導(dǎo)讀

　　某型船用主推進(jìn)柴油機(jī)在 W5 維修保養(yǎng)運(yùn)行使用約 60h 后 , 發(fā)現(xiàn) 40 個(gè)氣缸的排氣閥間隙均出現(xiàn)超差，38 個(gè)排氣閥座磨損超出氣缸蓋修理極限。

　　更換 38 個(gè)新缸蓋后運(yùn)行使用約 60h，再次出現(xiàn)大面積排氣閥座磨損，2 次航行試驗(yàn)均使用 0# 車用柴油。

　　基于故障現(xiàn)象 , 列出缸蓋排氣閥座異常磨損故障樹 , 從維修安裝、零部件質(zhì)量、使用條件三大方面進(jìn)行分析排查。

　　對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行分析判斷：

　　故障原因是使用 0# 車用柴油含硫量較低，未能形成有效抗磨層，加快了排氣閥座的磨損 , 針對(duì)柴油機(jī)氣閥座異常磨損故障情況提出相應(yīng)的解決措施 , 為后續(xù)同類故障分析提供解決方法。

　　

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　　一、故障背景

　　某船2019年4月在船廠開展修理工程，2臺(tái)MTU956V20柴油機(jī)按 W5 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維修保養(yǎng)(維修前各運(yùn)行約 5800h，維修時(shí)2個(gè)缸蓋由于排氣閥座磨損超出缸蓋修理極限，更換了缸蓋)，9月在柴油機(jī)完成 W5級(jí)維修復(fù)裝后使用約 60h 后，柴油機(jī)使用時(shí)無法起動(dòng)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn) 40 個(gè)氣缸的氣閥間隙均出現(xiàn)超差，38 個(gè)排氣閥座磨損超出氣缸蓋修理極限。

　　11 月更換 38 個(gè)新缸蓋后使用約 60h，再次出現(xiàn)大面積排氣閥座磨損，2次航行試驗(yàn)均使用 0# 車用柴油。

　　第二次更換 9 個(gè)缸蓋后，某船使用 -10# 柴油進(jìn)行航行試驗(yàn)及后續(xù)任務(wù)，期間穿插使用 0# 車用柴油(以 10# 柴油為主)，截止 2020年12月已運(yùn)行約 1000h(累計(jì)運(yùn)行約 6900h)未再出現(xiàn)缸蓋排氣閥座異常磨損故障[1]。

　　二、柴油機(jī)閥座結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境

　　柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，凸輪軸通過挺桿、搖臂機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)排氣閥按設(shè)定的氣閥正時(shí)打開，進(jìn)行排氣，隨后在氣閥彈簧作用下關(guān)閉。

　　MTU956 柴油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)追求輕量化、高功率低密度，在缸蓋進(jìn)、排氣閥座部位沒有鑲嵌硬質(zhì)耐熱合金閥座圈，閥座與缸蓋一體，均為鑄鐵材料;排氣閥裝有轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)，氣閥每次開啟時(shí)受轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)作用進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

　　工作時(shí)受氣缸內(nèi)高溫燃?xì)夂团艢鈿饬鳑_刷，排氣閥座表面溫度在 300~350℃左右。

　　氣閥在關(guān)閉落座時(shí)，會(huì)以一定速度拍打氣閥表面，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在 1455r/min 時(shí)，氣閥落座速度為 0.2m/s，沖擊727次/分 [2]。

　　排氣閥座表面工作時(shí)受高溫和高接觸應(yīng)力沖擊作用，工作條件惡劣。

　　三、故障原因排查

　　1、修理工藝及過程排查

　　本次MTU 956氣缸蓋修理工藝規(guī)程中的檢查、整修過程與 MTU V956/1163 TB.2 維修手冊(cè)一致，氣閥安裝在閥座凸出量數(shù)據(jù)普遍在 4.80~5.10 mm(極限標(biāo)準(zhǔn)為3.0 mm), 復(fù)裝質(zhì)量滿足MTU V956/1163 TB.2 維修手冊(cè)要求[3]。

