回油閥調節式高壓油泵本體裂穿故障分析

黃建華

(香港明華船務有限公司，廣東 深圳 518067)

回油閥調節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，船舶一般不儲存備件。一旦損壞時更換備件工序繁瑣，耗時長，若發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，預防故障發生，保證高壓油泵的穩定性和可靠性。

1 故障現象及處理

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，裝復試車時未發現滲油。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該會漏油。

為了確認漏油點，主機在半速運轉，逐一拆除再固緊漏油壓蓋的緊固螺栓。當擰松壓蓋的一個緊固螺栓時，手有明顯的脈動現象，取出該螺栓觀察到螺孔內有脈動噴油。據此，判斷進油閥上部腔室與壓蓋緊固螺栓螺孔間產生穿透性裂紋。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缸同一處出現同樣故障，采取漂航更換備件措施。

2 裂紋產生機理

聯接緊固件對被聯接件施加的預緊力使機件材料產生安裝應力，安裝應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力集中處產生裂紋，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生交變應力，交變應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，此處機件材料的應力復雜，主要包括:上緊緊固螺栓1產生的安裝應力σ1;上緊壓力襯套2產生的安裝應力σ2;周期性變化燃油壓力產生的交變應力σ3。

圖1 高壓油泵剖面及損傷位置

4 故障分析

4.1 機件結構缺陷

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生應力集中，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，屬應力集中處。材料的疲勞強度降低，材料的應力增大時，此處易最先形成疲勞源產生疲勞損壞。

4.2 裝配零件產生的安裝應力

檢修裝配時未規范操作導致材料安裝應力增加。

1)說明書規定上緊緊固螺栓1的力矩為60 N·m。

安裝過程中專用力矩扳手使用不當，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。導致安裝預緊力增加使材料的安裝應力σ1增加。

2)說明書規定用專用扳手 (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，檢修時擔心油閥閥座與泵體間的密封面漏泄，上緊時易產生寧大勿小的錯覺，往往造成安裝預緊力增加，材料的安裝應力σ2增加。

4.3 燃油壓力產生的交變應力

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提供高壓燃油，保證噴油器噴出的燃油形成良好的霧化質量。高壓油泵吸油時，高壓油泵進油閥上部腔室內壓力比燃油循環增壓系統的壓力 (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生的交變力使材料產生交變應力σ3。

下列情況可能會導致燃油壓力增高即交變應力σ3增加:停機時，某些缸噴油設備循環回路中斷造成該缸高壓油泵及噴油器中的重油不能循環預熱保溫，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碳造成部分噴孔通道變窄或堵死，高壓燃油節流受阻;油頭針閥開啟壓力調整不當而過大;燃油中含有機械雜質、燃油油溫突變、噴油器冷卻不良導致針閥卡緊或咬死在關閉位置;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現有起跳現象，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，適當的過載未能引發材料內部微裂紋的顯著擴展，對材料的疲勞極限沒什么影響。但是不適當過載 (包括過載大小和過載循環次數的多少)將會造成過載損傷，降低材料的疲勞極限，導致機件的疲勞破壞。

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、循環周次Na下工作，即工作點A在過載損害區以外時，過載對材料的疲勞極限σ－1無影響。短時間過載后恢復正常運轉高壓油泵不會發生疲勞破壞。一旦高壓油泵在 (如圖2)過載負荷σi、循環周次Nb下工作，即工作點B進入過載損害區時，過載就會使材料的疲勞極限σ－1降低，在恢復正常運轉后高壓油泵將會發生過早的疲勞破壞，產生裂紋，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力下直到斷裂所能經受的最大應力循環周數。

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生疲勞破壞。

圖2 材料的過載損害區和損害界

4.5 總結

交變載荷作用下材料產生最大交變應力σmax超過材料的疲勞極限時，σmax越大，材料循環使用周數就會越少，壽命就會越短，即材料在應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，正常循環使用無數次也不會發生疲勞損壞，但是不適當過載將會造成過載損傷，降低材料的疲勞極限，在恢復正常運轉后零件也會發生過早的疲勞損壞。

高壓油泵檢修時和機器日常運轉過程中引起σ1或/和σ2或/和 σ3增加時，導致最大交變合應力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力集中處產生疲勞微小裂紋源，使用中裂紋不斷擴展，經過一段時間后，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致燃油泄漏。

5 防范措施

5.1 設備維護

1)高壓油泵。

(1)安裝壓蓋時，緊固螺栓螺紋應用煤油清潔干凈、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仔細研磨。當密封面泄漏時，應重新研磨接觸面，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，應及時查明原因，排除故障，避免材料產生過載負荷。起跳過的安全閥應及時拆下、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，檢查或調整油頭針閥開啟壓力和燃油霧化質量。

(2)清除噴油嘴噴孔內臟物。

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

5.2 日常管理

1)停機時，保持適當的機艙溫度、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預熱加溫，避免主機冷車啟動。

2)避免主機超負荷運轉。

3)控制燃油加熱溫度，維持正確的燃油粘度。

4)輕、重油轉換過程中，嚴格控制油溫的變化，防止油溫突變。

5)加強燃油預處理，做好沉淀、放殘、分離和過濾工作，清除燃油中各種雜質。

6 結論

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范;噴油設備日常維護不佳及燃油處理不好。

因此規范的設備檢修操作及良好的日常運行管理是避免故障發生，保障船舶安全航行的關鍵。

［1］余憲海.船機維修技術［M］.大連海事大學出版社，2000.

［2］杜榮銘.船舶柴油機 ［M］.大連海事大學出版社，2002.