回油閥調(diào)節(jié)式高壓油泵本體裂穿故障分析

黃建華

(香港明華船務(wù)有限公司，廣東 深圳 518067)

回油閥調(diào)節(jié)式高壓油泵本體是高壽命零件，可靠性高、不易損壞、故障機率很小，而且備件費用昂貴，船舶一般不儲存?zhèn)浼?。一旦損壞時更換備件工序繁瑣，耗時長，若發(fā)生在狹窄水道可能嚴重威脅船舶安全。因此，只有深入了解故障形成的原因，才能更好地去使用、管理、維護，預(yù)防故障發(fā)生，保證高壓油泵的穩(wěn)定性和可靠性。

1 故障現(xiàn)象及處理

某輪主機型號，SULZER 6RTA52。高壓油泵分3組，兩個缸一組共用一個高壓油泵本體。

某日航行中，主機第一組高壓油泵的No.2缸進油閥壓蓋下部有微量燃油滲出。1 h后，該處大量燃油涌出，立即停車漂航拆開壓蓋，研磨油泵本體與壓蓋之間接觸的密封面，裝復(fù)試車時未發(fā)現(xiàn)滲油。主機加速至半速時，壓蓋下面又有燃油滲出，壓蓋和本體間密封面剛研磨不應(yīng)該會漏油。

為了確認漏油點，主機在半速運轉(zhuǎn)，逐一拆除再固緊漏油壓蓋的緊固螺栓。當(dāng)擰松壓蓋的一個緊固螺栓時，手有明顯的脈動現(xiàn)象，取出該螺栓觀察到螺孔內(nèi)有脈動噴油。據(jù)此，判斷進油閥上部腔室與壓蓋緊固螺栓螺孔間產(chǎn)生穿透性裂紋。船上無高壓油泵本體備件，只好單缸停油減速航行至港口更換高壓油泵本體。對損壞高壓油泵本體做探傷試驗，證實了上述判斷。

離港航行幾天后，主機第二組高壓油泵的No.4缸同一處出現(xiàn)同樣故障，采取漂航更換備件措施。

2 裂紋產(chǎn)生機理

聯(lián)接緊固件對被聯(lián)接件施加的預(yù)緊力使機件材料產(chǎn)生安裝應(yīng)力，安裝應(yīng)力超過材料的屈服強度或抗拉強度，裝配期間或使用初期在零件材料有缺陷和應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，使材料疲勞強度降低或斷裂。零件或材料在交變載荷作用下產(chǎn)生交變應(yīng)力，交變應(yīng)力超過材料的疲勞強度，長時間作用在零件材料有缺陷或應(yīng)力集中處形成疲勞裂紋。

3 受力分析

高壓油泵本體穿透性裂紋如圖1折線所示位置，此處機件材料的應(yīng)力復(fù)雜，主要包括:上緊緊固螺栓1產(chǎn)生的安裝應(yīng)力σ1;上緊壓力襯套2產(chǎn)生的安裝應(yīng)力σ2;周期性變化燃油壓力產(chǎn)生的交變應(yīng)力σ3。

圖1 高壓油泵剖面及損傷位置

4 故障分析

4.1 機件結(jié)構(gòu)缺陷

機件上開有鍵槽、油孔、臺階、螺紋等各種幾何形狀的缺口時，在使用中就會在缺口的根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，使材料的疲勞極限降低。螺孔裂穿處附近存在安裝高壓油泵安全閥的加工臺階，屬應(yīng)力集中處。材料的疲勞強度降低，材料的應(yīng)力增大時，此處易最先形成疲勞源產(chǎn)生疲勞損壞。

4.2 裝配零件產(chǎn)生的安裝應(yīng)力

檢修裝配時未規(guī)范操作導(dǎo)致材料安裝應(yīng)力增加。

1)說明書規(guī)定上緊緊固螺栓1的力矩為60 N·m。

安裝過程中專用力矩扳手使用不當(dāng)，壓蓋與油泵本體間密封面漏泄時加大安裝力矩止漏，上緊緊固螺栓1未按順序交叉或逐步上緊。導(dǎo)致安裝預(yù)緊力增加使材料的安裝應(yīng)力σ1增加。

