280A型柴油機用高壓油管泄漏分析及改進的研究

高文佳

摘 要：本文介紹了高壓油管的結構及性能要求，從加工工藝、應力集中、原材料的選擇三個方面分析了高壓油管泄漏的原因，并分別針對這三個方面提出了改進措施，基本上解決了280A型柴油機高壓油管泄漏的問題。

關鍵詞：高壓油管；泄漏；加工工藝；材料；原因分析；改進

1 前言

高壓油管是柴油機上工作條件比較惡劣的部件，處于周期脈動變化的油壓作用下，最高油壓達100MPa。在柴油機燃油系統中，高壓油管是連接噴油泵和噴油器的紐帶，為噴油器輸送柴油機工作所必須的高壓燃油。因為其工作條件惡劣，而且是高壓燃油輸送過程中的關鍵部件，對柴油機的安全可靠運行起著不可忽視的作用。高壓油管的破裂，往往會釀成火災，甚至是導致機破，使機車癱瘓，造成巨大的經濟損失。

2 高壓油管的主要結構與性能

從整體結構上來講，高壓油管主要分為雙層高壓油管和單層高壓油管，從高壓油管管端結構來講，高壓油管管端可采用左旋螺紋結構、焊接結構、冷鐓成形結構和熱鐓成形結構。柴油機高壓油管組件是柴油機燃油系統的重要零部件，對確保和改善柴油機良好的燃燒狀態有著重要的作用。在柴油機燃油系統的高壓容積中，高壓油管所具有的彈性較為顯著。由于燃油的壓縮性和高壓油管的彈性不僅實際噴油始點在時間上落后于噴油泵幾何供油始點；而且油管中的壓力波動呈周期性變化，在升壓過程中油管彈性擴張，在降壓過程中油管彈性收縮，壓力的升降引起壓力波的傳遞與反射，致使實際噴油規律與幾何供油規律出現差異，且產生二次或多次噴射。這種差異，隨著柴油機轉速、油管長度、高壓容積等增加而加大，并使油管產生振動。因此要求高壓油管在高壓下能保證密封性及有較高的耐振能力和較小的彈性脹縮。

3 高壓油管漏油的原因分析

繼2011年以來， 280A型柴油機裝用的高壓油管頻繁發生油管裂漏事故，從上海機務段、南昌機務段、襄陽機務段及出口伊朗機車所用高壓油管裂漏部位來看，油管的裂漏均發生在接頭后部20～30mm處，而此部位恰是高壓油管熱鐓工序中加熱與不加熱的結合部；另一種情況是高壓油管的破裂多數發生在應力集中或者彎曲的部位，這種情況主要是由于結構和制造工藝導致的；還有一種情況是在油管管身直段的縱向破裂，這種情況往往具有批量性的特點，主要是原材料生產過程中存在的原始缺陷導致的。通過對各機務段高壓油管裂漏的調研分析主要有以下三方面的原因：

3.1 加工工藝

280A型柴油機用高壓油管管端采用熱鐓成形結構，雖然熱鐓工藝有諸多的優點，但是對管體的傷害也是巨大的。熱鐓使管體強度大大降低。高頻爐的瞬間加熱，使個別鋼管的物理性質發生變化，維持鋼管強度的碳化物在晶界析出導致鋼管性能極大地惡化，使鋼管強度大大降低，在噴油泵高壓力、高頻率、高脈沖的作用下，管體內部裂紋得以延伸、擴展，最終產生裂漏。在標準TB/T3240-2010中規定高壓油管管端可采用左旋螺紋結構、焊接結構、冷鐓成形結構。

3.2 應力集中

在高壓油管管端加工過程中，由于采用熱鐓工藝，即采用高頻加熱，加熱時間短，鋼管升溫快，熱鐓完成后未進行保溫處理，鋼管聚冷聚熱，應力集中于高壓油管接頭根部不容易消除，這也是導致高壓油管裂漏的原因之一。

