船用主機(jī)高壓油管開(kāi)裂分析及措施

主機(jī)燃油高壓油管是主機(jī)燃油系統(tǒng)中的重要組成部分，主機(jī)運(yùn)行時(shí)高壓油管持續(xù)承受脈沖高壓沖擊，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。為了保證主機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，主機(jī)燃油高壓油管在管材一般要求的基礎(chǔ)之上，主機(jī)專(zhuān)利商MDT還有以下相關(guān)要求：1）管材需要能承受90MPa的壓力在200℃條件下；2）管子內(nèi)表面的總脫碳層深度不得超過(guò)0.03mm；3）管子內(nèi)壁缺陷的深度不能超過(guò)0.3mm；4）離內(nèi)表面0.3mm范圍內(nèi)的珠光體減少不得超過(guò)50%。某船主機(jī)型號(hào)為6S50ME-B9.3，功率為8130kW，高壓油管材質(zhì)為490I，規(guī)格為φ25×8.5mm（外徑×壁厚），高壓油管原材料采用多道冷拔及調(diào)質(zhì)處理工藝加工而成，整個(gè)生產(chǎn)、加工過(guò)程中無(wú)酸洗、磷化工序，主機(jī)運(yùn)行時(shí)高壓油管所受到的沖擊頻率約為50次/分鐘。該主機(jī)在運(yùn)行102h左右就發(fā)生高壓油管開(kāi)裂，見(jiàn)圖1。圖1失效高壓油管本文通過(guò)對(duì)斷裂油管斷口分析、金相分析、化學(xué)成份、力學(xué)性能分析，確定了其開(kāi)裂失效原因及后續(xù)的改進(jìn)措施。一、檢測(cè)分析結(jié)果1、檢測(cè)方案制定該主機(jī)相繼出現(xiàn)開(kāi)裂的油管總共有3根，對(duì)其中1根進(jìn)行磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)共有4處裂紋，所處位置大約在距離A端彎管處300mm～550mm之間，裂紋長(zhǎng)度大約在30mm～50mm，高壓油管的A端是聯(lián)接噴油器，B端連接高壓油泵，開(kāi)裂部位在圖1中C處。為了準(zhǔn)確查找失效原因，制定從以下幾個(gè)方面查找原因：1）在C處開(kāi)裂口進(jìn)行宏觀、微觀分析，查找開(kāi)裂原因；2）在D、E、F、G位置做橫截面內(nèi)表面微裂紋深度檢測(cè)；3）做化學(xué)成份與力學(xué)性能分析。2、斷口及表面缺陷觀察將開(kāi)裂位置C處的管段剖開(kāi)，見(jiàn)圖2(a)，可見(jiàn)2個(gè)貫穿整個(gè)油管壁厚的裂紋面。裂紋面宏觀形貌見(jiàn)圖2(b)，開(kāi)裂面較為平整，無(wú)明顯塑性變形，裂紋源區(qū)位于內(nèi)壁，開(kāi)裂面上清晰可見(jiàn)貝殼紋，符合疲勞開(kāi)裂的宏觀形貌特征。放大觀察裂紋源區(qū)處，油管內(nèi)壁處明顯可見(jiàn)存在帶狀區(qū)域，見(jiàn)圖2(c)。圖2油管壁裂紋形貌3、SEM形貌分析與EDS能譜分析將裂紋樣品置于掃描電子顯微鏡下觀察，裂紋源區(qū)SEM形貌見(jiàn)圖3(a)，宏觀所見(jiàn)內(nèi)壁處的帶狀區(qū)域經(jīng)測(cè)量尺寸為638.4μm，裂紋源位于帶狀區(qū)域的近表面處，可見(jiàn)臺(tái)階特征為疲勞源區(qū)的微觀形貌特征，見(jiàn)圖3(b)。裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌見(jiàn)圖3(c)，可見(jiàn)大致平行的二次裂紋及疲勞輝紋，為疲勞開(kāi)裂的微觀形貌特征。