船舶柴油机排气阀故障的原因分析

一、排气阀故障原因分析

1.排气阀的工作条件

船舶柴油机中排气阀的工作条件十分恶劣,气阀底面与高温燃烧产物直接接触,在气阀开启期间还承受着高温(900~1000°C)和具有腐蚀性气体的高速(达600m/s)冲刷,气阀中心温度高达700~800°C,在阀盘与阀杆过渡圆弧中段,温度也有600~700°C,排气阀工作温度分布如图1-1所示。

过高的温度会使金属材料的机械性能降低,材料发生热变形。当阀面密封不严时,就会引起高温燃气对阀面的烧损。气阀落座时,阀与阀座的惯性力和弹簧作用力的共同作用下,还承受着相当大的冲击性交变载荷,在气阀出现跳动或气阀间隙增大时,这种载荷会明显增加。阀与阀座的撞击,容易形成密封面的变形和严重的磨损。因船用柴油机绝大部分多为增压柴油机,由于进气道内的新鲜空气压力阻止了从气阀导管中获得滑油的可能,因此,金属之间易发生干摩擦。但在一般柴油机的气阀以及增压柴油机的排气阀座合金面间总会布有一层滑油或烟油等润滑物。此外,阀杆与导管间也会发生磨损,阀杆顶端受摇臂的撞击与磨损。
图1-1

2.附加因素的影响

由于燃油价格不断上涨,航运市场竞争激烈,船东为了降低成本来达到提高竞争能力、获得更多利润的目的,均使用低价、劣质的燃油。这些燃油的粘度高,滞燃期长,而且钒、钠和硫的含量比较高。这种燃油在柴油机中燃烧时,渣油中所含的排放物(燃料灰份)仅仅有一部分与排出的气体一起离开机器,而剩余部分仍然留在发动机内一些高温(497—797°C)的零件上。例如,排气阔和活塞顶,形成沉积,造成所谓的“高温腐蚀”。到目前为止,还没有经济上合理的工艺过程能从渣油中除去腐蚀元素,连高级合金钢和堆焊排气阀钢也受到燃油的腐蚀。 在柴油机运行中违反用车保养规定,低温启动柴油机,低温强迫加载,柴油机气缸燃烧温度急剧变化,在柴油机负载状态下,急剧变换手柄位,使柴油机气缸燃烧状态恶化,大量雾化不良的粗大重油粒子喷入气缸,造成严重的后燃及不完个燃烧,严重积炭使排气阀的阀线表面也被积炭污染,甚至造成主机的起动困难,这就成为下次主机开车不久后的油头及排气阀故障的隐患,因此这些操纵、保养柴油机的不良习惯也是引发柴油机气阀故障的因素。

二、排气阀常见故障分析

1.排气阀烧损

排气阀烧损是排气阀最常见故障。主要原因是排气阀密封不严,造成高温燃气泄漏,使该处严重过热,甚至熔穿金属材料。造成排气阀密封不良的原因主要有以下几点:
⑴.由于阀盘不同部位的形状、厚度不同,受热、散热条件不同,阀盘圆周上的温度分布不均匀,中心温度高于周边温度,造成气阀阀盘径向上的温度差,过大的温差将造成阀盘的变形从而导致漏气的产生。
⑵.船用燃油中含有的杂质在经过燃烧室内的各种复杂热过程后在排气阀阀盘及阀座密封锥面沉积成一层混有碳粒的玻璃状较硬较脆物质,其内混有硫酸钠、硫酸钙、氧化铁等物质。当此层玻璃状沉积物沉积厚度过大时,在闭阀时的撞击力下会发生裂纹,反复撞击后进而发展成剥落,从而形成高温燃气喷出通道使气阀烧损。
⑶.普通排气阀密封锥面在工作温度下硬度并不是很高,沉积的硬质燃烧产物颗粒在闭阀的撞击下,可使密封面出现凹坑,从而形成漏气。

