船舶柴油機氣缸蓋裂紋及處理措施解析

1、重慶交通大學應用技術(shù)學院2013屆航運工程系畢業(yè)生論文論文題目：船舶柴油機氣缸蓋裂紋及處理措施班級：10級輪機7班姓名：陳紅雨指導教師：譚顯坤日期：2013520重慶交通大學應用技術(shù)學院航運工程系船舶柴油機氣缸蓋裂紋及處理措施輪機7班陳紅雨摘要：在簡要介紹船舶柴油機氣缸蓋惡劣的工作環(huán)境基礎(chǔ)上，指出它容易產(chǎn)生的故障，并針對常出現(xiàn)的裂紋故障，分析其裂紋產(chǎn)生的原因，并指出如何檢查裂紋，以及一些應急修理方法，最后給出預防氣缸蓋裂紋產(chǎn)生的處理措施。關(guān)鍵詞:船舶；柴油機；氣缸蓋；裂紋；檢查；處理；預防AbstractThisessayfirstlyintroducestheabominableworkin

2、genvironmentinwhichthedieselenginecylindercoverworks,pointsoutiteasytobeintroubleandanalyzesthecausesleadingtocracks.Italsotellshowtorepairthecracksjustbycheckingthecracksandpreventingitsappearancedamage.Somemeasuresaregivenhere.KeywordsShip;DieselEngine;CylinderCover;Crack;Check;Repair;Prevent引言氣缸蓋

3、是柴油機的一種緊固件，也是柴油機燃燒室的組成部分。船用柴油機各種型式的氣缸蓋的共同特點是結(jié)構(gòu)復雜，孔道較多，壁厚不均。它不僅受到高溫高壓氣體的強烈作用，而且周期性地承受較高的機械負荷與熱負荷，也受到因冷卻水造成的局部冷熱不均影響，同時還由于螺栓預緊力使氣缸蓋承受著壓應力，并與燃氣壓力共同作用使氣缸蓋受到彎曲作用，止匕外，還在截面變化處容易產(chǎn)生應力集中等，正是由于氣缸蓋如此惡劣的工作條件，致使氣缸蓋很容易失效損壞。通常失效損壞形式為：其底面和冷卻水腔產(chǎn)生裂紋，這是柴油機經(jīng)常出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象，還有氣閥底面和導套容易磨損，冷卻水側(cè)被腐蝕等。本文主要針對船舶柴油機氣缸蓋最經(jīng)常出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象一一裂紋，進行

4、詳細敘述，分析其裂紋產(chǎn)生原因極其修理、預防措施等。1、氣缸蓋的結(jié)構(gòu)及其作用氣缸蓋是柴油機的固定部件和燃燒室的組成部分。氣缸蓋上安裝著噴油器、啟動空氣閥、安全閥和示功閥等。筒狀活塞式柴油機缸蓋上還裝有進、排氣閥，二沖程直流掃氣試柴油機氣缸蓋裝有排氣閥；此外，氣缸蓋內(nèi)部有各種氣道和冷卻水空間。船用柴油機氣缸蓋的結(jié)構(gòu)形式繁多，隨機型而異，但共同的特點是結(jié)構(gòu)復雜、孔道較多、壁厚不均勻。氣缸蓋密封氣缸與活塞一起組成燃燒室，安裝閥件。有噴油器、氣缸啟動閥、安全閥（開啟壓力不超過1.4倍最高爆發(fā)壓力）、示功閥、排氣閥、進氣閥（四沖程），以及氣閥的傳動機構(gòu)等。布置冷卻水通道，四沖程柴油機缸蓋中要布置進、排通道

5、。2、氣缸蓋裂紋產(chǎn)生的部位2.1 氣缸蓋底面裂紋船用柴油機氣缸蓋的裂紋主要發(fā)生在氣缸蓋底面有應力集中的地方，如孔與孔之間或孔的圓角處、冷卻水腔的截面變化處等。產(chǎn)生裂紋的具體部位則隨機型、氣缸蓋的結(jié)構(gòu)和材料不同而異。船用四沖程柴油機在進排氣閥孔和噴油器等孔之間以及閥座面上容易產(chǎn)生裂紋，在底板受熱面“鼻梁區(qū)”產(chǎn)生熱疲勞裂紋是四沖程柴油機氣缸蓋較為常見的損壞形式。產(chǎn)生熱疲勞是由于受熱面的溫度超過材料的使用極限而發(fā)生蠕變，引起塑性變形。當氣缸蓋在冷熱交替情況下工作時，受熱面的收縮性變形而受阻，從而產(chǎn)生殘余拉伸應力。受熱面溫度超過極限溫度越多，運行時間越長，殘余拉伸應力就越大，最終因應力的反復交變而出現(xiàn)

