船用中速柴油機進氣閥開裂原因分析及改進措施

邱治皓+李寧

摘 要：針對某型中速柴油機進氣閥閥盤發生開裂的事故，通過從柴油機內部和外部因素逐層進行分析，明確了進氣閥閥盤開裂是閥盤溫差過大、熱應力過大導致的疲勞開裂。同時對進氣閥材料的性能進行分析，指出原進氣閥材料不能適應高強化度柴油機的工作需要，并就此提出相應改進措施。

關鍵詞：柴油機；進氣閥；溫差；疲勞斷裂

中圖分類號：U664.123 文獻標識碼：A

Inlet Valve Fracture and Improvement of Marine

Medium-Speed Diesel Engine

QIU Zhihao， LI Ning

（ Guangzhou Diesel Engine Factory Co.， Ltd. Guangzhou 510382 ）

Abstract： In terms of inlet valve disc fracture for a medium speed diesel engine， this paper analyzes the reasons for the fracture and concludes that too high valve disc temperature difference and heat stress lead to the fracture. The performance of the inlet valve material is analyzed and the defect of it is found， so it can not fit the working requirements for the high reinforcing engine， and the related improving measures are put forward.

Key words： Diesel engine； Inlet valve； Temperature difference； Fatigue fracture

1 引 言

某型中速柴油機投放市場多年來一直沒有進氣閥損壞反饋報告。隨著近年來該型中速柴油機投入珠江口工程船市場的數量不斷增加，2014到2015年期間，陸續接到3宗進氣閥損壞報告，且都發生在柴油機投入運行后不長時間內。

通常，柴油機氣閥損壞以排氣閥居多，主要是與排氣閥工作環境惡劣有關，而進氣閥由于其工作環境相對較好，損壞甚少。而在珠江口工程船中出現的3臺該型中速柴油機進氣閥在運行短時間后損壞現象是不正常的，必有其特殊原因所致。

2 斷口檢查

圖1、2、3為該型中速柴油機三個用戶的進氣閥損壞狀況，損壞形貌相似。圖1為閥盤密封面上有眾多徑向裂紋，裂紋由閥盤堆焊層密封面向內并延伸至氣閥本體，轉向沿堆焊層與氣閥本體結合面圓周方向擴展；圖2為閥盤A處有疲勞紋，裂紋擴展直至閥盤部分裂開。

3 故障原因分析

從閥盤裂口宏觀形貌來看，裂紋首先在閥盤堆焊層表面生成，有脆裂特征，是內應力過高所致。A點是閥盤機械應力最大處，當閥盤受損有裂紋后會產生應力集中，成為裂紋擴展源。

閥盤堆焊層表面的內應力，是閥盤堆焊加工時殘留應力，或是工作時溫差產生的熱應力。

針對珠江口工程船的該型中速柴油機進氣閥的開裂現象，從以下幾方面對其原因進行分析。

3.1 柴油機內部因素

氣閥運行環境極為惡劣，長期承受高溫、高壓、廢氣腐蝕、交變熱應力和頻繁沖擊等各種負荷。該型柴油機是目前國內自行開發強化度最高的中速船用柴油機，高功率、高增壓、高爆發壓力、燃燒溫度高。和其它柴油機相比，該型柴油機氣閥工作環境更惡劣，承受更高的氣缸壓力和燃燒溫度。另一方面，該型柴油機壓縮空氣溫度高達230 ℃～250 ℃，經空冷器冷卻后降至50 ℃左右，產生的冷凝水多，尤其在空氣環境潮濕時冷凝水更多。這樣，柴油機進氣閥一方面受到高溫燃氣沖擊，另一方面受到低溫濕冷含水空氣的沖擊，存在較大的溫度梯度和較大的交變熱應力。交變熱應力會加速氣閥疲勞失效，是氣閥錐面堆焊層產生疲勞裂紋或脆裂的重要因素。

3.2 柴油機工作環境因素

珠江口工程船的該型中速柴油機，主要是泵機或發電機。泵機驅動水泵工作，發電機驅動其它工程設備工作。

工程船有如下工作特點。

（1）泵機帶負荷起動，迅速提升至額定轉速、額定工況運行；

（2）發電機組起動至額定轉速（空車），當工程船投入作業時，突然加至較高負荷工作；

（3）工程船作業區域為珠江口，空氣潮濕，并且工程船本身也產生大量水霧，柴油機工作時冷凝水多。

工程船用于泵機和發電機組的該型中速柴油機，都是在預熱不充分甚至沒有預熱的情況下快速提升到高負荷工作的，這樣會導致缸內零件如氣閥、活塞、氣缸蓋、缸套等溫差加大而產生很高的熱應力。船上的潮濕環境和柴油機進氣冷凝水多，將加劇這種狀況。