　　且首次故障發(fā)生后，更換38個(gè)新的缸蓋后運(yùn)行60h 左右，再次出現(xiàn)了缸蓋閥座異常磨損問題，因此排除修理不當(dāng)導(dǎo)致故障的可能。

　　2、缸蓋產(chǎn)品質(zhì)量排查

　　1)產(chǎn)品制造與裝配記錄檢查

　　復(fù)查本次故障機(jī)器相關(guān)零部件檢驗(yàn)和裝配檢驗(yàn)記錄，首次故障的缸蓋原始記錄氣缸蓋水腔、氣腔、閥座尺寸檢查合格，進(jìn)排氣閥與閥座貼合檢查合格;缸蓋密封性檢查，氣閥座深度，氣缸蓋完整完整性等記錄進(jìn)行排查，零部件裝配質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

　　2)缸蓋氣閥材料性能排查

　　首次故障發(fā)生后，抽取排氣閥座磨損較嚴(yán)重的 A1、B6 缸，委托上海機(jī)械工程學(xué)會(huì)失效分析專業(yè)委員會(huì)對(duì)排氣閥、閥座工作面進(jìn)行硬度檢測(cè)，對(duì)閥座工作面進(jìn)行金相檢測(cè)。

　　氣閥材料性能。

　　MTU956 柴油機(jī)排氣閥圖號(hào)為 580 053 02 05，硬度要求≥ 280HB(折合洛氏硬度為 29.2HCR，HB 與 HV 值相近)，A1 缸、B6 缸排氣閥硬度值如表1所示，氣閥硬度遠(yuǎn)大于氣閥硬度要求大于值，但符合氣閥技術(shù)文件要求。

　　

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　　缸蓋材料性能。

　　MTU956 柴油機(jī)缸蓋圖號(hào)為：

　　580 016 10 01，技術(shù)文件要求金相組織為珠光體基體，珠光體大于 95%;

　　硬度要求為200~260HB(199.5~262.5HV，HB=(HV+10.5)/1.05)，A1 缸、B6 缸排氣閥座硬度結(jié)果如表2所示，實(shí)測(cè)缸蓋閥座硬度部分測(cè)點(diǎn)略高于設(shè)計(jì)要求值。

　　

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　　上海機(jī)械工程學(xué)會(huì)失效分析專業(yè)委員會(huì)出具的排氣閥、閥座分析結(jié)果顯示：

　　1)排氣閥的密封面表面硬度(距表面 0.1 mm 處)和硬度梯度比較均勻。

　　2)排氣閥座和進(jìn)氣閥座的硬度梯度沒有明顯差異，由于基體中含有石墨，所檢硬度有波動(dòng)，屬正常現(xiàn)象。

　　3)排氣閥座和進(jìn)氣閥座工作面的金相組織均為珠光體 + 少量鐵元素 + 極少量碳元素。

　　檢測(cè)結(jié)果顯示排氣閥常溫硬度滿足要求，排氣閥座部分測(cè)點(diǎn)硬度略大于要求值，金相組織均滿足要技術(shù)要求。

　　3、氣閥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　氣閥與閥座之間的拍擊力取決于氣閥落座速度，而落座速度受凸輪軸進(jìn)排氣閥凸輪型線影響。

　　且根據(jù)第三次更換缸蓋后柴油機(jī)運(yùn)行約 1000h 無異常，排氣閥座異常磨損消除，因此基本排除氣閥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及凸輪軸引起缸蓋閥座異常磨損的可能 [4]。

　　4、轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)檢查

　　在 W5 維修中，工廠對(duì)氣缸蓋轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)均進(jìn)行檢查，運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

