G6300ZC－B型柴油機機體裂縫的原因分析和預防

龔耀明，胡啟祥

(1.寧波海運股份有限公司，浙江寧波 315020;2.浙江交通職業技術學院，浙江杭州 311112)

G6300ZC－B型柴油機機體裂縫的原因分析和預防

龔耀明1，胡啟祥2

(1.寧波海運股份有限公司，浙江寧波 315020;2.浙江交通職業技術學院，浙江杭州 311112)

文章從柴油機機體產生裂縫的機理入手，通過對某柴油機故障調查和原因分析，提出了針對性的整改和預防措施，對做好柴油機管理與故障處理有一定的借鑒意義。

柴油機機體;裂縫;分析;措施

1 柴油機機體裂縫概述

1.1 G6300ZC型柴油機簡介

某海運公司一艘4 200 dwt的散貨船，雙主機采用G6300ZC－B型柴油機，1990年8月生產;額定功率750 kW，額定轉速400 r/min，壓縮壓力6.22 MPa，爆發壓力≤10.3 MPa，排溫≤450 ℃;機體材料為球墨鑄鐵。

1.2 柴油機機體裂縫概述

該船自1991年投入運行以來，2臺主機多次發生機體裂縫的故障，歷次機體裂縫情況如表1所述。裂縫部位多次采用金屬扣合法進行修理。

表1 歷次機體裂縫情況

2007年2月，左機No.6缸又發現2條裂縫:1條在汽缸冷卻水腔中上部，上下方向長約16 cm，如圖1所示;另1條在機體冷卻水出水口與工藝孔之間，如圖2所示。

圖1 左機No.6缸冷卻水腔裂縫

機體裂縫穿透了機體冷卻水腔的水隔層，使缸套冷卻水直接流入到曲柄箱，污染了系統潤滑油，對柴油機的安全運行帶來嚴重影響。由于每隔2～3年出現了5次機體裂縫，不僅影響到安全生產和經濟效益，而且，可能會造成機體無法修補而導致機體報廢的嚴重后果。

因此，組織有關技術專家分析事故原因，以便采取適當的應對措施。

圖2 左機No.6缸機體冷卻水出水口與工藝孔間裂縫

2 故障調查和原因分析

2.1 機械應力的影響

一是來自貫穿螺栓的預緊力和汽缸內燃燒產生的交變應力，對金屬材料產生機械疲勞破壞。對機體來說，貫穿螺栓的預緊力和燃燒時產生的交變應力都是上下方向的壓應力，對機械部件會產生擠壓傷。二是汽缸頭螺栓產生的局部機械應力。該應力主要集中在缸頭螺栓螺孔周圍和缸頭螺栓孔下面的加強筋部位，產生裂縫的形狀不確定，但一定是在機體上部的應力集中部位。

船舶出廠以后2臺主機的機體從未解體過，貫穿螺栓都是出廠時安裝上去的，柴油機日常使用的爆壓在8.0 MPa左右，說明書上最大允許值為10.3 MPa，發動機也沒有過載，因此該應力在設計要求范圍之內。就一般而言，鑄鐵的抗壓強度較高，抗拉強度較差，因此可以排除這種可能。

汽缸頭螺栓的上緊力矩說明書上規定為744.8 N·m，需用扭力扳手擰緊。而船上輪機人員為了求方便，每次都是用氣動扳手來緊固，因此存在缸頭螺栓上緊力矩過大和不均勻的可能性，是裂縫的可能原因之一。

2.2 熱應力的影響

柴油機機體的熱應力主要的是承受溫差熱應力。冷卻腔水隔層的內表面與水接觸，外表面與空氣接觸，內外表面之間溫差越大，溫度變化越快，則產生的熱應力就越大。管理中如果冷卻水溫度快速升高或者快速降低都會在冷卻腔水隔層中產生巨大的熱應力。對圓筒體來說，軸向應力大于周向應力，因此裂縫方向以軸向為主。

船舶在出廠時，缸套水冷卻系統上裝有直接作用式的恒溫閥，由于該閥控制精度低、靈敏度不高，在主機工況變化時溫差變化較大，通常可達十幾度或更大。輪機人員為了保持缸套冷卻水溫度穩定，采取了人工改變海水旁通閥開度和開關海水泵的辦法來調節水溫。雖然人工介入后溫差變化有所好轉，但存在操作不當和操作疏忽的可能性。

