高壓油管開裂原因分析及改進(jìn)建議

(海軍駐上海711所軍事代表室, 上海 201108)

高壓油管開裂原因分析及改進(jìn)建議

陸傳榮

(海軍駐上海711所軍事代表室, 上海 201108)

某柴油機(jī)高壓油管在使用過程中發(fā)生開裂，對開裂油管進(jìn)行了宏觀分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗以及斷口分析，確定了油管的開裂原因。結(jié)果表明：該油管開裂主要是因為其內(nèi)壁存在裂紋、毛刺等加工缺陷，在工作過程中的交變應(yīng)力作用下裂紋以疲勞方式擴(kuò)展并造成開裂；油管未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以及振幅偏大，促進(jìn)了疲勞裂紋的擴(kuò)展。最后對高壓油管提出了改進(jìn)建議。

高壓油管; 加工缺陷; 疲勞開裂; 調(diào)質(zhì)處理； 振動

某柴油機(jī)高壓油管在使用過程中發(fā)生開裂。失效高壓油管材料為20CrMo鋼，外徑14 mm，壁厚4.5 mm。開裂發(fā)生在距油管頂端75 mm處，開裂油管宏觀形貌如圖1所示。筆者通過對開裂油管進(jìn)行檢驗和分析，確定了油管的開裂模式，進(jìn)而分析了油管的開裂原因，并提出了改進(jìn)建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

油管開裂位置內(nèi)外表面及斷口的宏觀形貌見圖2。外表面局部可見圓弧狀塑性變形；內(nèi)壁可見裂紋；沿開裂處人工打開裂紋形成斷口，宏觀觀察斷面未見明顯塑性變形，裂紋以圓弧狀向外擴(kuò)展，可見明顯貝殼紋特征。由失效油管宏觀形貌特征可以判斷，裂紋起源于油管內(nèi)壁，并以疲勞方式擴(kuò)展。

圖1 開裂油管的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracked fuel pipe

圖2 開裂油管內(nèi)外表面及斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of a) outside, b) inside andc) fracture of the cracked fuel pipe

1.2 化學(xué)成分分析

從開裂油管上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可見各元素含量均符合GB/T 3077-2015對20CrMo鋼成分的技術(shù)要求。

表1 油管化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition analysis results of thefule pipe (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

分別于垂直油管開裂處斷面和開裂處附近截取剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋、化學(xué)侵蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察。由圖3可見：裂紋源區(qū)斷面存在鋸齒狀損傷痕跡，顯微組織存在變形特征；擴(kuò)展區(qū)斷面較平整，顯微組織未見變形特征。油管內(nèi)表面存在密集細(xì)小裂紋，裂紋周圍有氧化現(xiàn)象，最深裂紋深度約0.18 mm，見圖4。根據(jù)GB/T 10561-2005中的實際檢驗A法對油管非金屬夾雜物含量進(jìn)行評定，結(jié)果為：A0.5，B0.5，C0，D0.5。油管基體顯微組織為鐵素體+珠光體，見圖5。油管顯微硬度為176 HV1。

圖3 油管斷面拋光態(tài)及侵蝕后顯微組織形貌Fig.3 The a) polishing state morphology and b) microstructuremorphology after erosion of fracture section of the fuel pipe

圖4 油管內(nèi)壁裂紋形貌Fig.4 Morphology of cracks on inner wall of the fuel pipe

圖5 油管基體顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of matrix of the fuel pipe

1.4 斷口掃描電鏡分析

由圖2可見，裂紋源于油管內(nèi)壁側(cè)，裂紋以圓弧狀向外擴(kuò)展，具有貝殼紋特征。

將油管開裂處人工打開斷口清洗后置于掃描電鏡(SEM)內(nèi)觀察。圖6和圖7為油管斷口SEM形貌，可見斷口裂紋源區(qū)有毛刺，斷面有輕微氧化現(xiàn)象，裂紋擴(kuò)展區(qū)可見疲勞輝紋。

圖6 油管斷口SEM低倍形貌Fig.6 SEM morphology of fracture of the fuel pipeat low magnification

圖7 油管斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)SEM形貌Fig.7 SEM morphology of fatigue expansion regionof fracture of the fuel pipe

由上述宏、微觀特征可判定，斷口處的斷裂模式為疲勞斷裂。裂紋起源于高壓油管內(nèi)壁，沿徑向擴(kuò)展至外壁，最終造成油管開裂。

2 分析與討論

根據(jù)疲勞理論，零部件的疲勞壽命由裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命兩部分組成。疲勞壽命的長短受到材料本身性能、零部件表面質(zhì)量、載荷類型、交變載荷幅度以及交變頻率等眾多因素的影響[1]。

2.1 油管材料及加工質(zhì)量的影響

油管材料的化學(xué)成分雖符合GB/T 3077-2015的技術(shù)要求，但顯微組織為鐵素體+珠光體，而不是典型的調(diào)質(zhì)處理組織(回火索氏體+少量鐵素體)。

根據(jù)GB/T 3093-2002[2],JB/T 8120.1-2011[3]的要求：鋼管應(yīng)采用冷拔無縫法制造，鋼管冷拔后以熱處理狀態(tài)交貨，力學(xué)性能應(yīng)達(dá)到規(guī)定要求，并且鋼管的內(nèi)外表面不得有裂紋、結(jié)疤、折疊、毛刺、銹蝕、疏松的氧化鐵皮、麻點、針眼等有害缺陷。允許有不妨礙表面質(zhì)量檢查的氧化薄膜及深度不大于0.08 mm(B級、C級精度鋼管內(nèi)表面應(yīng)不大于0.05 mm)的缺陷。從開裂油管的金相檢驗結(jié)果來看，該油管存在原始質(zhì)量問題，油管內(nèi)壁裂紋最深約0.18 mm,遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大深度0.08 mm。

