某輪主機(jī)排氣閥燒損事故淺析

一、排氣閥損壞的原因1、從排氣閥的工作環(huán)境來看在排氣閥機(jī)構(gòu)中,閥盤與閥座密封后與氣缸、活塞頭構(gòu)成燃燒室。排氣閥的工作條件是十分惡劣的。(1)閥面與高溫燃?xì)庀嘟佑|,承受著很高的熱負(fù)荷,如果不采取有效措施,排氣閥溫度可達(dá)650-800℃以上。(2)受到高溫燃?xì)獾臎_刷。排氣閥打開瞬間的燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)900-1000℃,排氣氣流速度可超過800m/s。(3)氣閥承受著很高的機(jī)械負(fù)荷,很高的氣體爆發(fā)壓力的作用及與閥座撞擊時(shí)很大的沖擊性交變載荷。(4)受到廢氣的侵蝕等。2、從附加因素來看由于燃油價(jià)格不斷上漲,航運(yùn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,船東為了降低成本來達(dá)到提高競(jìng)爭(zhēng)能力、獲得更多利潤的目的,均使用低價(jià)、劣質(zhì)的燃油。這種燃油在柴油機(jī)中燃燒時(shí),渣油中所含的排放物(燃料灰份)僅僅有一部分與排出的氣體一起離開機(jī)器,而剩余部分仍然留在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)一些高溫(497-797℃)的零件上。例如，排氣閥和活塞頂,形成沉積,造成所謂的“高溫腐蝕”。到目前為止,還沒有經(jīng)濟(jì)上合理的工藝過程能從渣油中除去腐蝕元素,連高級(jí)合金鋼和堆焊排氣閥鋼也受到燃油的腐蝕。3、常見故障針對(duì)上述情況,雖然從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料等諸方面作了綜合考慮,對(duì)維護(hù)管理提出了嚴(yán)格的要求。但是,排氣閥仍然會(huì)產(chǎn)生下列故障:排氣閥的燃損、密封錐面的高溫腐蝕、閥面和閥桿磨損、閥面裂紋、閥頭或閥桿破損、斷裂、氣閥的敲擊、閥桿上下運(yùn)動(dòng)不活絡(luò)、卡住氣閥等。二、實(shí)例分析1、情況介紹某輪主機(jī)型號(hào)為B&W6L90GFCA,功率17400HP。該主機(jī)為直流掃氣,氣閥特點(diǎn)是帶閥殼的排氣閥,排氣閥材料為鎳鉻鋼。各段油溫如下:油艙20℃;沉淀油柜60℃;日用油柜70-80℃;高壓油泵前110℃。2、事故發(fā)生的經(jīng)過該輪主機(jī)No.2缸排氣閥燒損已持續(xù)二年之久。目前燒損現(xiàn)象越來越頻繁,即使經(jīng)過研磨﹑保養(yǎng)或廠修的備用排氣閥,換上使用多套。該輪2001年3月下旬由韓國仁川港啟航回國,航行了1天后開始發(fā)現(xiàn)主機(jī)No.2缸排溫升高，一天后該缸排溫高于其它各缸排溫50℃以上,造成主機(jī)排溫偏差大,導(dǎo)致發(fā)生報(bào)警和自動(dòng)減速狀態(tài)。3、事故發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象(1）機(jī)艙可以清晰地聽到漏氣聲和該缸發(fā)出的間斷性敲擊聲(好似氣閥燒損的碎片或其它雜物落入氣缸的敲擊聲)。主機(jī)降速,減少機(jī)器的熱負(fù)荷或者將該缸暫時(shí)停油,敲擊聲即消失。(2）排溫升高,增壓器轉(zhuǎn)速上升,掃氣壓力提高、主機(jī)轉(zhuǎn)速下降,功率減少。