　　且在首次故障后，更換 38 個(gè)新的缸蓋總成，仍短期出現(xiàn)大批次缸蓋磨損故障，因此基本排除轉(zhuǎn)閥機(jī)構(gòu)導(dǎo)致故障的可能。

　　5、使用條件排查

　　1)使用工況排查

　　查看 W5 保養(yǎng)后到首次故障發(fā)生前，及更換新缸蓋到第二次故障發(fā)生前的柴油機(jī)使用工況，均未發(fā)現(xiàn)有超工況使用的情況，且在 W5 保養(yǎng)前及第二次故障更換為 -10 柴油后的使用過程中未在出現(xiàn)大范圍缸蓋異常磨損問題。

　　基本判定，使用工況對(duì)閥座磨損會(huì)有影響，但不是導(dǎo)致本次故障的直接原因 [5]。

　　2)滑油質(zhì)量排查

　　MTU956 柴油機(jī)設(shè)計(jì)在進(jìn)氣管有潤滑泵 , 可潤滑進(jìn)氣閥 , 檢查油泵工作正常 , 進(jìn)氣閥座無異常磨損情況 , 可以排除潤滑質(zhì)量問題。

　　3)燃油質(zhì)量排查

　　該船在 W5 維修后使用燃油為 0# 車用柴油，且未使用添加劑，符合GB19147-2013 要求，但硫含量過低(≤ 10 mg/kg)，不符合 MTU 技術(shù)規(guī)范要求[4]。

　　四、故障機(jī)理分析

　　1、添加劑成分測(cè)試

　　委托中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所分析對(duì)添加劑進(jìn)行分析，LUBRIZLO®ADX766M 柴油添加劑為鉀鹽和溶劑的混合物，其中固體物質(zhì)為多庫酯鉀，溶劑為 200#脂肪烴類的溶劑油。

　　2、送檢方案和排氣閥密封面檢測(cè)

　　委托中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所排氣閥密封面進(jìn)行 SEM 形貌和 EDS 成分分析，選取 4 種情況的排氣閥進(jìn)行送檢情況，如表3所示。

　　

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　　3、閥座表面的磨損機(jī)理

　　對(duì)故障排氣閥、閥座密封面進(jìn)行 SEM 觀察和成分分析發(fā)現(xiàn)，排氣閥密封面表面粗糙，有缸蓋基體黏著現(xiàn)象，缸蓋閥座密封面平整，鑄鐵基體有塑性流動(dòng)和黏著撕裂現(xiàn)象。

　　排氣閥未發(fā)生磨損，發(fā)生異常磨損零件為缸蓋排氣閥座 [6]。

　　956 柴油機(jī)缸蓋為特種合金鑄鐵，自身耐磨性較差，在缺乏表面膜保護(hù)的條件下，金屬直接接觸產(chǎn)生的切向應(yīng)力使其基體快速疲勞剝落產(chǎn)生磨損;

　　同時(shí)，由于氣閥與閥座的硬度差值匹配不合理，氣閥硬度較高，進(jìn)一步加劇磨損。

　　4、密封面表面抗磨層抗磨機(jī)理

　　根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果，4 種方案中密封面表面抗磨層的主要成分為無定型碳，燃燒后的大顆粒物在閥座表面形成抗磨層將排氣閥和閥座的密封面隔開，通過避免密封面的直接接觸，減少黏著磨損來抑制磨損。

　　5、密封面表面抗磨層的形成與移除使用情況

　　根據(jù)陜西柴油機(jī)重工有限公司提供的參考資料《Valve Seat Recession–An Independent Review of Existing Data》，結(jié)合閥座磨損歷次故障情況，及表面膜的形成機(jī)理可以看出，密封面表面膜屬于一種動(dòng)態(tài)消耗膜 [7]。

　　低工況時(shí)表面膜形成速率>移除速率，對(duì)排氣閥組保護(hù)能力加強(qiáng);

