淺談船舶主機氣門工作條件及制造選材

摘要：作為船舶主機燃燒室的重要組成部分，氣門的工作條件極為復雜。因此在氣門的制造選材過程中應充分考慮其工作條件特征。可以說，氣門工作條件決定制造選材方向，制造選材過程也將直接影響氣門適應復雜工作環境的程度。

【關鍵詞】船舶主機 氣門 工作條件 選材

1.船用主機氣門的工作條件

1.1.燃氣的高溫、高壓作用

船舶主機氣門的頭部直接與高溫、高壓燃氣接觸，由于受到氣流的高速沖刷、加熱，溫度高達650～800℃，閥桿溫度可達150～250℃。圖1為某型號船舶主機的氣門在轉速為1200r/min，壓力為1.39MPa工況下的溫度分布[1]。

由圖1可知，閥盤底面最高溫度超過了680℃，整個頭部的溫差在180℃以上，使船舶主機氣門產生較大熱變形和承受較大的熱應力。氣門機構留有冷態間隙，使氣門在開啟和關閉時受到沖擊負荷，若間隙過大，沖擊將更加嚴重。此外，氣閥和閥座在高溫燃氣作用下，將產生交變機械應力和變形，引起氣閥和閥座接觸面發生相對滑移，使摩擦加劇。

1.2.撞擊和磨損作用

船舶主機氣門在關閉時，閥面與座面發生撞擊和磨損。閥盤和閥座在撞擊力的作用下，閥面尺寸減小，座面尺寸增大，氣門滑移著楔入閥座。氣門彈簧的振動和伸縮變形時螺旋線的扭轉作用，也使閥面和座面間產生楔入性和扭轉性的滑移，這些滑移使閥面和座面間產生干磨擦。閥面和座面上的剝落金屬顆粒、灰分、碳粒又變成了磨料加重了磨損。

1.3.燃燒產物的腐蝕作用

燃燒產物對主機氣門的閥盤和閥座有腐蝕作用。特別是船舶主機燃用重油時，閥盤與閥座上的沉積物即燃燒后生成的硫、釩、鈉氧化物的聚合物產生嚴重的腐蝕和磨損。釩、鈉低熔點的化合物對金屬起腐蝕作用，并使閥盤與閥座接觸不良。閥盤和閥座在頻繁撞擊下，由腐蝕形成的硬脆沉積物崩碎脫落，使閥面和閥座上出現凹坑，造成密封面漏氣，甚至燒損。

2.船舶主機氣門制造材料的選擇

2.1.對氣門制造材料的基本要求

根據船舶主機氣門的工作環境和長期實踐過程，人們總結出了船舶主機氣門選材的四個基本要求[2]：（1） 具有良好的高溫機械性能；既有足夠的高溫強度和熱硬性；（2） 具有高溫抗腐蝕的性能；（3） 具有較高的耐磨性與抗沖擊性能；（4） 導熱性好，熱膨脹系數小。

2.2.耐熱合金鋼成首選

工業用鋼包括碳素鋼和合金鋼[2]。碳素鋼簡稱碳鋼，其含碳量小于2.11%，為含有少量的Si、Mn、P、S等雜質的鐵碳合金。因碳素鋼具有較好的機械性能、良好的工藝性能、品種多、價格低廉等特點，成為機械工程廣泛使用的重要金屬材料，在鋼的總用量中占90%以上。但是隨著現代工業和科學技術的發展，對材料的機械性能和理化性能的要求更高了。碳素鋼因其強度低、淬透性低、回火抗力差、高溫性能極差等缺點遠不能滿足現代工業上所要求的高強度、超高強度、 耐高溫、耐低溫、耐磨損和耐腐蝕等性能。而合金鋼就是應運而生的滿足現代工業生產要求的重要金屬材料。合金鋼在碳素鋼的基礎上加入了一定量的合金元素形成的具有特定性能的鋼。合金鋼依用途可分為合金結構鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼三大類。其中特殊性能鋼是具有特殊物理、化學性能的鋼，主要有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。

對于船舶主機氣門這種工作在高溫、高壓、高強度條件下的部件，其制作材料大多都采用耐熱合金鋼。這是因為耐熱合金鋼具有較好的高溫工作性能，即具有較好的抗氧化性與高溫強度。耐熱合金鋼的工作溫度可以達到600～800℃，而碳素鋼的工作溫度僅為200℃左右。同時耐熱合金鋼在600℃高溫下工作時其硬度仍可保持在HRC60，而碳素鋼在工作溫度超過200℃時其硬度、耐磨性顯著降低。制造氣門所采用的耐熱合金鋼中加入了Cr、Si、Al等合金元素，生成結構致密的高熔點氧化膜覆蓋于氣門表面，使之不再被氧化。而在氣閥鋼中加入Mo、W、Ti、V、Cr等元素是為了提高氣閥鋼的再結晶溫度，進而提高氣門的抗蠕變能力。氣門的抗蠕變能力越大，其高溫強度越高。

耐熱合金鋼按其組織可分為珠光體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。而氣閥所采用的傳統制作材料多為馬氏體鋼和奧氏體鋼。馬氏體鋼中的鉻硅鋼為中碳高合金鋼，多用于制造工作溫度小于700℃的氣門。如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。奧氏體耐熱鋼含有大量的Cr、Ni合金元素的高合金鋼，其中4Cr14Ni14W2Mo主要用于制造工作溫度小于750℃的氣門。

2.3.船舶主機氣門選材制造過程同可靠性與可維修性的關系

在選取船舶主機氣門鋼的材料以及制造過程中，一定要考慮船舶主機氣門的可靠性與可維修性。船舶主機氣門的可靠性是指氣門在規定的時間、規定的條件下完成規定的功能的能力[3]。所謂規定的時間即為氣門的使用期（即首次投入使用到發生故障時的時間間隔或者是修復后投入使用到再次發生故障時的時間間隔）、規定的條件是指氣門的環境條件（如高溫、高壓等）、使用條件、維修條件（如在船維修或進廠維修等）和工作方式等。規定的功能是指氣門在設計過程中所賦予的工作性能，例如抗腐蝕性、抗氧化性等。氣門的可靠性是一個綜合性能，反映了設計、材料、制造、安裝工藝等的質量。氣門的可維修性是指其發生故障后，在規定的時間內通過維修使氣門保持或者恢復到規定使用條件下完成規定功能的能力。可維修性是設計制造賦予產品的一種固有特性。維修船舶主機氣門的目的是通過維修合理而迅速地保持或恢復氣門的原有功能，也就是說，在船舶主機氣門發生故障后，要求維修工作以最佳的質量、最短的時間和最低的費用恢復氣門原有的技術特性。

近年來盡管船舶柴油機船舶主機氣門可靠性隨著科學技術的發展、新材料的涌現等原因有了很大提高，但是，由于燃用低質油等現象的存在，可靠性的提高是有限的，相對而言甚至還出現了可靠性下降的趨勢，致使故障率反而增加。因此，提高船舶主機氣門可維修性可大大彌補船舶主機氣門可靠性的不足。因此優質的船舶主機氣門維修與翻新工藝也就成了延長船舶主機氣門使用壽命的重要保證。

參考文獻

[1]程東，朱新河等.船用柴油機零件的維修與再制造技術.2006年

[2]滿一新.輪機工程材料.大連：大連海事大學出版社.1996年

[3]滿一新.船機維修技術.大連：大連海事大學出版社.1999年

作者簡介：

李遠（1984.11-），男，遼寧建平人，畢業于大連海事大學輪機工程專業，工程師、遠洋三管輪，研究方向：輪機工程。