(3)排氣閥相應(yīng)的氣缸蓋的位置顯得特別干燥,可以說連一點(diǎn)濕油跡也看不見。(4)排氣閥閥殼下半部已變?yōu)殍F銹紅色,閥座有變形現(xiàn)象。4、排氣閥燒損前后的有關(guān)參數(shù)見表15、初步判斷由現(xiàn)象1和2可初步認(rèn)定排氣閥燒損，再通過現(xiàn)象4和5可以肯定排氣閥已經(jīng)嚴(yán)重?zé)龘p且原因與過熱有關(guān)。由現(xiàn)象1還可以判斷出有燃燒敲缸現(xiàn)象，問題可能出在噴油器上,具體原因不明?，F(xiàn)象3缸套冷卻水,噴油器冷卻水溫度升高原因不明,但通過現(xiàn)象4和5可知,可能也是受過熱影響。究竟是什么原因使得排氣閥燒損,燃燒敲缸這兩種事故同時(shí)發(fā)生,而且還伴隨著缸套冷卻水,噴油器冷卻水溫度異常升高呢?問題看來十分嚴(yán)重。查閱該閥技術(shù)資料記錄,該閥在最后一次檢修后僅僅使用了803h，且在檢修時(shí)已按要求發(fā)生了這么嚴(yán)重的燒損,必須對(duì)原因進(jìn)行透徹分析,徹底解決問題。6、具體分析下面將對(duì)排氣閥燒損,燃燒敲缸,缸套冷卻水、噴油器冷卻水溫度異常升高這三個(gè)問題從理論與實(shí)際兩個(gè)方面進(jìn)行分析。（1）排氣閥燒損從理論上講,排氣閥燒損的主要原因是排氣閥密封不嚴(yán)造成高溫燃?xì)饴┬?使該處嚴(yán)重過熱,進(jìn)而造成排氣閥的燒損。具體原因可分為化學(xué)原因和物理原因兩部分?；瘜W(xué)原因:目前在航運(yùn)市場(chǎng)上普遍使用的劣質(zhì)燃油中含有大量釩、鈉和硫等元素。在燃燒過程中,硫、釩和鈉等元素形成氧化硫(SO?、SO?)、五氧化二釩(V?O?)和氧化鈉(Na?O)等(這些氧化物的化學(xué)成份取決于過量氧氣和燃燒溫度)。氧化物之間要發(fā)生反應(yīng),而且還要與滑油中的鈣反應(yīng),形成低熔點(diǎn)的鹽類,有硫酸鈉,硫酸鈣和不同成份的釩酸鈉等。這些鹽類混合物熔點(diǎn)一般為535℃左右,同時(shí)具有較強(qiáng)的腐蝕性。當(dāng)零件溫度在550℃以上時(shí),足以使釩、鈉化合物處于熔化狀態(tài),附著于零件表面。當(dāng)排氣閥在工作中時(shí),由于排氣原因(氣閥溫度可達(dá)650-800℃以上),使它以液態(tài)形成沉積在閥盤及閥座以及閥桿與閥面的過渡表面上。這時(shí)即使是非常耐腐蝕的硬質(zhì)合金鋼也會(huì)受到腐蝕,腐蝕結(jié)果在密封錐面上形成麻點(diǎn)、凹坑,凹坑相連就可能造成漏氣。由于上述腐蝕是高溫條件下產(chǎn)生的,所以稱之為“高溫腐蝕”。物理原因:1）閥盤與閥座局部受熱不均勻,使閥盤翹曲、閥座變形,導(dǎo)致密封不嚴(yán),造成高溫燃?xì)饴┬?形成燒損。2）使用劣質(zhì)燃油,燃燒不當(dāng),使得在排氣閥閥盤及閥座密封錐面沉積一層混有炭粒的玻璃狀物質(zhì)。這些玻璃狀物質(zhì)性脆,當(dāng)沉積厚度較大時(shí),在閉閥時(shí)的撞擊下該沉積物會(huì)產(chǎn)生裂紋,反復(fù)撞擊后進(jìn)而發(fā)展到剝落，從而形成高溫產(chǎn)物顆粒在閉閥的撞擊下,可能使密封面出現(xiàn)凹坑,也可能造成漏氣,使氣閥燒損。3）安裝不良,如閥殼上得過緊,單邊上緊和對(duì)中不良等,引起閥盤與閥座的變形,使高溫燃?xì)庥袡C(jī)可乘,導(dǎo)致氣閥的燒損。