　　高工況下形成速率<移除速率，對(duì)排氣閥座保護(hù)能力逐漸下降。

　　可以解釋為何該船在柴油機(jī) W5 保養(yǎng)前數(shù)千小時(shí)未故障，而修理后 60 h 迅速重復(fù)出現(xiàn)故障的現(xiàn)象是由于前期出廠試驗(yàn)期間使用高硫燃油及添加劑，試航期間使用高硫燃油形成了一層較為縝密的保護(hù)膜，對(duì)閥座進(jìn)行了保護(hù)。

　　據(jù) 2 臺(tái) 956 柴油機(jī)歷史使用狀態(tài)，該柴油機(jī)在陜西柴油機(jī)重工有限公司出廠試驗(yàn)階段以添加抗磨劑的 -10#柴油為燃料運(yùn)行了約 50h，航行至三亞前又以 -10# 柴油為燃料運(yùn)行了約100h，結(jié)合分析結(jié)果，說明在三亞應(yīng)用0#車用柴油前，排氣閥座密封面已形成了致密表面保護(hù)膜。

　　因此在三亞航行約 5000h 內(nèi)，未發(fā)生異常磨損。

　　本次 W5 維修過程中對(duì)排氣閥及閥座進(jìn)行了修整，造成上述表面膜被移除，而維修后又使用了 0# 低硫車用柴油運(yùn)行，沒有形成表面膜，引發(fā)了后續(xù)閥座異常磨損的發(fā)生。

　　五、結(jié) 語

　　根據(jù)故障原因分析和該型柴油機(jī)使用的現(xiàn)狀 , 提出以下建議措施：

　　結(jié)合故障原因分析及前期燃油調(diào)研情況，使用硫含量大于 500mg/kg 的高硫油可以在不改變和增加任何設(shè)備的情況下，解決排氣閥座異常磨損故障 , 需在使用前測(cè)定柴油滿足硫含量大于 500mg/kg 的要求;

　　通過在柴油機(jī)艙內(nèi)設(shè)置抗磨添加劑存儲(chǔ)添加裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)日用燃油艙自動(dòng)加注添加劑，滿足推進(jìn)柴油機(jī)的使用要求;

　　從長遠(yuǎn)徹底解決閥座磨損問題角度出發(fā)，則需要提升缸蓋排氣閥座的耐磨性。

　　氣缸蓋一般均采用嵌套式閥座，來提高氣閥、閥座的耐磨性和使用壽命 , 建議國內(nèi)柴油機(jī)研究所或柴油機(jī)廠家開展缸蓋改造方案研究，完成新型缸蓋研制生產(chǎn)，且氣缸蓋改進(jìn)設(shè)計(jì)方案有成熟應(yīng)用，改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)可控。

　　

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　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 孫建新 . 船舶柴油機(jī) [M]. 北京 : 人民交通出版社 ,2006.

　　[2] 黃少竹 . 現(xiàn)代船舶柴油機(jī)故障分析 [M]. 大連 : 大連海事大學(xué)出版社 ,2025.

　　[3] 德國 MTU 公司 .MTU20V956TB92 柴油機(jī)使用說明書 [M].陜西 : 陜西柴油機(jī)重工有限公司出版 ,2012.

　　[4] 德國 MTU 公司 .MTU20V956TB92 柴油機(jī)公差和磨損極限[M]. 陜西 : 陜西柴油機(jī)重工有限公司出版 ,2012.

　　[5]德國MTU公司.MTU柴油機(jī)液體和潤滑劑技術(shù)規(guī)范:A001061/30ct[S].2005.

　　[6] 李斌 . 主推進(jìn)動(dòng)力裝置 [M]. 大連 : 大連海事大學(xué)出版社 ,2012.

　　[7] 高希復(fù) . 柴油機(jī)強(qiáng)度 [M]. 大連 : 大連海運(yùn)學(xué)院出版社 ,1988.

　　原創(chuàng)作者系：

　　廣州華南船舶修造廠 陳日權(quán)