在主機缸套淡水冷卻系統中設有高溫報警，報警值為75℃，但未設低溫報警。因此，未能及時發現冷卻水溫度過低的情況。

船上沒有安裝缸套水暖缸設備。尤其是冬天，冷車啟動時溫度較低，除了發動機工作粗暴之外，對機體也會產生額外的熱應力。

備車時間不足。說明書要求冷車啟動到全負荷時間不小于30 min，淡水和油溫要達到40℃以上。實際上，船上從冷車到全負荷只用了10～15 min。因此，存在著發動機水溫升高太快和全負荷水溫太低的現象。

2.3 材質和鑄造工藝的影響

機體的材質很關鍵，好的材質結構致密，分子間張力大，使用壽命長，不易產生裂縫。如果材質低劣、鑄造工藝粗糙或鑄造時產生的局部應力未消除，都會給日后產生裂縫留下隱患。

打開汽缸后發現，機體的冷卻水腔壁面整體鑄造工藝較粗糙，鑄造時的殘渣未清理干凈，棱角的地方較多。

打波浪鍵時發現，同一缸內的水隔層壁厚不一樣，不同部位的材質疏密不一致。

2.4 材料腐蝕的影響

機體的汽缸冷卻水腔觸水面長期浸泡在柴油機冷卻水中，會受到冷卻水的腐蝕和缸套振動時產生的冷卻水空泡腐蝕，或者是冷卻淡水中混入海水產生了電化腐蝕。腐蝕導致材料強度變弱，不能承受正常的機械應力和熱應力而產生裂縫。

檢查汽缸冷卻水腔壁面和裂縫周邊部位，發現表面基本光潔和平整、無明顯腐蝕凹坑。冷卻水腐蝕引起的可能也基本可以排除。

2.5 結論

綜合上面的排查分析，并結合裂縫的形狀特征，產生裂縫的原因主要有2方面。

1)機體材質和鑄造缺陷等先天不足，導致強度變弱或應力集中，造成裂縫產生。

2)使用管理不當使裂縫發生的頻度增加。主要表現在:①缸套冷卻水溫度控制不穩定，溫度大起大落使機體水隔層承受巨大的溫差熱應力;②暖缸不足、備車不充分和用車不當使柴油機的冷卻水腔在用車初期產生較大熱應力，導致機體材料的機械性能降低，最終導致裂縫;③使用氣動扳手緊固缸頭螺絲時，造成螺栓受力不均或力矩過大，在螺孔附近產生的局部機械應力大于材料屈服極限而開裂。

3 整改和預防措施

由于機體的材質和鑄造工藝在柴油機出廠時已成定局，我們能做的只有從加強管理上下功夫。所以，在對裂縫部位采用金屬扣合法進行了修理后，采取了以下措施。

1)將缸套水系統的直接作用式恒溫閥更換成性能更好的電動自動溫度調節閥。

2)更換溫控閥以后缸套冷卻水溫度的穩定性已能滿足要求，為了避免人為過失造成水溫大起大落，禁止使用人工改變海水旁通閥開度和開關海水泵的辦法來調節冷卻水溫度。

3)上緊缸頭螺栓只能用扭力扳手，并用對角交叉法上緊至規定力矩，氣動扳手只能用于松開缸頭螺絲。

4)嚴格按照說明書的要求進行操作，具體要求為:柴油機啟動后的初期轉速為200 r/min，夏季5 min(冬季10 min)后方可低負荷運行。汽缸頭出水溫度達到45℃以上，并至少運轉30 min后，才允許全負荷運行。正常運行時出機水溫嚴格控制在60～70℃。

經過此次故障排查，并采取了一系列的后續補救和預防措施以后，情況得到了控制。從預防措施實施起至今4年來，2臺主機再未發現類似裂縫，說明當時采取的措施是適當的、有效的。這也說明，科學規范的柴油機日常管理和保養，對于提高船舶的安全性、經濟性具有重要意義。

［1］趙偉，張署，杜榮銘.船用柴油機機體裂縫原因的分析及對策［J］.大連海事大學學報，1997(1).

［2］杜榮銘.船舶柴油機 ［M］.大連海事大學出版社，2006.

［3］王漢功，趙文軫.修復工程學［M］.機械工業出版社，2002.

Commencing from appearance mechanism of crack in diesel engine cylinder block，this paper investigates and analyzes the failure of a certain type of diesel engine.On these bases，rectification and prevention measures are put forward to provide useful references for diesel engine management and troubleshooting.

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U672

C

1001－8328(2012)01－0013－03

浙江省科技資助項目 (2010C31055)

龔耀明 (1962-)，男，浙江寧波人，指導輪機長，主要從事船舶機電技術管理工作。

2011－08