4）燃燒不當(dāng),主要是爆壓過高,使閥盤與閥座彈性變形,導(dǎo)致氣閥燒損。5）氣閥間隙過大,氣閥落座速度過大等使氣閥與閥座撞擊嚴(yán)重,造成閥盤與閥座彈性變形,導(dǎo)致氣閥燒損。實(shí)際情況:1）拆卸排氣閥組件,發(fā)現(xiàn)閥盤表面有大量燃燒殘?zhí)几街?，且已出現(xiàn)溝槽,證明物理原因存在。即劣質(zhì)燃油、燃燒不當(dāng)。2）清潔閥盤及閥座積碳,發(fā)現(xiàn)閥盤及閥座表面有凹坑。證明有化學(xué)原因或物理原因2）兩者之一,或同時(shí)存在,即高溫腐蝕和劣質(zhì)燃油、燃燒不當(dāng)。3）測(cè)取示功圖發(fā)現(xiàn)爆壓過高,燃燒不當(dāng)，證明物理原因4）存在,即燃燒不當(dāng)。4）測(cè)取氣閥間隙正常，且氣閥機(jī)構(gòu)無異常振動(dòng)故氣閥不會(huì)出現(xiàn)落座速度過大的現(xiàn)象,物理原因5）不存在。5）因?yàn)樯洗伟惭b閥殼是由有多年工作經(jīng)驗(yàn)的老師傅分多次對(duì)稱上緊,故物理原因3）不存在。6）閥盤翹曲,閥座變形,被燒蝕處呈卵石結(jié)構(gòu),證明物理原因1）存在,即氣閥局部過熱。7）閥桿上下運(yùn)動(dòng)不活絡(luò),閥桿與導(dǎo)管間隙內(nèi)潤滑油結(jié)焦。因?qū)Ч芘c閥桿間隙合適,故證明只能是物理原因1）存在。即氣閥局部過熱。綜合理論分析與實(shí)際情況,不難看出,此次排氣閥燒損的原因有:(a)局部過熱(b)高溫腐蝕(c)燃燒不當(dāng)(d)使用劣質(zhì)燃油。因使用劣質(zhì)燃油已成事實(shí),故下面將不再作分析。而局部過熱極有可能是使用盤與閥座溫度過高,導(dǎo)致高溫腐蝕發(fā)生的直接原因,故到此即氣閥局部過熱與燃燒不當(dāng)。究竟是什么原因使得氣閥局部過熱和燃燒不當(dāng)呢?根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析可能是氣閥冷卻系統(tǒng)故障和噴油器故障。（2）燃燒敲缸理論上分析,導(dǎo)致燃燒敲缸的原因有:1）燃油噴射時(shí)間過早,使平均壓力增長率和最高爆發(fā)壓力Pmax增高。2）噴油器的噴嘴針閥在開啟位置卡住發(fā)生漏油。3）噴油器彈簧斷裂而漏油。4）噴油器彈簧松動(dòng),啟閥壓力下降,噴油提前。5）該缸超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),噴油量過大。6）所用燃油的燃燒性能差,發(fā)火滯后。實(shí)際情況：拆下噴油器發(fā)現(xiàn),油頭處已結(jié)焦積炭嚴(yán)重，針閥在開啟位置卡死。這就不難解釋為何會(huì)發(fā)生燃燒敲缸和燃燒不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象了。噴油器為何發(fā)生如此異常的故障呢?結(jié)合現(xiàn)象3）可知,是噴油器冷卻水溫度過高導(dǎo)致噴油器針閥過熱，引起油孔的結(jié)焦積炭和針閥卡死。但該船主機(jī)噴油器冷卻水未設(shè)熱交換器,冷卻水系統(tǒng)非常簡單,噴油器冷卻水直接由冷卻水泵從冷卻水柜抽出,打進(jìn)各噴油器冷卻后回水柜,按此設(shè)計(jì),噴油器冷卻水溫度是不可能有過大偏差的。但噴油器冷卻水溫度卻出現(xiàn)了異常升高原因何在?下面將進(jìn)行分析。