華發(fā)輪缸頭螺栓斷裂原因分析

華發(fā)輪缸頭螺栓斷裂原因分析

一、缸頭螺栓健全故障案例華發(fā)輪是一艘多功能三用船，具有動態(tài)定位（dp系統(tǒng)）、二級消防等特殊功能。1982年由挪威建造,其主機配置為四臺德國MAK制造的8M453AK型中速機,單臺功率2400千瓦,8缸600轉(zhuǎn)/分,缸徑320MM沖程420MM。設(shè)計全負(fù)荷油耗203G/KWH,臺架試車最大爆壓127BAR。該船自我司購入后在南海油田等區(qū)域創(chuàng)下了優(yōu)質(zhì)服務(wù)的聲譽,在數(shù)次重大工程作業(yè)服務(wù)中,體現(xiàn)了它良好的操縱性能和各項特殊功能的價值。然而在日常使用中,其主機的缸頭螺栓曾發(fā)生多起斷裂故障,特別是在大負(fù)載作業(yè)后尤為突出。查閱輪機日志記載顯示,該船在購入之前就已發(fā)生多起缸頭螺栓斷裂故障。早期該船管理人員也已經(jīng)向主機制造廠家發(fā)去咨詢函件,廠商對故障也進行了原因分析并提供了相應(yīng)的維護修理指導(dǎo)說明文件。MAK制造商把故障原因分析為,由于主機冷卻水從缸套與機架之間的床墊密封處泄漏,至缸頭螺栓孔內(nèi)存積,水分受熱蒸發(fā)而冷卻水中添加的防護劑含有各種鹽分、化學(xué)劑等濃度增加,加上外部混入的油分、雜物在較高溫度時的共同作用侵蝕金屬、腐蝕金屬,長期積累,影響了螺栓的強度,造成使用中發(fā)生斷裂。他推薦了用硅膠密封螺栓孔的安裝方法。然而實際使用中缸頭螺栓仍經(jīng)常發(fā)生斷裂,其中也包括完全無腐蝕發(fā)生的螺栓莫名斷裂。觀察螺栓的斷裂,其部位基本相同,為螺栓螺桿底部與螺牙交界的圓弧處,斷裂面較為光滑平整。二、缸頭螺栓頻繁斷裂故障及處理查閱各類理論書籍和柴油機故障報告,幾乎無任何關(guān)于缸頭螺栓斷裂的記載及分析,可以說缸頭螺栓的頻繁斷裂這一故障十分罕見,其原因也十分復(fù)雜,為多種因素的共同作用所至。1.缸頭螺栓的應(yīng)力缸頭螺栓是氣缸頭、氣缸套與機架的緊固連接件,它必須保證氣體在燃燒腔內(nèi)燃燒產(chǎn)生最大爆壓時,缸頭與氣缸套仍能緊密相壓。因此,缸頭螺栓安裝時,就應(yīng)保證缸頭螺帽上緊至一定的角度,給予螺栓一定的預(yù)緊力,使螺栓承受一定數(shù)值的拉伸力,這一拉伸力應(yīng)保證大于燃燒腔內(nèi)在最大爆壓時氣體所產(chǎn)生的頂升反作用力,并保證留有一定的安全系數(shù),這樣機器無論在工作或不工作時缸頭螺栓始終只受一個預(yù)緊力所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力作用。這個拉伸應(yīng)力過大則破壞金屬而產(chǎn)生彈性變形,使之拉長變形直至直接拉斷;拉伸應(yīng)力過小,不足以抵消最大爆壓的反作用力,則使螺栓隨著氣體壓力的交變作用使之承受交變的高頻沖擊應(yīng)力,極易加劇金屬的疲勞。從缸頭所受的熱負(fù)荷分析,工作時,氣缸頭底面承受高溫膨脹,而頂面為冷卻面收縮,形成一個上拱趨勢,而氣缸爆炸壓力的作用,使底部受到進一步的彎曲應(yīng)力,該彎曲應(yīng)力存在除部分為金屬自然變形所吸收,其余傳到缸頭螺栓上,使之承受交變的彎曲應(yīng)力。在缸頭螺栓安裝時,由于該缸頭螺栓為細(xì)長形螺栓,其長度為480mm,直徑為25mm,用氣動沖擊扳手轉(zhuǎn)螺帽角度上緊,不可避免使螺栓產(chǎn)生一定的繞度,產(chǎn)生了附加剪切應(yīng)力。在現(xiàn)場檢修時,因結(jié)構(gòu)的限制,前有啟動空氣管,后有進、排氣管,使缸頭放置時達(dá)不到理想的自然位置,這樣就使螺栓與螺孔做不到完全同心,進一步產(chǎn)生扭曲變形。