船用柴油機汽缸蓋裂紋原因分析及管理對策

文/ 浙江省船舶檢驗局舟山檢驗處 龔均均

大連中石油海運有限公司 張瀾濤

汽缸蓋的工作條件比較惡劣，其底部直接與高溫、高壓燃氣接觸，承受較高的機械負荷、熱負荷和腐蝕作用。當管理不當時，就會使燃燒室的工作條件更加惡化，導致汽缸蓋的局部出現裂紋。由汽缸蓋所起的作用和它所處的位置可以知道，汽缸蓋受到螺栓預緊力和缸套的反力的作用，其冷卻水腔還受到水的腐蝕。汽缸蓋由于結構復雜，金屬分布不均，各部位的溫差很大，因此承受著很大的、分布不均勻的機械應力和熱應力，是柴油機的主要易損部件之一。

一、汽缸蓋出現裂紋原因

1. 冷卻不良

（1）由于汽缸蓋冷卻水側結垢及鐵銹等，使得觸火側的溫度上升，若周期性地與吸入低溫的掃氣空氣相接觸即產生熱應力，從而導致在汽缸蓋閥孔邊緣處產生裂紋。

（2）冷卻水流通不良或形成氣袋，無法使空氣或蒸汽逸出，則會造成局部過熱的狀態，從而產生熱應力。

（3）冷卻水溫調整不當或停機后過早中斷冷卻水循環。

通常冷卻水中含有溶解氧，水溫升高時即分離而出，倘若冷卻水的溫度再上升，則急速蒸發而產生蒸汽，若無法由逸氣管排出，則在水流緩慢處滯留，形成氣袋。如果有由于失誤或自動溫度調整閥的動作不良，而使冷卻水出口溫度超過95 ℃時，溫度就會急速上升而接近沸點，故在冷卻水接近95 ℃以前應立即減車，以確保柴油機的安全。

2. 爆發壓力過高

（1）由于船底污穢或螺旋槳效率降低等導致阻力增加，以及主機長期使用后功率下降時，而欲維持原功率，將油門開度增加，結果將造成柴油機超負荷運轉，導致爆發壓力過高。

（2）暖機或壓縮壓力不足而欲啟動主機時，因加大噴油量導致缸內積油過多，或在更換噴油器或噴油泵后，泵油驅氣使活塞頭頂部積留燃油，在啟動時一次點燃而產生爆震，使安全閥跳開而導致爆發壓力過高。

（3）噴油器不良、噴油泵定時不當等造成的不正常燃燒，導致在燃燒室內發生爆震，同時爆發壓力異常升高，導致柴油機發生震動，冷卻水側的肋骨及水流導向肋等的應力值增加，致使熱應力及機械應力增加。

3. 熱負荷過大

（1）柴油機因長時間超負荷運轉，導致缸蓋過熱；或因各缸的功率不均，使某缸超負荷運行。

（2）噴油器性能不良，致使噴射燃燒不良使缸蓋觸火側積炭，使得缸蓋底面的溫度過熱產生裂紋。

（3）排氣閥漏泄使閥座附近產生局部過熱，致使閥孔的圓周邊緣附近或閥盤周沿邊緣產生裂紋。

4. 腐蝕

由于汽缸蓋冷卻水側的腐蝕及觸火側的燒損而使汽缸蓋壁的厚度減少時，材料強度減弱，應力增加而致破裂。例如，汽缸蓋厚度由39 mm減至30 mm時，則應力增加30%。

（1）冷卻水側腐蝕

冷卻水處理不當所致的酸性腐蝕及堿性脆化，不同材料間不同的電位差，經由冷卻水構成通路的電化學腐蝕，以及引導水流的導向板損壞，使水流沖擊造成漩渦現象的侵蝕等，以上因素若未加以適當處理，均會導致汽缸蓋裂紋。

（2）燃氣觸火側腐蝕

由于燃油中含有硫，燃燒后成為SO2，而SO2氧化變為SO3，若與燃燒室內水分化合即成硫酸，造成酸性腐蝕，此即為低溫腐蝕。

柴油機運轉時，燃燒室中的高溫高壓燃氣直接與燃燒室組成零件——汽缸蓋及其上的閥件、汽缸套和活塞組件接觸，燃氣中某些低熔點灰分熔化并附著在零件金屬表面上，在高溫下發生化學作用使零件表面受到破壞的化學腐蝕，稱為高溫腐蝕或釩腐蝕。