（3）缸套水溫度異常升高首先來自水方面的原因有:1）環(huán)境溫度較高,如在夏季和熱帶海域，海水溫度較高,而船舶機(jī)艙通風(fēng)設(shè)備不好,使得冷卻水溫度升高。2）缸套水冷卻器熱交換效果差。3）缸套冷卻水系統(tǒng)中水量不足。實(shí)際情況:1）環(huán)境溫度無太大變化,故原因1）不成立。2)打開缸套冷卻器兩端鋅塊蓋,清潔檢查成立。3)每班機(jī)工均密切注意缸套水情,及時(shí)向膨脹水柜補(bǔ)水,檢查相應(yīng)管路也未發(fā)現(xiàn)漏泄現(xiàn)象,故原因3)不成立。綜上所述,導(dǎo)致缸套冷卻水溫度異常升高的原因與冷卻水無關(guān),只能歸咎于缸套的局部過熱。（4）噴油器冷卻水溫度異常升高噴油器冷卻水方面的原因:1)噴油器冷卻水柜蒸氣加熱閥開度過大或鍋爐汽壓過大。2)噴油器冷卻柜水量過少。實(shí)際情況：鍋爐汽壓無太大變化,蒸汽加熱閥也未開大,噴油器冷卻水柜水量未出現(xiàn)過少現(xiàn)象,故原因1)、原因2)均不成立。綜上所述,情況只有一種:噴油器周圍環(huán)境溫度過高使得噴油器冷卻水溫度異常升高,即缸套上存在局部過熱。綜合排氣閥燒損、燃燒敲缸及缸套冷卻水，噴油器冷卻水溫度異常升高的原因,我們可以看出,這起事故的最終原因焦點(diǎn)集中在缸蓋上存在著局部過熱現(xiàn)象。問題出在了冷卻方面，而且是缸蓋上的冷卻腔存在問題。為了徹底查明問題,我們?nèi)∠送ǔＳ脡嚎s空氣檢查確認(rèn)排氣閥閥殼進(jìn)出口冷卻腔是否暢通的簡易方法,而采用專用工具拉出氣閥導(dǎo)管進(jìn)行檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn),進(jìn)出口冷卻腔隔板與導(dǎo)管接合處有不同程度的腐蝕,已造成了冷卻水旁通,另通往閥座的冷卻水孔也都被水垢和沉淀物堵塞了。造成排氣閥燒損的原因是冷卻水中斷。冷卻水中斷勢(shì)必提高排氣閥與閥座溫度,導(dǎo)致氣閥與閥座因溫度過高發(fā)生釩、鈉生成物的高溫腐蝕,致使閥和閥座面上產(chǎn)生麻點(diǎn),密封性變壞,引起漏氣。當(dāng)漏氣嚴(yán)重時(shí),火焰將從此處穿過,引起局部過熱,使閥座變形、閥頭翹曲和燒損。其二,直接對(duì)閥桿與導(dǎo)管間隙內(nèi)的潤滑油影響。冷卻水中斷后,散熱不良,使氣閥沉積,閥桿上下運(yùn)動(dòng)不活絡(luò)、卡住氣閥等。其三,排氣閥總成的溫度過高后,將導(dǎo)致缸蓋部分冷卻和溫度分布不均勻,對(duì)噴油器的冷卻水溫度影響極大,噴油器的冷卻水溫度因排氣閥總成溫度增加而提高,導(dǎo)致噴油嘴針閥過熱,引起油孔的結(jié)焦和積碳,甚至發(fā)生針閥卡死,致使燃燒敲缸等發(fā)生。至此,導(dǎo)致這起事故的原因已基本清楚,冷卻水中斷為最直接原因,使用劣質(zhì)燃油為事實(shí)原因。三、結(jié)論(1)理論與實(shí)踐證明,其氣閥頭部從燃?xì)馑諢崃恐杏?5%左右是經(jīng)過閥座傳導(dǎo)出去的,其余25%左右則主要是經(jīng)氣閥導(dǎo)管處散熱出去的,因此,提高氣閥工作能力必須降低氣閥的熱負(fù)荷,要加強(qiáng)閥座周圍處冷卻水的冷卻效能,并使之盡量均勻。(2)排氣閥閥殼因進(jìn)出口冷卻水腔旁通,冷卻水孔堵塞,導(dǎo)致排氣閥閥座過熱,缸套冷卻水溫度過高,噴油器冷卻水溫度過高,是致使嗩油器情況不正常,造成燃燒敲缸,排氣閥燒損的原因之一。(3)對(duì)使用劣質(zhì)油的大型低速柴油機(jī)船