因此,各種應(yīng)力的共同作用使螺栓的金屬產(chǎn)生疲勞,這是誘發(fā)螺栓斷裂的首要因素。2.螺栓的設(shè)計缺陷主機的缸頭螺栓屬于高強度螺栓,所處部位非常重要,一旦發(fā)生斷裂,就有可能使燃燒無法完全密封,造成高壓、高溫燃?xì)廛f出機器釀成險情。并有可能在一根螺栓斷裂后,其他螺栓無法承受分擔(dān)的沖擊應(yīng)力而依次斷裂,造成不可設(shè)想的后果。缸頭螺栓直接承受著高壓燃?xì)庵芷诮蛔兊臎_擊載荷,其尺寸又受到其他結(jié)構(gòu)的限制,因此必須在材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝等方面采取專門的措施,以提高其抗疲勞強度。與其他船舶主機的缸頭螺栓相比較,若以最高爆發(fā)壓力相應(yīng)的負(fù)荷作為螺栓的總工作負(fù)荷,分至缸頭螺栓的截面積上,本機普遍高出它機20%～30%。即若螺栓的材質(zhì)等基本相同的話,其螺栓的設(shè)計余量則明顯小于其他類型的主機缸頭螺栓。主機制造廠家對此亦承認(rèn)不諱。而每次發(fā)生斷裂的部位皆為螺桿與螺紋的交界圓弧處,亦說明該處的應(yīng)力較為集中。過渡圓弧在設(shè)計時考慮不周,沒有采取特別的措施加以彌補。缸頭螺栓作為強力螺栓,制成細(xì)長形以提高其柔度,降低其所承受的載荷幅度,桿身直徑一般為螺紋中徑的0.8倍,過細(xì)時將使其應(yīng)力過高造成斷裂,因此設(shè)計上的不足是螺栓容易斷裂的根本內(nèi)因。3.金屬模板合成法在使用中,本主機(據(jù)了解,其他類似的MAK中速機亦同)時常發(fā)生缸套與機架水封墊處漏水。主機冷卻水中加有含亞硝酸鹽等多種化學(xué)成分的水質(zhì)處理劑,漏出的冷卻水在缸頭螺栓的螺孔等低凹處沉積,隨著水分的蒸發(fā)使其濃度增大,附近的高溫使各類化學(xué)劑對金屬的腐蝕作用加劇。從結(jié)構(gòu)上看,造成冷卻水的漏泄有其設(shè)計不妥之處,本主機為筒形活塞中速機,由均勻分布的八根長480mm、￠25mm的合金鋼螺栓把缸頭、缸套與機架相固定。主機缸頭與缸套之間的燃燒腔密封為鍍銅鐵令,而缸套與機架間冷卻水密封墊為鋼質(zhì)令,原始備件為兩邊平面皆有數(shù)條迷宮式凸緣的1.5mm厚合金鋼令,而經(jīng)過一次解體檢修,為保證密封通過研磨處理來磨平機架上的壓痕,鋼套則進廠凸肩部位車削至適配厚一檔密封墊(廠家只配置了2.5mm、3.5mm、4.5mm三種平面式鋼令做備件,這樣就意味著經(jīng)過三次吊缸保養(yǎng)后,該缸套作報廢處理)。實際工作中這樣的處理很難保證水腔的密封。這樣缸頭螺栓長期處于化學(xué)劑的腐蝕作用,使其表面銹蝕及苛性脆化,極快地降低了螺栓的抗疲勞強度,這是螺栓斷裂的誘發(fā)外因。4.缸頭螺栓預(yù)緊力的影響在實際安裝時,由于受附屬部件的影響,缸頭搖臂端有起動空氣等管系,排氣端有排煙管、進氣管等限制。為了防止附件螺孔錯位,在上緊缸頭螺栓前兩端附件皆已對入。這樣勢必造成缸頭不能作為一自由體坐落在缸套機架上。而廠家推薦的上緊方法是:先以50NM均勻上緊,然后分批次上緊至60°角、180°角、250°角。可以想象,僅以50NM的扭距是不能使缸頭做到平整,以此為基準(zhǔn)所畫的60°、180°、250°位置線亦不準(zhǔn)確;在實際安裝時發(fā)現(xiàn)一些螺栓非常輕松就上緊至250°,而一些螺栓則異常困難,以角度位置上看,有的相差40°～50°。這樣對同一缸頭上的八根螺栓造成其預(yù)緊力的不同,則在實際使用中,承受的氣體爆壓所分擔(dān)的負(fù)荷亦不同,有的差異會十分明顯,造成個別螺栓承受了太大的沖擊載荷,加速了其疲勞損傷造成斷裂。