某型柴油機排氣管裂漏故障原因分析及改進措施

于寶仲 楊濤

摘要：文章通過對某型柴油機排氣管裂漏故障的分析，列出了柴油機排氣管裂漏現象的各種原因，就其實際運用狀態說明導致排氣管裂漏發生的主要原因，提出了改進和優化措施，并提出了運用方面的一些建議。

關鍵詞：排氣管;裂漏;分析;改進

1? 故障描述

裝用在我公司某型號柴油機的國產化排氣管，在機務段運行30萬公里左右，陸續出現了裂管、冒黑煙現象。經過對故障件進行外觀檢查，發現排氣總管及波紋管法蘭與管體之間的環焊縫根部發生裂損，部分后端單節裝配擋圈松脫。通過對故障件解剖檢查，發現環焊縫有貫穿性裂紋或斷裂現象。

2? 排氣管技術要求

2.1 主要設計性能參數

波紋管單節裝配技術參數：

最大軸向位移：9.5mm。

最大徑向位移：1.2mm。

工作最高溫度：最大工作溫度：621℃。

換算成常溫，規定位移量，疲勞試驗循環次數≥18000次。

2.2 排氣總管技術要求

使用E347（ER347）和E309（ER309）焊絲。

在138kPa下進行壓力試驗或等同測試。

去除裝配內部所有焊渣和異物。

2.3 排氣管安裝要求

安裝說明：①用4個M12螺栓將排氣支管法蘭安裝到氣缸蓋上，通過支管墊片達到密封效果;②將排氣總管墊片安裝于排氣總管法蘭的密封槽內;③收緊管卡螺栓，使排氣總管和波紋管法蘭面對中、貼合，壓緊位于總管密封槽內的總管密封墊達到管路密封效果。

3? 排氣管裂損位置分布統計

通過對120余件故障排氣總管裂紋位置進行檢查，發現裂損位置呈現如下規律：

左端法蘭焊縫裂損位置集中于8至12點（排氣管上部靠機車中心側）;

右側法蘭焊縫裂損位置集中于12至4點（排氣管上部靠機車中心側）。

4? 故障原因分析

通過對排氣管運用狀態及故障現象、故障件解剖檢查、故障趨勢及裂紋位置統計等進行分析，確定了下述4種原因可能導致故障問題的發生，并相應進行追溯、計算和試驗驗證。

4.1 排氣總管、波紋管母材強度不足導致運用中裂損

經檢查母材材質證明，材料牌號和強度滿足技術要求;通過對故障件解剖檢查和跟蹤統計，裂損均發生在法蘭環焊縫上，未發現母材屈服或斷裂的現象。故可排除因母材強度不足造成運用中開裂的可能性。

4.2 焊材及焊接參數選用不當造成運用中損壞

國產排氣管生產前，嚴格按EN 15085標準規定對其使用的焊材和焊接參數進行了工藝評定，經評定焊材符合圖紙要求，焊接參數設定合理;焊縫100%探傷檢查，并對故障件的焊縫進行解剖檢查，亦未見導致裂紋的焊接缺陷。因此可排除因焊材及焊接參數選用不當造成運用中損壞的可能性。

4.3 焊接設計不合理造成運用中損壞

4.3.1 進口件和國產件法蘭焊接焊縫設計分析

①進口件法蘭環焊縫設計為RSEW圓周滾焊縫，其焊縫受力均勻，但要求加工設備功率較大，國內暫無法滿足該焊縫加工條件，且該類型焊縫的焊接缺陷很難通過非破壞性方法進行檢驗，缺陷不易檢出。

②國產件焊接前進行工藝分析，并結合國內生產條件，設計排氣管法蘭焊縫為a1.5角焊縫，此焊接方法工藝成熟，可操作性強，易通過非破壞性方法檢測焊接缺陷。其他同類產品采用該焊接方法焊接制造，從未發生過類似故障。

產品焊接后嚴格按技術要求100%進行無損檢測和氣密性試驗，確保產品密封無泄漏準予出廠。

4.3.2 故障件焊縫宏觀金相檢驗

經對返回的故障排氣總管進行解剖和宏觀金相分析，法蘭與總管之間焊腳高度符合圖紙要求，根部熔合狀態良好。

4.3.3 焊縫應力分析

經對國產排氣管法蘭環焊縫的殘余應力進行有限元分析，發現位于法蘭環焊縫處的Y和Z方向的最大剪切拉應力和最大剪切壓應力對焊縫強度有較大影響。其中：

最大剪切拉應力為181.727MPa;

最大剪切壓應力為170.093MPa。

該殘余應力小于材料的許用應力，且在焊接完成后對其進行整體精加工可一定程度地消除該焊接應力。

4.3.4 焊縫強度破壞性試驗

按有限元分析的應力載荷形式，分別對選取進口件和國產排氣總管法蘭環焊縫進行壓力破壞性對比檢測（具體見表1）。

4.3.5 小結

通過上述對焊縫質量的分析驗證表明，國產排氣管焊接制造工藝可操作性和可檢測性優于進口件，且按要求進行了無損檢測和氣密性試驗，出廠質量滿足焊接設計要求;經焊縫宏觀金相檢查、有限元分析和破壞性試驗驗證，國產件焊接設計強度可以滿足技術要求（焊縫強度高于母材強度）。國產排氣管焊接設計不合理造成運用損壞的可能也基本能夠排除掉。