3.3 原材料的選擇

根據280A型柴油機用高壓油圖紙要求，高壓油管管材要求采用20A冷拔無縫鋼管。高壓油管管體內部表面存在0.1～0.3mm的毛細裂紋，這種裂紋的存在是導致高壓油管裂漏的最根本也是最直接的原因。這種裂紋用現在的各種探傷方法均無法檢測，按圖紙要求用靜態油泵打壓也無法檢測。在高壓油泵瞬時高壓力、高頻率、高脈沖的作用下，管體內壁裂紋極大的降低了有關的抗疲勞強度，導致高壓油管裂漏。現在由于種種原因，20A材料管體表面及內孔不可避免的存在裂紋、砂眼、氣孔。隨著內燃機朝高速、重載、大功率方向發展，高壓油管所承受的壓力更大，對管體的材質要求更高，我國現有技術條件下的20A管材已無法滿足內燃機車新環境下的運行要求。因此，改用質量更穩定、抗壓力強度更高的優質鋼材取代傳統的20A材質，成為杜絕或減少高壓油管裂漏的最重要的措施之一。

標準TB/T 3240-2010中明確指出，高壓油管管材優先選用20A無縫鋼管，根據高壓油管工作壓力要求，允許采用低合金高強度鋼（如Q345）和合金結構鋼（如12CrNi3、35CrMo、40Cr）等強度更高的材料加工。

4 高壓油管的改進

為了解決高壓油管頻繁裂漏的問題，可通過改變加工工藝和高壓油管管材的材料，并且加強制造工藝。

4.1 加工工藝

280A型柴油機用高壓油管采用冷鐓成形工藝，冷鐓成形有以下優點：

1）鋼材利用率高。

2）生產率高。與通用的切削加工相比，冷鐓成形效率要高出幾十倍以上。

3）機械性能好。冷鐓成形的零件，由于金屬纖維未被切斷，因此強度要比且切削加工優越的多。

4）適于自動化生產。適宜冷鐓成形工藝生產的緊固件（也含一部分異形件），基本上屬于對稱性零件，適合采用高速自動冷鐓機生產，也是大批量生產的主要方法。

4.2 原材料的選擇

通過調研，國外較多采用強度優于ST45的ST52.4的管材，相當于國內的Q345。高壓油管管材的選擇主要考慮規格（內孔尺寸和管壁厚度）、強度等級、內孔表面質量三方面的要求。

1）高壓油管管材的規格的選擇。通過對φ3.5、φ4、φ4.5三種不同油管內徑進行了對比計算，對噴油器與噴油泵端壓力的影響如圖1、圖2所示：

當油管內徑從φ4.5減到φ4，在噴油泵端的噴射壓力將提高，在噴油器端的噴射壓力也提高；當油管內徑從φ4減到φ3.5，在噴油泵端的噴射壓力將提高，但在噴油器端的噴射壓力則沒有提高。因此，高壓油管應采用φ4內徑。

2）強度等級的要求。高壓油管管材普遍采用冷拔成形的低碳、低合金鋼生產，通過冷拔強化和后續適當的熱處理來保證管材獲得適當的強度和塑性。TB/T 3240-2010中提出，允許采用低合金高強度鋼如Q345，經過適當熱處理，達到設計要求的強度等級如表1所示。

3）內孔表面質量的要求。影響高壓油管使用壽命的另一個重要因素是有關內表面缺陷的數量和深度。由于高壓油管在冷拔加工過程中，內表面不可避免產生微裂紋，當柴油機工作時，由于高壓脈沖的波動導致微裂紋繼續擴展而早期失效。在TB/T 3240-2010中引用標準JB/T 8120.1-2000中對燃油噴射管內表面缺陷按數量和深度進行了分級，如表2所示，并且規定應符合R級要求。

4 結論

通過臺架試驗和在線機車的運用考核證明：針對高壓油管以上幾個方面的改進，使新型高壓油管的可靠性大大的提高，基本上解決了高壓油管泄漏的問題。

參考文獻

[1] 黃東、覃景榮、熊炬、張建平，TB/T 3240-2010 內燃機車柴油機用高壓油管

[2] 田朕，柴油機高壓油管用材料綜述