太大的預(yù)緊力本身會造成金屬的過度拉伸應(yīng)力造成損傷;而預(yù)緊力太低,如介于氣體爆炸壓力,則螺栓會受交變的拉伸、壓縮應(yīng)力,也極易造成金屬快速疲勞。因此缸頭螺栓預(yù)緊力的過大、過小或各螺栓的預(yù)緊力不均,都可能降低它的工作可靠性,降低它的抗疲勞強度能力,造成螺栓的斷裂。這是一個最有可能也是最重要的能誘發(fā)缸頭螺栓斷裂的外因。三、金鋼的加工工藝1.缸頭螺栓主要承受著交變的燃?xì)獗▔毫?因此平衡各缸的負(fù)荷,使主機在全負(fù)荷時各缸的最大爆壓基本平衡。防止由于某缸爆壓過大使該缸的螺栓承受超負(fù)載的應(yīng)力作用而造成疲勞。在日常管理中這一點尤為重要,這就要求我們不間斷地觀察測量各缸的燃燒狀況。從油泵的定時,供油量入手調(diào)整好高壓油泵的性能,定期泵壓檢查油頭,以保證燃油的霧化質(zhì)量,新鮮空氣的進氣質(zhì)量,使燃燒平穩(wěn)、迅速、完全、高質(zhì)量,從而保證各缸爆壓、排溫的均勻平衡。這樣就保證了各缸螺栓的負(fù)載均勻性。2.雖然螺栓的直徑尺寸已隨機器的成型而無法改變,但亦可從材料結(jié)構(gòu)上加以改進。如可選擇較高強度極限和屈服極限的材料,像40Cr、35CrMo、40CrMo、40MnB等材質(zhì)。雖然合金鋼的屈服極限比碳素鋼高1.5～2倍,但它們對應(yīng)力集中較為敏感。因此在采用合金鋼時,必須采取各種降低應(yīng)力集中的相應(yīng)措施。如為減小螺桿桿身與螺牙過度處的應(yīng)力集中,強力螺栓一般采用以雙圓臺級過渡。螺栓的載荷在連接螺紋上的分布不均勻,在最初幾牙較大而易于斷裂,可將她們做成有7°～10°的錐角以減小它們的接觸面積,并與桿身自然均勻過渡,使該區(qū)域的載荷更加均勻。另外的工藝如采用細(xì)牙螺紋及用滾壓加工可提高螺紋的強度,桿身拋光也可以提高其疲勞強度。3.雖然MAK廠家推薦了以硅膠密封螺栓孔的方法,但其方法僅是治標(biāo)不治本,更何況實際處理時也很難做到完全有效的密封。真正有效的解決螺栓表面被冷卻水中的化學(xué)劑腐蝕的問題,則須從根本上著手,解決缸套水封的漏水問題。該問題又與缸頭螺栓被拉伸斷裂互為因果關(guān)系,因螺栓的疲勞拉伸和斷裂造成壓力不平均而漏水,漏水又造成螺栓的腐蝕,影響其疲勞強度。而造成缸套漏水的根本原因在于其床墊問題。第一次吊缸套修理后更換的缸套密封墊為平面型鋼質(zhì)令,與初始備件相比少了迷宮式凸緣;該令的硬度較大,而修理時機架的現(xiàn)場研磨,很難達(dá)到其適配要求。而與其相對的缸頭與缸套的爆燒室密封令為鍍銅鐵令,這樣在安裝時,該鋼質(zhì)令無法達(dá)到有效的壓縮起到完全密封作用,造成使用中泄漏現(xiàn)象時有發(fā)生。通過對床墊的作用與受力分析后,我們大膽采用了以自己車制的銅質(zhì)令來做試驗替代該鋼質(zhì)令,取得了良好的效果,然后進一步推廣,整機更換為銅質(zhì)令。從而安全有效地解決了冷卻水的泄漏問題,杜絕了因腐蝕疲勞而造成螺栓的損傷斷裂。4.從安裝時的不均勻現(xiàn)象可以看出,由于初始基準(zhǔn)值的不準(zhǔn)確造成最終同一缸頭上八根螺栓的預(yù)緊力相差很大,從而造成各個螺栓在主機運行時承受了不同的拉伸應(yīng)力,而造成個別螺栓的疲勞損傷,最終發(fā)生斷裂。為避免這一現(xiàn)象,最可靠的方法是計算出最終上緊至250°時的最大扭力值,全部改用扭力扳手均勻上緊至這一數(shù)值。然而這個扭力值很大,無法用常用扭力扳手完成。而MAK廠家也沒能提供專用的放大型扭力扳手工具。我們通過現(xiàn)場試驗還是找到了解決這一問題的有效方法。我們先把一只缸頭完