圖3裂紋面SEM形貌4、化學(xué)成份分析在油管中間位置處進(jìn)行了取樣并使用紅外碳硫儀（測(cè)量C和S兩種元素）和光電直讀光譜儀測(cè)定了油管除碳和硫以外的其它基體化學(xué)成份，化學(xué)成份實(shí)測(cè)值與專(zhuān)利商MDT的管材化學(xué)成份技術(shù)要求相比較，實(shí)測(cè)值符合MDT的技術(shù)要求[2]，見(jiàn)表1。5、力學(xué)性能測(cè)試從油管上圖1中位置D和E之間取樣進(jìn)行了力學(xué)性能分析，各項(xiàng)性能實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。結(jié)果表明油管的靜態(tài)力學(xué)性能和硬度均符合技術(shù)要求[3]。6、金相分析截取裂紋處的剖面金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于金相顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，在裂紋源區(qū)附近發(fā)現(xiàn)了與主裂紋大致平行的裂紋缺陷，測(cè)量值為303.68μm，見(jiàn)圖4(a)，并在內(nèi)壁上發(fā)現(xiàn)多處裂紋型缺陷，測(cè)量值為65.12μm、67.53μm、59.41μm，見(jiàn)圖4(b)。試驗(yàn)樣品經(jīng)化學(xué)試劑侵蝕后在顯微鏡下觀察，顯微組織見(jiàn)圖4(c)，源區(qū)處的顯微組織可見(jiàn)明顯擠壓變形，說(shuō)明源區(qū)處帶狀缺陷是擠壓時(shí)形成的，顯微組織為鐵素體+珠光體[4]，見(jiàn)圖4(d)和圖4(e)。圖4金相樣品形貌7、在D、E、F、G橫截面內(nèi)表面微裂紋深度檢測(cè)D：內(nèi)壁處裂紋缺陷測(cè)量值為365.05μm、549.4μm、481.6μm，見(jiàn)圖5(a)、圖5(b)。E：內(nèi)壁處裂紋缺陷測(cè)量值為373.32μm、497.19μm，見(jiàn)圖5(c)、圖5(d)。F：內(nèi)壁處裂紋缺陷測(cè)量值為395.08μm、158.23μm，見(jiàn)圖5(e)、圖5(f)。G：內(nèi)壁處裂紋缺陷測(cè)量值為324.74μm、1052.1μm，見(jiàn)圖5(g)、圖5(h)。圖5樣品D、F、G、H拋光態(tài)形貌二、失效原因及結(jié)論分析通過(guò)化學(xué)成分分析可知，油管本體上取樣的化學(xué)成分實(shí)測(cè)值符合專(zhuān)利廠商MDT技術(shù)要求。通過(guò)宏觀分析可知，人工打開(kāi)的裂紋面平整潔凈，無(wú)明顯塑性變形，開(kāi)裂面上發(fā)現(xiàn)貝殼紋，裂紋源區(qū)位于管子內(nèi)壁，為起源于內(nèi)壁的疲勞開(kāi)裂的形貌特征；通過(guò)SEM形貌分析可知，內(nèi)壁處的帶狀區(qū)域經(jīng)測(cè)量為638.4μm，裂紋源于帶狀區(qū)域后的近表面處，可見(jiàn)臺(tái)階特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)大致平行的二次裂紋及疲勞輝紋，為疲勞開(kāi)裂的微觀形貌特征；通過(guò)金相分析可知，裂紋源處可見(jiàn)與主裂紋大致平行的裂紋缺陷，測(cè)量值為303.68μm，內(nèi)壁處可見(jiàn)多處裂紋缺陷，測(cè)量值為65.12μm、67.53μm、59.41μm，侵蝕后觀察，源區(qū)處顯微組織可見(jiàn)變形，為加工缺陷。橫截面內(nèi)表面微裂紋深度測(cè)定，在直管區(qū)域和裂紋附近區(qū)域的裂紋深度都已超出專(zhuān)利廠商MDT的技術(shù)要求，油管在后期的制作過(guò)程中無(wú)涉及到管子內(nèi)部的加工工序。