發動機氣門掉缸故障原因分析及控制措施探討

黃 平

（中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川瀘州 646000）

0 引言

天然氣的生產和輸送離不開天然氣壓縮機組。目前大部分天然氣壓縮機組采用燃料氣（燃油）發動機作為驅動機，即燃料氣（燃油）燃燒產生的內能，通過曲柄連桿機構將動力活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動，以提供壓縮機所需的機械能，而氣門是燃氣（燃油）發動機的重要組成部分。發動機氣門分為進氣門（Intake Valve）和排氣門（Exhaust Valve），進氣門的作用是將空氣吸入發動機內與燃料混合燃燒，排氣門的作用是將燃燒后的廢氣排出并散熱。

1 基本情況

2015 年6 月，某處理站首次投用5 臺分體式天然氣壓縮機組，該機組驅動機采用卡特彼勒公司生產四沖程、直列8 缸、渦輪增壓、中冷、燃氣發動機G3608TA，每個氣缸布置有4 只氣門，即2 只進氣門和2 只排氣門組成。氣門是由氣門頭部和桿部組成，氣門頭部溫度很高，同時承受氣體的壓力、氣門彈簧的作用力和傳動組件慣性力，所以要求氣門必須有一定強度、剛度、耐熱和耐磨性能（圖1）。

2 故障描述

2018 年2 月至2019 年1 月近11 個月的時間內，在機組正常運轉情況下，發動機缸蓋排氣門在不同時段多次突發排氣門閥桿斷裂、氣門閥盤（氣門頭部）落入缸體內事件（圖2）。氣門閥盤掉入氣缸，引發機組強烈的敲擊聲并伴有異常振動，機組巡檢人員現場實施緊急停機，嚴重時機組則高爆燃保護故障自停。掉入缸內閥盤造成發動機缸蓋和活塞有不同程度的損傷，缸蓋與活塞損壞無法修復，更為嚴重的是斷裂閥盤與活塞、缸蓋撞擊所產生的金屬碎塊隨排氣通道進入廢氣渦輪增壓器，導致渦輪增壓器廢氣葉輪損壞，使渦輪增壓器無法再用，需送廠大修。

3 原因分析

技術人員綜合不同時段所發生排氣門斷裂事故，經比對發現排氣門閥桿斷裂故障擁有4 個共同特征：①斷裂部位基本一致，即在閥盤端以上60～70 mm 附近；②閥桿斷口整齊，均垂直于氣門桿；③斷裂的都是排氣門；④該故障發生在機組運行12 000～19 000 h。

（1）對斷裂的排氣門做金相分析。排氣門至少由2 種材料組合，閥桿頂部經淬火高溫回火，組織為索氏體，硬度為32 HRC，表層有0.04 mm 鍍Cr 層；閥盤組織為奧氏體，硬度為32.2 HRC；閥桿中部距閥盤60 mm 處組織為球狀珠光體，表面鍍Cr 層已被腐蝕，硬度為32 HRC。排氣門盤錐面受高溫腐蝕，組織發生明顯轉變，錐面上有多處開裂，桿體上鍍層消失，有腐蝕產物和腐蝕坑。

（2）斷口分析。斷口表面有藍褐色氧化特征，為多源表面撕裂，源區有臺階，說明使用上存在應力集中，裂紋擴展區主要表現為疲勞條紋和二次裂紋。斷口分析結果是閥桿斷裂是腐蝕疲勞。卡特彼勒公司《G3600 發動機操作、維修手冊》推薦G3608TA 發動機缸蓋大修時間是20 000 h，幾起排氣門發生斷裂時間均在12 000～19 000 h，尚未達到維修手冊規定的缸蓋大修時間；其次氣閥不應該斷裂，只應是磨損和腐蝕。

圖1 進排氣門積碳情況

圖2 發動機缸蓋進排氣機構

綜上，該處理站所發生的排氣門閥盤掉缸事故是由排氣門質量問題而引發的機械事故。進氣門一般采用合金鋼（鉻鋼、鎳鉻鋼），排氣門采用耐熱合金（硅鉻鋼）。該發動機為了節省耐熱合金，排氣門頭部用耐熱合金，而桿部用鉻鋼，經特殊工藝對接而成，排氣門在高溫、高壓廢氣的作用下機械強度下降，在對焊部位斷裂，屬于產品質量問題。

4 處置措施

為了避免機組使用期間部分總成、組件不達規定修理時間便出現異常損壞，維修人員采取以下措施：①適當修正總成或組件大修時間，機組運行8000 h 即對缸蓋實施檢修，強制更換排氣門，防止再發生類似事件；②將G3608TA 發動機使用中出現排氣門斷裂異常情況反饋給卡特彼勒公司，分析原因，改進加工工藝，提升產品質量。經采取上述措施后，隱患得到消除，機組2019 年未再發生排氣門掉缸事故。