高壓油管開裂原因分析

王春雁 趙祎 李衛(wèi)民 郭巧慧 紀靜 李文華

摘要：發(fā)動機高壓油管在運行大約200小時出現(xiàn)漏油，對漏油部位的斷口進行分析，結(jié)果表明：高壓油管開裂原因主要是由于油管內(nèi)壁殘存含有著P、S腐蝕性元素[1]的腐蝕物質(zhì)，產(chǎn)生腐蝕作用形成了腐蝕坑，腐蝕坑可以起到微觀缺口的作用，提高局部應力水平[2]，降低了抗疲勞性能，至此在腐蝕坑部位萌生了裂紋源，高壓油循環(huán)往復應力作用下促使裂紋不斷由油管內(nèi)壁向外壁擴展，形成了與高壓油流向平行的縱向裂紋。

Abstract： The engine high pressure oil tubing running about 200 hours appeared，fracture of the spill site were analyzed，and the results show that the high pressure oil pipe cracking reason is mainly due to the remaining boxe s with p.corrosive elements of tubing inwall proves corrosion material，the corrosion effect formed corrosion pits，corrosion pit can have the effect of the micro hole，improve the level of local stress，reduce the resistance Fatigue performance，so far in the corrosion pit at the initiation of crack source，high pressure oil cyclic stress to promote the crack from the inner wall of the tubing to the outer wall， formed a longitudinal crack parallel to the high pressure oil flow.

關(guān)鍵詞：高壓油管;開裂;腐蝕坑;交變應力

Key words： high pressure tubing;cracking;corrosion pit;alternating sterss

中圖分類號：U262.32+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0098-03

1 ?概述

高壓油管是高壓油路的重要組成部分，其連接著高壓油泵和噴油機，屬于燃油噴射系統(tǒng)。工作時噴油器針閥的開、閉會使高壓油管產(chǎn)生強烈的高頻沖擊，高壓油的高低壓交替循環(huán)作用對油管壁產(chǎn)生大的交變應力，當油管所受到的應力疊加值超過油管承受的疲勞極限時會造成油管失效。發(fā)動機失效高壓油管材料為DSG1800（BKS），工藝流程為：鋼管下料→去毛刺→鍍鋅→墩頭（一端）→穿螺母→墩另一端→彎曲成形→清洗→油封。對失效高壓油管進行斷口、化學成分、力學性能、金相等相關(guān)項目一系列的檢測分析，意在探討高壓油管開裂原因，預防此類故障再次發(fā)生。

2 ?理化分析

2.1 斷口分析

2.1.1 裂紋形貌 ?①裂紋宏觀形貌。對失效油管進行打壓實驗可見液體從油管失效部位噴出，見圖1，漏油位置發(fā)生在墩頭與折彎部位之間的直段部分;由于表面銹蝕較重，肉眼無法觀測到外表面裂紋;對油管漏油部位解剖，解剖后內(nèi)壁表面呈黃灰色，無法清晰看到裂紋整體形貌。

解剖油管在體式鏡下觀測，油管內(nèi)壁可見一條較直的縱向裂紋，長度約10mm，油管外壁表面可見一條縱向裂紋，長度約6.2mm。

②裂紋微觀檢測分析。將油管失效部位放置在掃描電鏡下進行微觀檢測分析，油管內(nèi)壁表面可見裂紋呈中間平直較粗，兩端有分叉的細小裂紋，裂紋中間部位可見較深的腐蝕坑，裂紋周圍還非均勻分布著腐蝕坑，腐蝕形貌見圖2;對腐蝕部位進行能譜分析，除合金元素外，還有一定量的C、O、P、Zn、Cl等元素。

油管外壁表面可見裂紋較平直，裂紋處及裂紋周圍分布著較多腐蝕坑，腐蝕形貌與內(nèi)壁腐蝕形貌相似，對腐蝕坑部位進行能譜分析，除合金元素外，還有一定量的C、O、P、Zn、S、Cl、Mg、Al等元素。