2)說明書規(guī)定用專用扳手 (其非力矩扳手)上緊壓力襯套的力矩為300 N·m。

實際上使用此專用扳手時無法測量力矩，檢修時擔(dān)心油閥閥座與泵體間的密封面漏泄，上緊時易產(chǎn)生寧大勿小的錯覺，往往造成安裝預(yù)緊力增加，材料的安裝應(yīng)力σ2增加。

4.3 燃油壓力產(chǎn)生的交變應(yīng)力

高壓油泵柱塞上下運行通過吸油和排油為汽缸的每一動力循環(huán)提供高壓燃油，保證噴油器噴出的燃油形成良好的霧化質(zhì)量。高壓油泵吸油時，高壓油泵進油閥上部腔室內(nèi)壓力比燃油循環(huán)增壓系統(tǒng)的壓力 (0.4～0.5MPa)低，而燃油在正常噴射過程中壓力最高達80MPa左右。周期性變化的燃油壓力產(chǎn)生的交變力使材料產(chǎn)生交變應(yīng)力σ3。

下列情況可能會導(dǎo)致燃油壓力增高即交變應(yīng)力σ3增加:停機時，某些缸噴油設(shè)備循環(huán)回路中斷造成該缸高壓油泵及噴油器中的重油不能循環(huán)預(yù)熱保溫，主機啟動時，該缸高壓油路中的燃油粘度很高。機艙環(huán)境溫度越低影響越大;噴油器冷卻不良而過熱引起噴油嘴噴孔處結(jié)碳造成部分噴孔通道變窄或堵死，高壓燃油節(jié)流受阻;油頭針閥開啟壓力調(diào)整不當(dāng)而過大;燃油中含有機械雜質(zhì)、燃油油溫突變、噴油器冷卻不良導(dǎo)致針閥卡緊或咬死在關(guān)閉位置;主機運行中，燃油加熱溫度偏低，粘度偏大，在噴射過程中，高壓燃油流動阻力增加;主機超負荷運行，噴油量增大。

4.4 過載損傷

高壓油泵安全閥的開啟壓力為115MPa，拆檢故障缸高壓油泵安全閥未發(fā)現(xiàn)有起跳現(xiàn)象，壓力試驗正常。但從維修工作記錄中，得知故障缸安全閥由于曾經(jīng)起跳過而被換新，起跳過的安全閥做效用試驗時，由于燃油干固、結(jié)焦卡住針閥，試驗壓力達200MPa都無法起跳而失效。材料有可能受到過載損傷，造成材料的疲勞極限降低。

一般來說，適當(dāng)?shù)倪^載未能引發(fā)材料內(nèi)部微裂紋的顯著擴展，對材料的疲勞極限沒什么影響。但是不適當(dāng)過載 (包括過載大小和過載循環(huán)次數(shù)的多少)將會造成過載損傷，降低材料的疲勞極限，導(dǎo)致機件的疲勞破壞。

例如上述引起燃油壓力增高的情況惡劣且安全閥失效不能起保護作用的情況下會造成高壓油泵過載。如果高壓油泵在 (如圖2)過載負荷σi、循環(huán)周次Na下工作，即工作點A在過載損害區(qū)以外時，過載對材料的疲勞極限σ－1無影響。短時間過載后恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)高壓油泵不會發(fā)生疲勞破壞。一旦高壓油泵在 (如圖2)過載負荷σi、循環(huán)周次Nb下工作，即工作點B進入過載損害區(qū)時，過載就會使材料的疲勞極限σ－1降低，在恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)后高壓油泵將會發(fā)生過早的疲勞破壞，產(chǎn)生裂紋，縮短高壓油泵的疲勞壽命。cd為過載損害界，ed表示在超過疲勞極限的應(yīng)力下直到斷裂所能經(jīng)受的最大應(yīng)力循環(huán)周數(shù)。

機件材料的疲勞極限遠遠小于材料的屈服極限，甚至僅為1/3的屈服極限。如果機件發(fā)生過過載損傷，使機件疲勞極限降低到一定程度，高壓油泵本體中的最高燃油壓力即使小于安全閥的開啟壓力，高壓油泵本體也會過早發(fā)生疲勞破壞。

圖2 材料的過載損害區(qū)和損害界

4.5 總結(jié)