綜合分析認(rèn)為，油管開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞開(kāi)裂，開(kāi)裂源于內(nèi)壁處的加工缺陷，來(lái)源于原管材拉制過(guò)程中[5]。綜上可知：1）失效的油管的化學(xué)成分實(shí)測(cè)值符合技術(shù)要求；2）油管在使用時(shí)由于內(nèi)壁的加工缺陷處發(fā)生了疲勞擴(kuò)展，導(dǎo)致開(kāi)裂。三、改進(jìn)措施1）管材內(nèi)壁存在線性缺陷的原因管內(nèi)壁存在線性缺陷的原因是因母管（坯料）內(nèi)表存在六方（淺顯的縱向凹痕），后經(jīng)多道次冷拔，內(nèi)壁的凹痕發(fā)生了收縮、延長(zhǎng)變形。個(gè)別鋼管的內(nèi)壁凹痕變成了縱向溝槽，且溝槽的寬度越來(lái)越小，深度越來(lái)越深，形成了線性缺陷[6]。2）原生產(chǎn)工藝母管φ73×12mm經(jīng)過(guò)2道次襯芯冷拔，再經(jīng)過(guò)4道次空拔冷拔出成品φ25×8.5mm。此工藝需要經(jīng)過(guò)多次冷拔，冷拔帶來(lái)的不利因素就是增加了內(nèi)表面線性缺陷的可能性。為了消除內(nèi)壁線性缺陷，鋼管廠經(jīng)過(guò)研究分析，對(duì)原有的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)。3）改進(jìn)后的生產(chǎn)工藝母管由原來(lái)的φ73×12mm改為φ73.5×13.5mm，經(jīng)過(guò)1道次襯芯冷拔和1道冷軋，再經(jīng)3道次空拔冷拔出成品φ25×8.5mm。改進(jìn)后的生產(chǎn)工藝優(yōu)點(diǎn)，由于增加了母管減壁量1.5mm，可有效壓平母管原有的內(nèi)壁凹痕；從而最大程度消除鋼管內(nèi)壁凹痕（線性溝槽）；同時(shí)減少一次空拔，減少鋼管內(nèi)壁線性缺陷的產(chǎn)生幾率，來(lái)保證成品鋼管內(nèi)壁質(zhì)量。改進(jìn)后工藝生產(chǎn)的管材約已投入市場(chǎng)使用兩年多的時(shí)間內(nèi)未收到類(lèi)似問(wèn)題反饋。實(shí)踐證明通過(guò)減少冷拔的次數(shù)及增加管壁的減壁量可有效減少鋼管內(nèi)壁線性缺陷的發(fā)生率[7]。4）在上述的改進(jìn)工藝基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高鋼管的質(zhì)量，相關(guān)方又再次召開(kāi)了專(zhuān)題會(huì)，共同研究進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝，現(xiàn)制定出新的工藝[8]：母管φ82.5×14.5mm，經(jīng)過(guò)1道次襯芯冷拔、2道次冷軋、2道次空拔出成品φ25×8.5mm。新試制生產(chǎn)工藝增大了母管外徑規(guī)格（+9.5mm）、再增加母管減壁量1.0mm、增加冷軋1道次，減少1道次空拔，從而最大程度消除鋼管內(nèi)壁凹陷（線性溝槽）保證成品鋼管內(nèi)壁質(zhì)量。按此新工藝生產(chǎn)出來(lái)的鋼管跟蹤情況來(lái)看，內(nèi)壁質(zhì)量良好。已有近30船套由新工藝生產(chǎn)出來(lái)鋼管制作的產(chǎn)品交付給客戶了，至今未發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題。四、結(jié)論1）管材自身的缺陷在有些生產(chǎn)工藝中會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致缺陷的延伸和拓展變形，形成線性缺陷，這種線性缺陷會(huì)影響鋼管內(nèi)壁質(zhì)量。2）對(duì)自身有線性缺陷的管材，即使化學(xué)成分和靜態(tài)力學(xué)性能滿足要求的情