2.1.2 斷口形貌 ?在失效油管裂紋處將裂紋打開，對裂紋斷口進行掃描電鏡下檢測分析。斷口清洗前整個斷面污染較嚴重，可看到疲勞特征，低倍形貌有明顯的擴展紋路，紋路中心匯聚于內(nèi)壁表面的紅色線框處，位于裂紋中間，呈現(xiàn)點源特征，見圖3，源區(qū)微觀形貌可見腐蝕坑，見圖4，對此處進行能譜分析，除合金元素外，還有一定量的C、O、P、Zn、S、Cl、Mg、Al等元素，見圖5。

斷口清洗后，整個斷面擴展區(qū)所占面積較大，擴展紋路清晰，匯集于裂紋中心，點源特征。對源區(qū)微觀分析，未見冶金缺陷，存在明顯的腐蝕特征，內(nèi)壁表面腐蝕距離為65.29um，見圖6，對源區(qū)進行能譜分析，除合金元素外，還有一定量的C、O、P、Zn、S、Ca等元素;對擴展區(qū)域進行微觀形貌分析，有疲勞輝紋特征，見圖7;靠近外壁的最后斷裂區(qū)有塑性變形特征且有腐蝕形態(tài)。

2.2 化學成分分析

從同批次庫存高壓油管及此件失效油管取樣進行化學成分分析，參照標準JB/T8120.1《壓燃式發(fā)動機高壓油管用鋼管第1部分：單壁冷拉無縫鋼管技術(shù)條件》，失效油管與庫存油管化學成分均符合技術(shù)要求。

2.3 力學性能測試

從同批次庫存油管中隨機抽取3件及此件失效油管共制取4件拉伸試樣，參照標準JB/T8120.1《壓燃式發(fā)動機高壓油管用鋼管第1部分：單壁冷拉無縫鋼管技術(shù)條件》，失效油管與庫存油管力學性能均符合技術(shù)要求，見表1。

2.4 金相檢測分析

對失效高壓高壓油管及同批次庫存油管取樣進行金相檢測分析，金相組織均為鐵素體+珠光體+少量游離滲碳體，晶粒度10級，為塑性變形細化強化后去應力退火狀態(tài)組織，金相組織未見異常，見圖8。

3 ?高壓油管開裂部位受力分析

高壓油管在噴油嘴閉、開狀態(tài)下，測得高壓油管內(nèi)承受最大與最小壓應力值分別為168MPa和 26MPa;通過模擬計算，高壓油管靠近噴油泵端的彎管處的等效應力值最大，安全疲勞系數(shù)為1.75;靠近噴油嘴端彎管處的等效應力值次之，此處的疲勞系數(shù)為1.77;高壓油管其它部分所受的等效應力小于這兩個部位，因此其它部位的疲勞系數(shù)高于這兩個部位，可以得到高壓油管各部位的安全疲勞系數(shù)均大于1.5的技術(shù)標準要求。失效油管裂紋發(fā)生在直段部位，此部位管壁受到的壓應力值低于彎管部位，因此高壓油路系統(tǒng)無異常情況下，高壓油正常交變循環(huán)運轉(zhuǎn)不會使油管發(fā)生屈服變形，進而造成失效。

4 ?開裂原因分析探討

4.1 高壓油管常見失效原因探討

4.1.1 選材不合理或材料不合格引起的失效 ?材料也是零件安全運轉(zhuǎn)的基石，零件服役壽命的長短與材料的好壞是密不可分的。如果高壓油管材料選擇不合理或材料不合格會使壓高油管的強度、抗疲勞等性能指標不能滿足服役條件，還可能增加材料脆性、缺口敏感性，降低高壓油管的綜合性能。高壓油對高壓油管產(chǎn)生強烈的高頻沖擊，高壓油循環(huán)往復的交變應力作用下會使油管在薄弱部位的一處或幾處萌生裂紋源并不斷擴展，進而發(fā)生斷裂，甚至有可能比彈性極限還低的情況下發(fā)生斷裂。