（3）汽缸蓋外側腐蝕

在缸蓋裂紋原因中已提到，由于目前的劣質燃油中含有很高成分的硫分，其在燃燒后形成SO2，如接觸較低溫的金屬表面（露點以下），則與水分形成亞硫酸，從而造成低溫腐蝕，結果在汽缸蓋外側示功閥孔及啟動閥附近表面引起腐蝕。

5. 安裝不當

當安裝汽缸蓋緊固螺帽時，如未能適當平均上緊或過度上緊，就會產生局部應力，降低材料強度。在缸蓋結構上有一點要注意的就是：上下部接合時的預緊應力可防止發火時受到過大震動應力，如果長久使用或預緊不當，則在缸蓋上下部的接合松動后，燃氣壓力將使之震動而產生過度的應力，導致破裂。

6. 操作不當或疏忽

隨著現代科學技術的不斷發展，柴油機設計、制造技術已經日趨成熟。因設計不合理、材料內部缺陷和加工制造原因等造成汽缸蓋裂紋的現象已經很少見，因此造成汽缸蓋裂紋的主要原因是輪機管理人員的技能不足、疏忽或操作不當，而且多發生在四沖程柴油機上。

由材料的熱應力可知，溫度梯度越高，熱應力越大。因此若高溫的金屬零件表面突然冷卻，該部分金屬將迅速收縮而產生巨大拉應力以至于破裂。在缸蓋上因熱應力而產生的破裂通常都是沿圓周方向伸長的，因突然的溫度變化而造成，其主要原因有以下幾方面：

（1）冷卻水控制不當導致溫度突降。

（2）冷卻水失壓導致冷卻中斷或水中有氣體。

（3）未適當暖機就啟動主機。

（4）汽缸蓋遭受液擊。

7. 設計、材料和鑄造不良

（1）由于機械應力和熱應力與金屬壁厚度成相反的比例，較薄型厚度柴油機的機械應力大，過厚則熱應力過高，因此厚薄的設計以及其他的安排有賴于設計者的優化。

（2）隨著最高爆發壓力的增加及主機轉速的降低，對材料的要求也愈加嚴格，若選用材料不當，機械強度不夠，無法承受工作負荷，就會造成裂紋。

（3）因高溫鑄造過程所產生的殘余熱應力，以及局部有鑄造應變留存或有砂孔等鑄造缺陷存在，其產生的應力有時大過缸內爆發壓力若干倍，在其內部產生裂紋，是造成裂紋的潛在因素。

二、汽缸蓋裂紋的特征

汽缸蓋內部的非穿透性裂紋一般通過對汽缸蓋及其閥件進行打開檢查才能發現，并采用無損探傷法進行檢驗，以確定裂紋的部位和性質。通常當汽缸蓋出現穿透性裂紋時有如下特征：

（1）啟動前吹車時，示功閥有水汽或水珠噴出。

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（2）對于二沖程柴油機，打開汽缸檢查口并盤車，可以發現活塞頂部有積水。

（3）汽缸冷卻水耗量明顯增加。

（4）膨脹水柜有大量氣泡。

（5）汽缸冷卻水出口溫度高。

（6）四沖程柴油機的滑油循環柜中水分明顯增加。

三、汽缸蓋出現裂紋后應采取的措施

（1）如有備件，換用備用汽缸蓋。

（3）運行滑油分油機并密切注意滑油質量的變化。

（4）運行中密切注意冷卻水壓力、膨脹水柜水量及冷卻水質量的變化。

四、防止缸蓋出現裂紋的對策

（1）汽缸冷卻水應隨時保持微堿性，使冷卻水pH值保持在8~9之間，以防止腐蝕。

（2）保持冷卻水量的正常，保持穩定水溫及進出口溫度，以及防止冷卻水泵失壓等。

（3）在船底污穢或惡劣天氣航行時應特別注意避免爆發壓力過高，并保持排氣溫度在限制值以下。

（4）加強燃油凈化，避免含有水分的燃油進入汽缸，以免產生硫酸，造成酸性腐蝕。

（5）長期航行后，進港前應有足夠時間減速然后用車；停用時間較長啟動前要充分暖機，用車避免加速過快，用車完畢后應使用冷卻水循環至少1 h以上，以慢慢冷卻。

（6）及時保養噴油器及噴油泵，以免造成霧化不良引起爆壓過高，并確保噴油定時的準確及汽缸冷卻水溫度適當。

（7）避免長期超負荷運轉，以免產生過熱現象。

（8）要按時打開缸蓋及活塞以清潔燃燒室并檢查。

（9）在上緊缸蓋固定螺栓（帽）時，應按照廠家規定力矩數值上緊，且力求各螺帽力矩的均勻。