3.3 進氣閥材料因素

該型柴油機進氣閥材料為4Cr10Si2MoA（新標準為40Cr10Si2MoA），屬馬氏體不銹鋼，是柴油機常用的進氣閥材料。但它存在以下不足：

（1）焊接時基體會產生淬硬層，淬硬層很脆，而且是過飽和固溶體，其應力大，焊接時容易產生焊接裂紋；

（2）焊后不僅有應力大的淬硬層，而且有軟化層，加上基體的原有組織，基體至少有3種以上的組織，這種不均勻性將產生內應力；

（3）焊后會產生淬硬層和應力，從而導致整體韌性下降。

由于這種材料的物理性能較差，往往使氣閥密封面產生很多缺陷，如氣孔、疏松、夾渣，同時存在內應力和容易產生焊接裂紋，氣閥質量難以得到保證，使用于重油和高性能柴油機有較大風險。endprint

綜合上面3個因素分析認為，該型柴油機性能強化度高，進氣閥工作時熱負荷高，存在較大熱應力。

因此，珠江口工程船該型中速柴油機進氣閥開裂的原因，首先是柴油機運行預熱不充分，導致進氣閥溫差大和交變熱應力大；其次是氣閥材料堆焊層質量不穩定。當焊接質量較差存在脆性和有較大殘余焊接內應力的進氣閥，遇上預熱不充分運行時，在較大的交變熱應力作用下，材料熱脹冷縮，循環應力超過材料屈服強度，導致堆焊層產生熱疲勞開裂。

4 改進措施

4.1 改善柴油機工作環境

柴油機油、水冷卻系統增加預熱裝置，這一點對于工程船的泵機和發電機組尤為重要。柴油機起動前，先起動油、水冷卻系統的預熱裝置，對柴油機充分預熱，避免柴油機起動后因零件（主要有進氣閥、氣缸蓋、氣缸套等）溫差過大、熱應力過大造成的損壞。

4.2 改進進氣閥材料

進氣閥材料改為45Cr14Ni14W2Mo，該種材料是奧氏體沉淀硬化型不銹鋼，和4Cr10Si2MoA（下轉第頁）（上接第頁）

（馬氏體不銹鋼）相比，具有如下優勢。

（1）耐高溫性能高于馬氏體不銹鋼。從600℃高溫開始，4Cr14Ni14W2Mo的機械強度就明顯高于4Cr10Si2MoA；

（2）焊接性能優于馬氏體不銹鋼，焊接時不會產生淬硬層；

（3）焊后產生的應力小于馬氏體不銹鋼。4Cr14Ni14W2Mo焊后保持原有的組織結構，均勻性沒受到破壞，因此應力很??；

（4）焊后韌性優于馬氏體不銹鋼，4Cr14Ni14W2Mo焊后不會產生淬硬層和應力，能保持原有的狀態和韌性。

從以上幾點看，4Cr14Ni14W2Mo更適合作為高強化機型的進氣閥材料。

4.3 改進焊接工藝，減小焊接應力

對堆焊坡口結構進行優化處理，使坡口的約束變得最小，使焊層和基體之間互相產生的應力最小化，達到充分發揮焊層和基體的效能作用。

4.4 改進氣閥結構，消除應力集中

對進氣閥結構進行改進，閥盤邊緣倒角處理，消除零件邊緣應力集中。

5 結束語

通過以上分析我們認為，采取如下措施可以有效克服該型中速柴油機在珠江口工程船作為泵機和發電機組使用時出現的進氣閥開裂問題：柴油機油、水冷卻系統增加預熱裝置；更換性能更好的氣閥材料；改進氣閥結構和焊接工藝等。從改進措施實施一年多以來，再未接到進氣閥開裂的質量反饋，證明上述改進措施是有效的。

參考文獻

[1] GB/T 12773-2008 內燃機氣閥用鋼及合金棒材.

[2] 王少懷等， 機械師設計手冊[M]. 機械工業出版社，1989.endprint