4.1.2 設計不合理原因造成失效 ?零件設計主要是結(jié)構(gòu)設計，結(jié)構(gòu)設計是否合理是零件安全運轉(zhuǎn)可靠性的重要保障。如果結(jié)構(gòu)設計不合理一是會使零件在缺口、圓弧轉(zhuǎn)角、不同形狀過渡區(qū)產(chǎn)生應力集中;二是對零件的工作條件、過載情況估計不足造成零件零件承載能力不足。高壓油管存在折彎加工過程，如果彎曲半徑設計不合理會造成油管折彎部位產(chǎn)生集中應力過大;高壓油管如果承壓能力、抗疲勞性能參數(shù)設計不足會使高壓油沖擊壓力超過油管的承受能力。因此設計不合理會使高壓油管產(chǎn)生應力集中，抗疲勞性能及承載能力不足，最終導致失效。

4.1.3 加工過程控制不當原因造成失效 ?零件加工過程的控制是零件質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵。如果零件在加工過程中控制不當會使零件產(chǎn)生各種缺陷，缺陷會降低零件的各種性能，致使零件在使用過程中發(fā)生早期失效。高壓油管在加工過程中如果控制不當會出現(xiàn)金相組織缺陷及腐蝕性缺陷，金相組織缺陷導致機械性能達不到技術(shù)要求，這些缺陷會降低高壓油管的抗疲勞性能，最終導致失效。

4.1.4 裝配不當及其它部件原因造成失效 ?零件裝配是否得當影響著是零件、配合件及整機的服役壽命。如果裝配過程中配合過松、過緊，對中不準，固定不穩(wěn)都可導致零件不能正常使用或者早期失效。高壓油管如果在裝配過程中未夾緊或者其它部件異常，則會造成油管松動或者產(chǎn)生異常振動，異常應力疊加最終導致油管失效。

4.2 失效高壓油管開裂原因分析探討

①斷口宏觀微觀形貌可知油管裂紋起源于內(nèi)壁表面腐蝕坑部位，清洗后裂紋源區(qū)域未見明顯冶金缺陷，源區(qū)腐蝕坑較深，腐蝕坑能譜顯示含有腐蝕性元素P、S[1]，說明此部位受到含P、S元素的腐蝕物質(zhì)的腐蝕作用形成了腐蝕坑，腐蝕坑易產(chǎn)生應力集中[3]，使此部位抗疲勞性能降低，交變應力作用下在此薄弱部位形成了裂紋源;斷口具有疲勞輝紋典型的疲勞特征[4]，疲勞區(qū)域面積占比較大，擴展較充分，說明裂紋是在交變循環(huán)應力作用下逐步擴展的，因此判定為腐蝕疲勞斷裂[5]，是造成高壓油管失效的主要原因。②化學成分、力學性能檢測分析結(jié)果符合技術(shù)要求;金相組織未見異常，排除了高壓油管因材質(zhì)不合格缺陷導致失效的原因。③高壓油管受力分析可知，油管靠近噴油泵端的彎管部位及靠近噴油嘴端的彎管部位所承受的應力最大，直段部分的油管所受應力值低于這兩個部位，通過計算這兩個部位的安全疲勞系數(shù)均大于技術(shù)要求值，排除設計原因造成的失效。④現(xiàn)場調(diào)查，高壓油路系統(tǒng)其它部件未見異常，高壓油管夾持緊固，未發(fā)生異常震動現(xiàn)象，排除高壓油管安裝不當導致油管應力值異常偏高造成的失效。

5 ?結(jié)論

通過以上一系列的分析，可以得出由于高壓油管內(nèi)壁受到含P 、S腐蝕性元素[1]的腐蝕物質(zhì)的腐蝕作用，形成了腐蝕坑，腐蝕坑易產(chǎn)生應力集中[3]，降低了此處的抗疲勞性能，高壓油交變應力作用下使此薄弱部位形成裂紋源，高壓油循環(huán)往復作用下使裂紋不斷由油管內(nèi)壁向外壁擴展，順著高壓油運行方向形成與高壓油流向平行的縱向裂紋，最終導致油管開裂。此高壓油管開裂性質(zhì)為腐蝕疲勞斷裂。

6 ?建議

高壓油管開裂為腐蝕疲勞斷裂，高壓油管只有在切斷及鍍鋅這兩個工序加工過程中才能產(chǎn)生腐蝕，究其根本原因是油管加工過程控制不當。因此為了避免高壓油管同類失效故障的發(fā)生要加強高壓油管加工過程的管控。

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