交變載荷作用下材料產(chǎn)生最大交變應(yīng)力σmax超過材料的疲勞極限時，σmax越大，材料循環(huán)使用周數(shù)就會越少，壽命就會越短，即材料在應(yīng)力集中部位和零件材料有嚴重組織缺陷或冶金缺陷處越早形成疲勞破壞。

σmax低于材料的疲勞極限時，正常循環(huán)使用無數(shù)次也不會發(fā)生疲勞損壞，但是不適當(dāng)過載將會造成過載損傷，降低材料的疲勞極限，在恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)后零件也會發(fā)生過早的疲勞損壞。

高壓油泵檢修時和機器日常運轉(zhuǎn)過程中引起σ1或/和σ2或/和 σ3增加時，導(dǎo)致最大交變合應(yīng)力σmax增加。σmax增加超過材料疲勞極限 (如果材料存在過載損傷導(dǎo)致疲勞極限降低，那么σmax增加更易超過過載損傷后的疲勞極限，甚至正常運行中的σmax就達到此疲勞極限)，在離安裝高壓油泵安全閥加工臺階最近的螺孔的應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞微小裂紋源，使用中裂紋不斷擴展，經(jīng)過一段時間后，螺孔與高壓油泵進油閥上部腔室之間就形成穿透性裂紋而導(dǎo)致燃油泄漏。

5 防范措施

5.1 設(shè)備維護

1)高壓油泵。

(1)安裝壓蓋時，緊固螺栓螺紋應(yīng)用煤油清潔干凈、涂上二硫化鉬軟膏，用專用力矩扳手交叉和逐步上緊至60 N·m。壓蓋與高壓油泵本體接觸密封面應(yīng)仔細研磨。當(dāng)密封面泄漏時，應(yīng)重新研磨接觸面，切勿通過加大上緊力矩消除泄漏。

(2)使用專用扳手安裝壓力襯套無法測量力矩時，應(yīng)旋入干凈的壓力襯套與油閥之閥座緊密接觸為止，再用力上緊60°角，或在專用扳手頂部焊接一套筒連接另配力矩扳手按力矩300 N·m上緊。

(3)定期檢查或校正高壓油泵安全閥的開啟壓力。運行中安全閥開啟，應(yīng)及時查明原因，排除故障，避免材料產(chǎn)生過載負荷。起跳過的安全閥應(yīng)及時拆下、解體清潔、檢查，防止長時間后燃油干固粘住針閥，導(dǎo)致開啟壓力升高或咬死，失去保護功能。

2)噴油器。

(1)定期清潔拆檢主機噴油器，檢查或調(diào)整油頭針閥開啟壓力和燃油霧化質(zhì)量。

(2)清除噴油嘴噴孔內(nèi)臟物。

(3)檢查噴油器循環(huán)閥功能，保障燃油系統(tǒng)的正常循環(huán)，確保噴油器可靠冷卻和停機時噴油設(shè)備的良好預(yù)熱保溫。

5.2 日常管理

1)停機時，保持適當(dāng)?shù)臋C艙溫度、暖缸溫度;手摸噴油器的回油管路，感覺是否有熱油回流，確保各缸的高壓油泵及噴油器中燃油可靠循環(huán)預(yù)熱加溫，避免主機冷車啟動。

2)避免主機超負荷運轉(zhuǎn)。

3)控制燃油加熱溫度，維持正確的燃油粘度。

4)輕、重油轉(zhuǎn)換過程中，嚴格控制油溫的變化，防止油溫突變。

5)加強燃油預(yù)處理，做好沉淀、放殘、分離和過濾工作，清除燃油中各種雜質(zhì)。

6 結(jié)論

高壓油泵本體裂穿故障的原因主要是:檢修裝配高壓油泵操作不規(guī)范;噴油設(shè)備日常維護不佳及燃油處理不好。

因此規(guī)范的設(shè)備檢修操作及良好的日常運行管理是避免故障發(fā)生，保障船舶安全航行的關(guān)鍵。

［1］余憲海.船機維修技術(shù)［M］.大連海事大學(xué)出版社，2000.

［2］杜榮銘.船舶柴油機 ［M］.大連海事大學(xué)出版社，2002.