2.排气阀高温腐蚀

目前在航运市场上普遍使用的劣质燃油中含有大量钒、钠和硫等元素。在燃烧过程中.硫、钒和钠等元素形成氧化硫、五氧化二钒和氧化钠等(这些氧化物的化学成份取决于过量氧气和燃烧温度)。氧化物之间要发生反应,而且还要与滑油中的钙反应,形成低熔点的盐类,有硫酸钠,硫酸钙和不同成份的钒酸钠等。这些盐类混合物熔点一般为535°C 左右,同时具有较强的腐蚀性。当零件温度在550°C 以上时,足以使钒、钠化台物处于熔化状态,附着于零件表面。当排气阀在工作中时,由于排气原因(气阀温度可达650—800°C 以上),使它以液态形成沉积在阀盘及阀座以及阀杆与阀面的过渡表面上。这时即使是非常耐腐蚀的硬质合金钢也会受到腐蚀,腐蚀结果在密封锥面上形成麻点、凹坑.凹坑相连就可能造成漏气。由于上述腐蚀是高温条件下产生的,所以称之为“高温腐蚀”。 在上述高温腐蚀的有害元素中以钒的危害性为最大。

3.气阀密封锥面磨损过快

在燃烧室内的爆发压力作用下阀座与阀盘都发生弹性变形,气阀落座撞击也会造成阀座及阀盘的弹性变形,这样会使阀盘锥面反复楔入时,密封锥面产生相对运动,造成密封锥面磨损。气阀间隙过大,阀盘与阀座刚度不足,气阀与阀座材料性能达不到要求或不匹配,重油中含有较多的钒、钠、硫等有害元素,高负荷运行或燃烧恶化,冷却不良,阀杆与导管间隙过大,气阀机构振动使气阀落座速度过大等,都能使磨损速率增大。

4.阀盘与阀杆断裂

在阀盘与阀杆的过渡圆角处和阀杆装设卡块的凹槽处,由于这些部位应力容易集中,当应力集中到一定程度,就会发生疲劳断裂破坏。造成断裂的原因有:阀杆与导管的间隙过大;阀盘与阀座的变形使局部受力过大;气阀间隙过大,敲击严重疲劳破坏;气阀机构的振动。阀杆装设卡块的凹槽处是气阀的最薄弱部位,若该处凹槽加工工艺不良或闭阀冲击力较重也会产生疲劳断裂。

5.气阀卡死

气阀卡死主要是因为气阀阀杆和导管之间间隙过小,当受热膨胀后二者间隙过盈发生卡死现象。另一方面,当阀杆发生弯曲变形时也会使阀杆卡死在导管中。

6.气阀弹簧断裂

气阀弹簧本身结构不合理,内部有缺陷,加工不合理或使用中发生了扭曲或达到疲劳极限在工作中均会导致断裂。气阀弹簧断裂直接破坏柴油机正常工作,严重时,气阀可能坠入气缸。

三、主机排气阀的检修

1.阀与阀座的主要维修技术

检修前,测量气阀底面与缸盖底面的距离是否超过规定。若此值相差太大,则会影响柴油机的压缩比以及使气阀与活塞发生撞击,所以必须更换气阀座垫。

检修中,对长期工作后的气阀应进行以下测量:

阀杆磨损后的圆度误差和圆柱度误差,此误差可用外径千分尺等测量检查得到。当这两项误差超过与导管配合间隙极限50%时应报废更换;
启发锥面对阀杆外圆柱面径向跳动量应不大于0.003mm。否则应报废更换。
检查时将气阀顶置于车床的主轴头与尾顶针之间,两顶针顶在气阀原加工顶针孔中,将百分表座于拖板上,并使其表的触头与气阀锥面接触。气阀转动一周中,百分表的读数变化最大值即为径向跳动。此时气阀的夹持状态就图2-2所示;对气阀进行裂纹检查,麻点和凹坑等检查。阀杆外表面允许有10条之内的且长度不超过20mm的发纹,对锥面及阀杆联结锁夹处应进行磁力探伤检查并消磁。有裂纹者应以报废处理。图2-2

(1)阀与阀座的焊补工艺

从主机上卸下来的排气阀及阀座有很多油垢、麻点凹坑、烧蚀甚至烧穿,必须进行清理。清理工作可在车床上加工掉表面污物及原来的喷焊层(焊层的厚度可以从加工过程中喷焊层与母材的颜色不同,或车掉的铁屑是片状和丝卷状判断出来)。喷焊层较硬,其铁屑为小片状,而母材多为丝状。对局部烧蚀严重的部位,用砂轮磨掉污物,经着色探伤无裂纹后,可补焊。焊条可选用高铬镍奥氏体不锈钢焊条,含钼时效果会更好一些,焊前一般需200°C ,预热1.5 小时,施以小电流,多层多道焊,注意层间与道间温度在200°C左右。对高出基体的部分用砂轮磨掉,着色探伤无裂纹后方可喷焊。