6、疲勞裂紋。嚴重時可能經(jīng)過一次冷熱循環(huán)便出現(xiàn)裂紋。當裂紋產(chǎn)生在底面時，多為徑向裂紋；當裂紋產(chǎn)生在外部時，裂紋大多是從中央噴油器孔向進排氣閥孔擴展，這是由于小孔處的應力集中所致（如圖1所示）。2.2 氣缸蓋冷卻側(cè)裂紋MAN型柴油機氣缸蓋由上下兩部分組成，下半部分用耐熱合金鑄鐵制成，主要承受熱負荷；上半部分采用灰口鑄鐵制成，主要承受機械負荷，由于下半部分缸蓋冷卻水腔布置了環(huán)形冷卻水道，冷卻水中含有各種酸根離子和溶解氧將對金屬發(fā)生電化學腐蝕和氧化，金屬晶界是首先被腐蝕和氧化的部位。這將導致被腐蝕的表面變得粗糙并產(chǎn)生應力集中，使材料的疲勞強度顯著下降。故裂紋多發(fā)生在冷卻水道的環(huán)形筋根部有應力集中處，沿周

7、向擴展（如圖2所示）。圖2MAN氣缸蓋裂紋部位3、氣缸蓋產(chǎn)生裂紋的原因氣缸蓋產(chǎn)生裂紋是氣缸蓋較為常見的故障。氣缸蓋產(chǎn)生裂紋的根本原因是熱應力和機械應力周期性的作用。在交變的熱應力和機械應力的作用下，將產(chǎn)生疲勞裂紋，從而導致氣缸蓋裂紋。具體分析氣缸蓋產(chǎn)生裂紋主要有以下幾個方面原因。3.1 結(jié)構(gòu)設計方面氣缸蓋底面氣閥孔周圍之所以常產(chǎn)生裂紋，主要因為該處有較大的表面積，因此，受熱膨脹和冷卻時收縮速度都較大。例如，柴油機工作一段時間停車后，氣缸蓋溫度分布變化劇烈，熱量通過冷卻水和進排氣通道迅速散發(fā)，所以在氣閥孔處容易產(chǎn)生裂縫。再者，由于結(jié)構(gòu)或受力不合理、過度圓角太小等均會引起過大的機械應力，從而導致裂

8、紋。3.2 材料和工藝方面氣缸蓋材料選擇不當，質(zhì)量不符合要求，鑄造時沒有很好地消除鑄造應力，從而導致零件內(nèi)部有缺陷，從而使氣缸蓋在工作時容易產(chǎn)生裂紋。3.3 裝配質(zhì)量方面氣缸蓋螺栓不按規(guī)定交叉擰緊，或在發(fā)生氣缸蓋平面漏氣時擰緊該處的螺母來解決，都會造成氣缸蓋受力不均勻而產(chǎn)生裂紋。噴油器安裝不正確，會引起氣缸蓋底面局部變形，增大噴油器孔處所受的拉應力，使之容易產(chǎn)生裂紋。3.4 操作和管理方面柴油機長期在超負荷條件下運轉(zhuǎn)或在未充分暖缸的情況下突然增大負荷，使氣缸蓋從冷態(tài)急劇變?yōu)闊釕B(tài)，或在高溫下急劇冷卻而產(chǎn)生裂紋。柴油機冷車啟動或啟動后加速太快，致使氣缸蓋底面與冷卻面溫差過大，熱應力增大。故應暖機后

9、再啟動，啟動后待油、水溫度升高后方可加速；頻繁啟動、停車和長期超負荷運轉(zhuǎn)均會使機械應力和熱應力增加；冷卻與潤滑不足或中斷，亦會導致機件過熱。3.5 維護保養(yǎng)不良方面安裝氣缸蓋時未按規(guī)定上緊螺栓，各個螺栓受力不均，使氣缸蓋產(chǎn)生過大的附加應力；長期使用，未清潔冷卻水道，致使水腔積垢，影響散熱，引起過大的熱應力，從而導致裂紋的產(chǎn)生。4、氣缸蓋裂紋檢查通常，氣缸蓋裂紋都有一個產(chǎn)生和發(fā)展的過程，因此，平時認真檢查、仔細觀察、及早發(fā)現(xiàn)，就能避免機損事故的發(fā)生。氣缸蓋裂紋檢查主要有3種方法：直接觀察法、著色探傷法、液壓試驗法。4.1 直接觀察法可根據(jù)膨脹水箱中水位的上下波動及有無氣泄、油漬等來判斷氣缸蓋是否