4.4 排氣管受力異常或運用負載超過設計要求造成運用中損壞

根據排氣管裝配結構和運用情況，排氣管法蘭焊縫同時受到如下應力綜合作用：

①管卡施加的夾緊應力;②機車運行時的沖擊振動應力;③機械熱膨脹應力等。

4.4.1 管卡施加的夾緊應力分析

排氣總管安裝時，管卡螺栓收緊使管卡產生徑向收緊力并沿圓周方向施加于總管和波紋以及法蘭上，并通過法蘭的20°錐面將該力轉化為沿管路軸向的拉力，使總管與波紋管安裝面貼合;通過法蘭槽內的密封墊達到所需的密封效果;同時法蘭焊縫處也會產生一定的反向力矩。

通過分析，排氣總管法蘭錐面在裝配過程中會受到較大的夾持應力和一定的反向力矩，該應力作用于法蘭環焊縫根部，如錐面配合不良將進一步加劇該應力。

進一步對裂漏位置的查看，裂漏位置分布與管卡收緊力方向及位置一致，說明該收緊力在排氣管法蘭的圓周方向上分布是不均勻的，同時機車維護時收緊力過大，將使這一情況更加嚴重。由于管卡對法蘭的夾持力過大，會使環焊縫處的反向力矩相應增大，在機車運用中，該應力不斷釋放，最終會造成焊縫位置開裂。

4.4.2 機車運行時的沖擊振動力分析

機車運行時的沖擊振動將會使管路產生一定的應力，該應力也將作用于法蘭焊縫根部，但振動沖擊力可以被波紋管進行有效地補償。

4.4.3 機械熱膨脹作用力分析

機車運用過程中柴油機的熱量會導致排氣總管金屬產生熱膨脹應力，該應力將集中作用于管路系統中受約束的位置（排氣管與波紋管連接處和排氣管與缸體連接處）。因此柴油機設計安裝了波紋管用于管路的熱補償，從而消除這部分應力對總管的影響。

波紋管補償量設計要求：在最高工作溫度621℃條件下，最大軸向位移9.5mm、最大徑向位移1.2mm。本公司波紋管供貨前和批量裝車前已通過如下驗證試驗，未發現存在補償量不足問題。該波紋管已按Q/CR582.3-2017《機車、動車用柴油機進排氣波紋管組件》標準進行位移和疲勞壽命試驗，并與柴油機配套進行了1100小時臺架試驗，完全符合標準技術要求。

4.4.4 小結

通過對排氣管的應力分析，管路安裝時較大的管卡夾緊力會對排氣管法蘭焊縫產生較大的應力和反向力矩;機車運用時的沖擊振動、熱膨脹變形加劇了焊縫的受力，特別是機車在超負荷運用和維護時過大的管卡收緊力更加劇了這一受力，該應力和過高溫度影響的持續累積可能會使焊縫產生疲勞裂紋和斷裂現象。

5? 故障根本原因

①通過分析，國產排氣管法蘭焊縫在裝配過程中會存在一定的應力集中和反向力矩，同時實際運用負荷下的熱膨脹、振動沖擊應力和高溫影響及維護時過大的緊固力矩等綜合因素作用下，排氣管的受力條件發生進一步惡化，當該應力達到或超過波紋管的設計補償量及法蘭焊縫設計承載力時，焊縫區域的材料喪失進一步承受載荷的能力而產生裂紋源，隨著機車運用約30萬公里，焊縫出現疲勞裂紋并擴展，最終造成貫穿性裂紋或斷裂。

②后端單節裝配故障模式與其它排氣總管焊縫裂紋不同，主要是因為擋圈與管體段焊長度不足，經運行振動和熱交變影響造成擋圈松脫，后續擋圈在總管端部發生轉動，與總管和法蘭連接焊縫發生接磨。

6? 改進及優化措施

針對排氣管故障的根本原因，確定如下改進優化措施：

①對新造排氣管的法蘭與管體焊縫的焊接工藝進行優化，在法蘭與管體內側或端部增加一個半V形焊縫，進一步提高法蘭與管體的連接強度，工藝上明確規定焊縫的起、收弧位置，提升焊縫對反向力矩的抵抗能力，從而進一步延長排氣總管和波紋管的使用壽命;單節裝配增加總管擋圈段焊的數量和焊縫長度（由4段增加為6段），避免因運行震動和熱交變造成擋圈松脫的風險。

②增加排氣管成品法蘭位置度測量胎具，100%對法蘭位置度進行出廠檢驗控制。

③為降低質量損失和使用成本，經過分析試驗，發生故障的排氣管均為法蘭焊縫出現裂紋，母材狀態良好，可對其進行返修后作為服務備件使用。對原有法蘭及裂損的焊縫進行切除，重新制作加厚新法蘭，將法蘭與總管連接的角焊縫改為對接全熔透焊縫。

④對波紋管波形進行設計結構的優化，提高其位移補償量和疲勞壽命的技術性能指標，進而適應機車的實際運用工況。

7? 結束語

通過對排氣管進行改進和優化，排氣管的焊縫質量和使用壽命得到了較大的提高，后續未發生大批量排氣管焊縫裂紋故障問題。同時，我們認為應注重排氣管裝配過程的力矩控制要求，機車運用過程要避免超負荷工作，嚴格按修程技術要求做好維護工作，這些措施都能夠極大的減少排氣總管裂漏現象的發生。

參考文獻：

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