厚度由39 mm減至30 mm時，則應(yīng)力增加30%。

（1）冷卻水側(cè)腐蝕

冷卻水處理不當(dāng)所致的酸性腐蝕及堿性脆化，不同材料間不同的電位差，經(jīng)由冷卻水構(gòu)成通路的電化學(xué)腐蝕，以及引導(dǎo)水流的導(dǎo)向板損壞，使水流沖擊造成漩渦現(xiàn)象的侵蝕等，以上因素若未加以適當(dāng)處理，均會導(dǎo)致汽缸蓋裂紋。

（2）燃氣觸火側(cè)腐蝕

由于燃油中含有硫，燃燒后成為SO2，而SO2氧化變?yōu)镾O3，若與燃燒室內(nèi)水分化合即成硫酸，造成酸性腐蝕，此即為低溫腐蝕。

柴油機運轉(zhuǎn)時，燃燒室中的高溫高壓燃氣直接與燃燒室組成零件——汽缸蓋及其上的閥件、汽缸套和活塞組件接觸，燃氣中某些低熔點灰分熔化并附著在零件金屬表面上，在高溫下發(fā)生化學(xué)作用使零件表面受到破壞的化學(xué)腐蝕，稱為高溫腐蝕或釩腐蝕。

（3）汽缸蓋外側(cè)腐蝕

在缸蓋裂紋原因中已提到，由于目前的劣質(zhì)燃油中含有很高成分的硫分，其在燃燒后形成SO2，如接觸較低溫的金屬表面（露點以下），則與水分形成亞硫酸，從而造成低溫腐蝕，結(jié)果在汽缸蓋外側(cè)示功閥孔及啟動閥附近表面引起腐蝕。

5. 安裝不當(dāng)

當(dāng)安裝汽缸蓋緊固螺帽時，如未能適當(dāng)平均上緊或過度上緊，就會產(chǎn)生局部應(yīng)力，降低材料強度。在缸蓋結(jié)構(gòu)上有一點要注意的就是：上下部接合時的預(yù)緊應(yīng)力可防止發(fā)火時受到過大震動應(yīng)力，如果長久使用或預(yù)緊不當(dāng)，則在缸蓋上下部的接合松動后，燃氣壓力將使之震動而產(chǎn)生過度的應(yīng)力，導(dǎo)致破裂。

6. 操作不當(dāng)或疏忽

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，柴油機設(shè)計、制造技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。因設(shè)計不合理、材料內(nèi)部缺陷和加工制造原因等造成汽缸蓋裂紋的現(xiàn)象已經(jīng)很少見，因此造成汽缸蓋裂紋的主要原因是輪機管理人員的技能不足、疏忽或操作不當(dāng)，而且多發(fā)生在四沖程柴油機上。

由材料的熱應(yīng)力可知，溫度梯度越高，熱應(yīng)力越大。因此若高溫的金屬零件表面突然冷卻，該部分金屬將迅速收縮而產(chǎn)生巨大拉應(yīng)力以至于破裂。在缸蓋上因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的破裂通常都是沿圓周方向伸長的，因突然的溫度變化而造成，其主要原因有以下幾方面：

（1）冷卻水控制不當(dāng)導(dǎo)致溫度突降。

（2）冷卻水失壓導(dǎo)致冷卻中斷或水中有氣體。

（3）未適當(dāng)暖機就啟動主機。

（4）汽缸蓋遭受液擊。

7. 設(shè)計、材料和鑄造不良

（1）由于機械應(yīng)力和熱應(yīng)力與金屬壁厚度成相反的比例，較薄型厚度柴油機的機械應(yīng)力大，過厚則熱應(yīng)力過高，因此厚薄的設(shè)計以及其他的安排有賴于設(shè)計者的優(yōu)化。

（2）隨著最高爆發(fā)壓力的增加及主機轉(zhuǎn)速的降低，對材料的要求也愈加嚴格，若選用材料不當(dāng)，機械強度不夠，無法承受工作負荷，就會造成裂紋。

（3）因高溫鑄造過程所產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力，以及局部有鑄造應(yīng)變留存或有砂孔等鑄造缺陷存在，其產(chǎn)生的應(yīng)力有時大過缸內(nèi)爆發(fā)壓力若干倍，在其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，是造成裂紋的潛在因素。

二、汽缸蓋裂紋的特征

汽缸蓋內(nèi)部的非穿透性裂紋一般通過對汽缸蓋及其閥件進行打開檢查才能發(fā)現(xiàn)，并采用無損探傷法進行檢驗，以確定裂紋的部位和性質(zhì)。通常當(dāng)汽缸蓋出現(xiàn)穿透性裂紋時有如下特征：

（1）啟動前吹車時，示功閥有水汽或水珠噴出。

然而，如何將嵩山地域文化旅游資源優(yōu)勢真正利用起來，讓文化旅游產(chǎn)業(yè)凸顯地域特色，必將面臨很多亟需解決的問題。嵩山文化產(chǎn)業(yè)園區(qū)包括六大產(chǎn)業(yè)區(qū)：少林禪武文化產(chǎn)業(yè)園區(qū)、嵩陽國學(xué)文化產(chǎn)業(yè)區(qū)、中岳民俗文化產(chǎn)業(yè)區(qū)、古文明展示產(chǎn)業(yè)園區(qū)、地質(zhì)公園文化產(chǎn)業(yè)區(qū)和自然生態(tài)休閑產(chǎn)業(yè)園區(qū)，具體如表1所示。

（2）對于二沖程柴油機，打開汽缸檢查口并盤車，可以發(fā)現(xiàn)活塞頂部有積水。

（3）汽缸冷卻水耗量明顯增加。

（4）膨脹水柜有大量氣泡。

（5）汽缸冷卻水出口溫度高。

（6）四沖程柴油機的滑油循環(huán)柜中水分明顯增加。

三、汽缸蓋出現(xiàn)裂紋后應(yīng)采取的措施

（1）如有備件，換用備用汽缸蓋。

（3）運行滑油分油機并密切注意滑油質(zhì)量的變化。

（4）運行中密切注意冷卻水壓力、膨脹水柜水量及冷卻水質(zhì)量的變化。

四、防止缸蓋出現(xiàn)裂紋的對策

（1）汽缸冷卻水應(yīng)隨時保持微堿性，使冷卻水pH值保持在8~9之間，以防止腐蝕。

（2）保持冷卻水量的正常，保持穩(wěn)定水溫及進出口溫度，以及防止冷卻水泵失壓等。

（3）在船底污穢或惡劣天氣航行時應(yīng)特別注意避免爆發(fā)壓力過高，并保持排氣溫度在限制值以下。

（4）加強燃油凈化，避免含有水分的燃油進入汽缸，以免產(chǎn)生硫酸，造成酸性腐蝕。

（5）長期航行后，進港前應(yīng)有足夠時間減速然后用車；停用時間較長啟動前要充分暖機，用車避免加速過快，用車完畢后應(yīng)使用冷卻水循環(huán)至少1 h以上，以慢慢冷卻。

（6）及時保養(yǎng)噴油器及噴油泵，以免造成霧化不良引起爆壓過高，并確保噴油定時的準確及汽缸冷卻水溫度適當(dāng)。

（7）避免長期超負荷運轉(zhuǎn)，以免產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。

（8）要按時打開缸蓋及活塞以清潔燃燒室并檢查。

（9）在上緊缸蓋固定螺栓（帽）時，應(yīng)按照廠家規(guī)定力矩數(shù)值上緊，且力求各螺帽力矩的均勻。