10、有裂紋，還可通過示功閥檢查排氣是否冒白煙或有燃燒不良現(xiàn)象來判斷裂紋發(fā)生在哪一缸。經(jīng)常檢查曲軸箱中滑油油位的變化，若油位升高，油中水分明顯增加，則應懷疑內(nèi)有裂紋。4.2 著色探傷法著色探傷滲透液是含有紅色顏料、溶劑和滲透劑等成分。具有滲透力強，滲透速度快，顯象時清晰醒目，洗滌性好，化學穩(wěn)定性好和無腐蝕或低毒等特點。顯象劑常為氧化鋅、氧化鎂或二氧化鈦等白色粉末和有機溶劑組成。顯象劑具有懸浮力好，與滲透液有明顯的襯度對比，顯示缺陷清晰，易于辨別，無腐蝕性等特點。在著色探傷操作中有浸液法、刷涂法和噴涂法。內(nèi)壓式噴灌操作簡單，攜帶方便，廣為應用。一組內(nèi)壓式噴灌各裝有清洗劑、滲透劑和顯象劑。檢驗時，先用清

11、洗劑清潔零件待檢表面，然后噴涂一層滲透劑，依據(jù)材料不同有不同的滲透時間。如常溫下鋁、鎂合金鑄件約為15分鐘，鍛件和鋼鑄件應不小于30分鐘；鋼焊件和焊縫有的可打60分鐘；塑料、玻璃、陶瓷等非金屬材料在530分鐘之滲。滲透劑滲透時間對檢驗靈敏度影響很大。時間短，小缺陷難以發(fā)現(xiàn)，大缺陷顯示不全；時間長，難以清洗和檢驗效率低。在清洗掉表面滲透劑后再噴涂顯象劑，最后就可在白色襯底上顯示出紅色缺陷痕跡。4.3 液壓試驗法對于內(nèi)部微小裂紋，如冷卻水腔的微小裂紋，用著色法很難檢查，通常做液壓試驗才能檢查出來。液壓試驗法實質(zhì)上是在模擬使用條件下對承壓零件材料內(nèi)部有無缺陷進行檢驗的一種無損檢驗方法。它不需任何先進

12、的儀器，只用一般的專用夾具和具有壓力的氣體或液體。液壓試驗前，將待檢零件上的孔、洞等全部堵塞，用專用夾具密封零件形成包括檢驗部位的密封空腔，注滿液體或氣體后完全封閉，按要求加壓至規(guī)定試驗壓力，保持一定時間后觀察零件外表面上有無液體滲出或氣體逸出，從而判斷零件有無裂紋。試驗用液體可用水或油，也可用空氣，以有關(guān)要求而定。試驗壓力以零件工作條件而定。柴油機氣缸蓋冷卻水腔試驗壓力為0.7MPa,保持5分鐘。另外，航行中根據(jù)下列現(xiàn)象判斷燃燒室零件有無穿透性裂紋：1）柴油機運轉(zhuǎn)中，輪機員可根據(jù)氣缸或活塞冷卻水表壓力指針波動或膨脹水柜水位上下波動判斷零件有穿透性裂紋。因為當氣缸蓋或氣缸套有穿透性裂紋時，燃燒

13、室中的高壓燃氣就會沿裂縫進入冷卻水腔，使冷卻水系統(tǒng)的壓力升高，壓力表指針和膨脹水柜水位均升高；當氣缸排氣后壓力低于冷卻水壓力，冷卻水自裂縫進入氣缸大量漏泄，冷卻水壓力急劇降低，壓力表指針和膨脹水柜水位又迅速降低。止匕外，還可從冷卻水溫升高，淡水消耗量增加，掃氣箱有水流出，膨脹水柜的透氣管有氣泡冒出和冷卻水中有油星等現(xiàn)象進一步判斷。至于燃燒室中哪個零件裂穿則需要進一步檢查。2）啟動前進行轉(zhuǎn)車和沖車時，輪機員應打開示功閥觀察有無水氣或水珠噴出。如有水氣或水珠噴出表明燃燒室零件有穿透性裂紋或噴油器冷卻水漏泄，應進一步檢查和處理，否則缸內(nèi)積水較多直接啟動就會造成水擊事故。3）曲柄箱（或循環(huán)油柜）中滑油

14、量不正常增多或滑油中水分明顯增加，或滑油迅速乳化變質(zhì)均表明由于燃燒室部件有穿透性裂紋使冷卻水大量漏入。4）吊缸檢修時，輪機員應認真仔細觀察各個零件，如發(fā)現(xiàn)活塞、氣缸套和氣缸蓋表面有銹痕，或活塞頂部積水等，說明燃燒室零件有穿透性裂紋網(wǎng)。5、氣缸蓋裂紋的修理及預防措施如果氣缸蓋裂紋程度較為嚴重，比如當氣缸蓋的裂紋是裂穿性的，或者裂紋產(chǎn)生在關(guān)鍵部位，或者裂紋程度較為嚴重，這些情況無疑都必須更換氣缸蓋；但當裂紋不嚴重或為了應急或延長使用，為了保證柴油機正常運轉(zhuǎn)，可根據(jù)不同的場合選擇采用合適的方法進行修理或提前做好預防措施。5.1 氣缸蓋裂紋的修理措施(1)無機粘結(jié)劑修補法。這是一種最方便的方法，由于無