(2)阀与阀座的研磨工艺

阀盘与阀座的研磨角度必须严格按说明书要求进行调整和测量。特别是阀杆密封面的研磨角度必须精心调整,在研磨前用千分表找正时,应使千分表顶针对在内接触面的部位,圆周找正校准到砂轮与密封面全部接触,要求其最大偏差应在0.05mm 以内,此数值也是磨掉的最大量。面的研磨标准是:研磨砂轮必须从整个密封面的宽带和圆周上均匀地磨掉材料。在检查阀杆的磨损层时应先清洁阀杆;在圆周方向测量阀杆外径,不超说明书规定的低限;检查镀铬层的网状裂纹情况,在靠阀头部分镀铬层上有轻微的裂纹是允许的,但镀铬层决不允许出现脱皮现象。研磨后应进行密封检查:气阀锥面上用软铅笔画出等间隔线条,与阀座贴合,轻旋1/3周后取出。若发现每条铅笔线均为中部相同位置被擦去,则表示密封良好。此外也可将气阀装置按规定组装完毕后,从排气道倒入煤油,观察10分钟后,若气阀处无泄露油痕,也可说明密封良好。

2.其余缺陷及处理

(1)气阀断裂

气阀断裂的主要原因是由于气阀上温度分布不均匀而导致热应力过大,或阀盘(阀座)翘曲,使其承受了较大的的弯曲应力。因此,在使用维护中,要严格保证阀杆与导管的配合间隙,磨损超差应及时更换导管。因为过大的配合间隙会导致散热不良,造成阀杆处漏气,排气阀阀杆处漏气更容易造成滑油结焦使阀卡死;过大间隙还使气阀横向振动加剧,使阀盘与阀座密封面的滑移量增加,磨损加大;还可能造成气阀单边落座,这往往会造成阀盘与阀杆过渡圆角处断裂。当然,导管与阀杆的间隙也不能过小,否则会导致气阀卡阻。装配时阀杆在导管中若能凭自重徐徐下降为好。长期工作磨损后,用手从侧面推动阀杆,有摇晃、松动感觉,可判断已超出磨损极限。

(2)气阀弹簧缺陷的检测与处理

检修时应注意对气阀弹簧表面裂纹、锈蚀等缺陷的检查。有裂纹者,报废。锈蚀斑点应用砂布修磨光洁,以免应力集中。弹簧上平台检验,发现弯曲与扭曲超差者,应予更换处理。气阀弹力不足,会造成气阀关闭不严而引起漏气。气阀机构传动件脱离接触,产生敲击,导致磨损加剧。严重时可能导致弹簧锁紧装置脱落而发生重大事故。检修时,应取标准弹簧与之做相对变形量比较,超差者,应予报废。

3.接下来重点是…

排气阀是柴油机的重要组成部分,它的工作性能的好坏直接影响到主机的正常运行。因此,轮机管理人员必须对排气阀工作予以极大的关注。要求做到以下几点:

(1)航行时认真巡回检查,注意排温变化。

要随时注意排气阀驱动机构供油压力。在外界海况和主机负荷不变的前提下,如某一缸的排烟温度出现逐渐上升的趋势、声音异常等情况时,应及时正确地判断出故障所在,采取果断措施,可有效地控制事故发生。

(2)平日要加强对喷油器的维护管理,确保喷油器工作正常。

如果喷嘴雾化不良,吊出排气阀时,明显可以看到距喷嘴最近的阀座内侧,成对角状堆积了大量的结碳和没烧尽的燃油的混合物,其表面成液态状,且向下流到密封耦合面上,导致结碳,这些结碳,就是烧损阀的“罪魁祸首”,这两处,就可能是阀被烧损的具体部位。

(3)轮机员必须严格按照船舶柴油机说明书要求 ,定期检验排气阀。

(4)阀盘与阀座面上均堆焊有耐热合金,一般厚度为3mm 左右,拆检时按说明书要求进测量,当最大研磨量Gt>2.0mm,气隙G3≤O时此阀不能再用。

(5)为了避免在研磨时由于波动引起阀盘表面出现振颤的现象,应尽可能不在船舶航行或抛锚时研磨排气阀,如果条件允许,尽量在码头或专业厂家进行研磨工作。

(6)主机最好间隔一段时间,在进出港机动用车时,换用轻油将燃油系统进行冲洗,有利于改善喷射泵和喷油器的工况,提高燃烧质量。同时,轮机员要勤加注意燃烧室零件的冷却,使零件温度保持在550°C以下,但冷却水温度不能调得太低一面热应力过大发生裂纹。

文章作者: WuYongzhi
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