疲勞壽命由裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命兩部分組成，在高周疲勞中裂紋萌生壽命通常會占疲勞壽命的主要部分。影響高壓油管使用壽命的一個重要因素是油管內(nèi)表面缺陷的數(shù)量和深度。由于高壓油管在加工過程中，內(nèi)表面不可避免地會產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)加工制造產(chǎn)生裂紋等缺陷時，相當(dāng)于裂紋已經(jīng)萌生，疲勞壽命只剩下了擴(kuò)展部分。柴油機(jī)工作時，微裂紋會繼續(xù)擴(kuò)展造成早期失效。

除此之外，高壓油管屬于典型的承受內(nèi)高壓的單層厚壁管材，內(nèi)孔油壓在油管截面上形成的應(yīng)力沿管壁厚度分布并不均勻，油管內(nèi)表面的周向(切向)應(yīng)力、徑向應(yīng)力均處于峰值水平，且周向(切向)張應(yīng)力是軸向張應(yīng)力的兩倍以上。

2.2 油管振動頻率和振幅的影響

除了材料自身的問題和油管的加工質(zhì)量以外，油管服役工況的變化對油管的疲勞壽命也有著重要影響。隨著柴油機(jī)功率的增加，其振動程度也不斷加大，而振動會引起水管、高壓油管等部件發(fā)生斷裂。通常處理局部振動的方法是改變剛度以避開低諧次、大激勵量的激勵，使之不發(fā)生危險諧振[4]。

高壓油管兩端分別連接在噴油泵和噴油器上，工作情況特殊，如果兩端的振動不協(xié)調(diào)，極易造成高壓油管兩端發(fā)生相對運(yùn)動而形成對油管的扭搓，從而導(dǎo)致油管的疲勞失效，這是由發(fā)動機(jī)的局部振動引起的。噴油泵的泵腔油壓是脈沖載荷，故噴油泵的激振力也是脈沖性質(zhì)的?？梢酝ㄟ^增加固定架支撐來改變高壓油管的固有頻率，從而減少高壓油管疲勞失效的發(fā)生[4]。

2.3 考慮油管自增強(qiáng)

通過各種機(jī)械或化學(xué)處理方法能夠有效地減少缺陷。內(nèi)壁強(qiáng)化工藝是目前普遍采用的高壓油管內(nèi)表面處理方法。超高壓內(nèi)壁強(qiáng)化技術(shù)可以提高柴油機(jī)高壓油管的疲勞強(qiáng)度，疲勞試驗證明，經(jīng)內(nèi)壁強(qiáng)化處理的高壓油管能夠滿足共軌發(fā)動機(jī)對高壓油管的更高要求[5]。該方法通過優(yōu)化油管內(nèi)表面應(yīng)力的分布，產(chǎn)生內(nèi)壓、外拉的應(yīng)力狀態(tài)，可有效減緩裂紋擴(kuò)展速率，提高油管的耐壓能力[6]。

3 結(jié)論及建議

該柴油機(jī)用高壓油管發(fā)生開裂主要是因為油管內(nèi)壁存在裂紋、毛刺等缺陷。在工作過程中的交變應(yīng)力作用下，裂紋以疲勞方式不斷擴(kuò)展直至開裂失效；另油管未進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，降低了材料的疲勞強(qiáng)度，加速了疲勞裂紋的擴(kuò)展。

為避免同樣失效的再發(fā)生，建議嚴(yán)格控制油管加工制造質(zhì)量。并可根據(jù)實際工況，適當(dāng)改進(jìn)油管的支撐固定位置，以控制高壓油管的振動幅度。

[1] FROST N E. 金屬疲勞[M]. 汪一麟,譯. 北京:冶金工業(yè)出版社,1984.

[2] GB/T 3093-2002 柴油機(jī)用高壓無縫鋼管[S].

[3] JB/T 8120.1-2011/ISO 8535-1:2006 壓燃式發(fā)動機(jī) 高壓油管用鋼管 第1部分：單壁冷拉無縫鋼管技術(shù)條件[S].

[4] 李民，陳俊杰，張發(fā)雄，等. 柴油機(jī)高壓油管斷裂問題研究[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013(3)：41-43.

[5] 王欽明，胡斌，陳梟，等. 柴油機(jī)高壓油管超高壓強(qiáng)化工藝的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程師，2013(5)：33-36.

[6] 田朕. 柴油機(jī)高壓油管用材綜述[C]∥中國汽車工程學(xué)會汽車材料分會第17屆學(xué)術(shù)年會論文集. 鞍山：[出版者不詳]，2010：198-201.

CrackingReasonAnalysisandImprovementSuggestionsonaHighPressureFuelPipe

LUChuanrong

(Navy in Shanghai 711 Institute Representative Room, Shanghai 201108, China)

The high pressure fuel pipe of a diesel engine cracked during use. The cracking reasons of the fuel pipe were analyzed by means of macro analysis, chemical composition analysis, metallographic examination and fracture analysis. The results show that the cracking of the fuel pipe was mainly due to the inner wall processing defects such as cracks and burrs. The cracks continued to propagate in fatigue mode under the action of working alternating stress and finally resulted in cracking. At the same time, the non-quenched and tempered microstructure and large amplitude promoted the fatigue crack propagation. Finally, improvement suggestions to the high pressure fuel pipe were proposed.

high pressure fuel pipe; processing defect; fatigue cracking; quenching and tempering treatment; vibration

2017-09-26

陸傳榮(1974-)，男，高級工程師，工程碩士，主要從事船舶動力/輪機(jī)工程研究，liyang@126.com

10.11973/lhjy-wl201712012

TK428; TG115

B

1001-4012(2017)12-0901-03