15、機粘結(jié)劑能夠長期在500度高溫下工作，故可用于修補氣缸蓋底面裂紋。但是由于次溫度限制，所以建議在溫度處的裂紋采用有機粘結(jié)劑修補。(2)金屬扣合法。此法的特點是能保證強度又有很好的密封性。對于缸蓋底面裂紋的修理較其他方法可靠。為了增加密封性還可在裂紋處先涂一些無機粘合劑(如磷酸一氧化銅粘合劑)或者有機粘合劑，這樣效果更好。(3)鑲套修理法。主要用于氣缸蓋進、排氣閥孔或噴油器孔內(nèi)的列修理。通常采用此修理后氣缸套可以使用兩年以上。襯套的材料一般采用不銹鋼或青銅，襯套端部與閥孔底部加紫銅墊以密封。(4)焊接修理法。當裂紋較短時，在鏟去裂紋后進行焊補。焊補之前氣缸蓋應預熱，焊前現(xiàn)在裂紋兩端各鉆一止裂孔，

16、并沿裂紋開“U'型坡口，坡口底端應成圓弧形。對于鑄鐵氣缸蓋，焊條可用鍥基鑄鐵焊條。每次焊接長度應不超過3040mm并趁紅熱狀態(tài)用小錘輕輕敲擊整個焊道，以防止熱裂的產(chǎn)生。錘擊后立即用氧一乙烘火焰對準焊縫加熱回火，回火溫度以焊縫表面呈暗紅色即可。此方法對于焊補工藝要求嚴格，尤其是鑄鐵缸蓋焊接部位更應特別小心，如焊前的預熱、焊后的退火處理及焊條的選擇等。因為稍有不當就會在短期使用后因熱應力而再次產(chǎn)生裂紋。(5)覆板修理法。此修理法僅適用于氣缸蓋外表面的修理，可以收到較好的效果。具體現(xiàn)在裂紋兩端鉆止裂孔，然后將鋼板覆蓋在裂紋部位上，再用螺釘固緊在氣缸蓋上。氣缸蓋裂紋修理后，應對冷卻水腔進行0.

17、7MPa的水壓試驗，以檢驗修理質(zhì)量。裂紋微小時采用錘刀、油石或風沙輪等工具打磨裂紋處予以消除，經(jīng)無損探傷或水壓試驗檢驗合格后繼續(xù)使用。否則，繼續(xù)打磨、檢驗。若裂紋深達壁厚的3現(xiàn)上時，停止打磨改用其他方法修理或報廢換新。5.2 氣缸蓋裂紋的預防措施為了保證柴油機的正常運轉(zhuǎn)，作為柴油機的重要部件，預防其產(chǎn)生裂紋更為重要，本文總結(jié)了以下幾條措施。(1)改善氣缸蓋材質(zhì)。通過改善材質(zhì)來減少氣缸蓋裂紋的產(chǎn)生是一個頗為有效的措施，如缸徑為400mm以下的汽缸蓋通常以灰鑄鐵最為普遍，而缸徑大于400mm寸，由于灰鑄鐵經(jīng)不起大變形的長期考驗，因而以改用球墨鑄鐵為宜。(2)氣缸蓋設計優(yōu)化。如近年來許多中速柴油機都

18、采用了雙層底氣缸蓋的結(jié)構(gòu)形式，它的設計觀點是把熱負荷和機械負荷分開來處理，采用較薄的底板可以提高冷卻效果，降低底板溫差，即用較薄的底板承受熱負荷，采用較厚的頂面板、中間隔板和圓周壁來提高剛度承受機械負荷，這樣使得機械應力和熱應力各得其所。再如，為減少燃燒室壁上的熱應力，缸蓋四周不能箍得太緊，缸蓋與缸套的定位凸肩要留有充分的余地，又如缸蓋閥門的過橋處常易產(chǎn)生裂紋，可在產(chǎn)生裂紋的部位預先銃去一部分金屬，以減輕應力集中程度，從而減少了由于熱應力過大而導致裂紋產(chǎn)生的幾率。(3)加強對氣缸蓋過熱部位的冷卻。在柴油機投入運行前，徹底清洗冷卻水腔，保證水路暢通?？刂评鋮s水的質(zhì)量，按說明書的規(guī)定控制好冷卻水的溫度、溫差和流量。在柴油機缸蓋冷卻水道內(nèi)增設擋水板，加快水流速度，且對水流給以必要的引導，使其定向地沖刷排氣