一、概述
华发轮是一艘多用途三用船,具有动力定位(DP系统)、二级消防等特殊功能。1982年由挪威建造,其主机配置为四台德国MAK制造的8M 453 AK型中速机,单台功率2 400千瓦,8缸600转/分,缸径320MM冲程420MM。设计全负荷油耗203G/KWH,台架试车最大爆压127BAR。该船自我司购入后在南海油田等区域创下了优质服务的声誉,在数次重大工程作业服务中,体现了它良好的操纵性能和各项特殊功能的价值。
然而在日常使用中,其主机的缸头螺栓曾发生多起断裂故障,特别是在大负载作业后尤为突出。查阅轮机日志记载显示,该船在购入之前就已发生多起缸头螺栓断裂故障。早期该船管理人员也已经向主机制造厂家发去咨询函件,厂商对故障也进行了原因分析并提供了相应的维护修理指导说明文件。MAK制造商把故障原因分析为,由于主机冷却水从缸套与机架之间的床垫密封处泄漏,至缸头螺栓孔内存积,水分受热蒸发而冷却水中添加的防护剂含有各种盐分、化学剂等浓度增加,加上外部混入的油分、杂物在较高温度时的共同作用侵蚀金属、腐蚀金属,长期积累,影响了螺栓的强度,造成使用中发生断裂。他推荐了用硅胶密封螺栓孔的安装方法。然而实际使用中缸头螺栓仍经常发生断裂,其中也包括完全无腐蚀发生的螺栓莫名断裂。
观察螺栓的断裂,其部位基本相同,为螺栓螺杆底部与螺牙交界的圆弧处,断裂面较为光滑平整。
二 、原因分析
查阅各类理论书籍和柴油机故障报告,几乎无任何关于缸头螺栓断裂的记载及分析,可以说缸头螺栓的频繁断裂这一故障十分罕见,其原因也十分复杂,为多种因素的共同作用所至。
1.受力分析:
缸头螺栓是气缸头、气缸套与机架的紧固连接件,它必须保证气体在燃烧腔内燃烧产生最大爆压时,缸头与气缸套仍能紧密相压。因此,缸头螺栓安装时,就应保证缸头螺帽上紧至一定的角度,给予螺栓一定的预紧力,使螺栓承受一定数值的拉伸力,这一拉伸力应保证大于燃烧腔内在最大爆压时气体所产生的顶升反作用力,并保证留有一定的安全系数,这样机器无论在工作或不工作时缸头螺栓始终只受一个预紧力所产生的拉伸应力作用。这个拉伸应力过大则破坏金属而产生弹性变形,使之拉长变形直至直接拉断;拉伸应力过小,不足以抵消最大爆压的反作用力,则使螺栓随着气体压力的交变作用使之承受交变的高频冲击应力,极易加剧金属的疲劳。
从缸头所受的热负荷分析,工作时,气缸头底面承受高温膨胀,而顶面为冷却面收缩,形成一个上拱趋势,而气缸爆炸压力的作用,使底部受到进一步的弯曲应力,该弯曲应力存在除部分为金属自然变形所吸收,其余传到缸头螺栓上,使之承受交变的弯曲应力。
在缸头螺栓安装时,由于该缸头螺栓为细长形螺栓,其长度为480mm,直径为25mm,用气动冲击扳手转螺帽角度上紧,不可避免使螺栓产生一定的绕度,产生了附加剪切应力。在现场检修时,因结构的限制,前有启动空气管,后有进、排气管,使缸头放置时达不到理想的自然位置,这样就使螺栓与螺孔做不到完全同心,进一步产生扭曲变形。
因此,各种应力的共同作用使螺栓的金属产生疲劳,这是诱发螺栓断裂的首要因素。
2.设计分析:
主机的缸头螺栓属于高强度螺栓,所处部位非常重要,一旦发生断裂,就有可能使燃烧无法完全密封,造成高压、高温燃气蹿出机器酿成险情。并有可能在一根螺栓断裂后,其他螺栓无法承受分担的冲击应力而依次断裂,造成不可设想的后果。缸头螺栓直接承受着高压燃气周期交变的冲击载荷,其尺寸又受到其他结构的限制,因此必须在材料、结构和制造工艺等方面采取专门的措施,以提高其抗疲劳强度。
与其他船舶主机的缸头螺栓相比较,若以最高爆发压力相应的负荷作为螺栓的总工作负荷,分至缸头螺栓的截面积上,本机普遍高出它机20%~30%。即若螺栓的材质等基本相同的话,其螺栓的设计余量则明显小于其他类型的主机缸头螺栓。主机制造厂家对此亦承认不讳。
而每次发生断裂的部位皆为螺杆与螺纹的交界圆弧处,亦说明该处的应力较为集中。过渡圆弧在设计时考虑不周,没有采取特别的措施加以弥补。缸头螺栓作为强力螺栓,制成细长形以提高其柔度,降低其所承受的载荷幅度,杆身直径一般为螺纹中径的0.8倍,过细时将使其应力过高造成断裂,因此设计上的不足是螺栓容易断裂的根本内因。
3.冷却水泄漏的影响
在使用中,本主机(据了解,其他类似的MAK中速机亦同)时常发生缸套与机架水封垫处漏水。主机冷却水中加有含亚硝酸盐等多种化学成分的水质处理剂,漏出的冷却水在缸头螺栓的螺孔等低凹处沉积,随着水分的蒸发使其浓度增大,附近的高温使各类化学剂对金属的腐蚀作用加剧。
从结构上看,造成冷却水的漏泄有其设计不妥之处,本主机为筒形活塞中速机,由均匀分布的八根长480mm、￠25mm的合金钢螺栓把缸头、缸套与机架相固定。主机缸头与缸套之间的燃烧腔密封为镀铜铁令,而缸套与机架间冷却水密封垫为钢质令,原始备件为两边平面皆有数条迷宫式凸缘的1.5mm厚合金钢令,而经过一次解体检修,为保证密封通过研磨处理来磨平机架上的压痕,钢套则进厂凸肩部位车削至适配厚一档密封垫(厂家只配置了2.5mm、3.5mm、4.5mm三种平面式钢令做备件,这样就意味着经过三次吊缸保养后,该缸套作报废处理)。实际工作中这样的处理很难保证水腔的密封。
这样缸头螺栓长期处于化学剂的腐蚀作用,使其表面锈蚀及苛性脆化,极快地降低了螺栓的抗疲劳强度,这是螺栓断裂的诱发外因。
4.安装方式分析:
在实际安装时,由于受附属部件的影响,缸头摇臂端有起动空气等管系,排气端有排烟管、进气管等限制。为了防止附件螺孔错位,在上紧缸头螺栓前两端附件皆已对入。这样势必造成缸头不能作为一自由体坐落在缸套机架上。而厂家推荐的上紧方法是:先以50NM均匀上紧,然后分批次上紧至60°角、180°角、250°角。可以想象,仅以50NM的扭距是不能使缸头做到平整,以此为基准所画的60°、180°、250°位置线亦不准确;在实际安装时发现一些螺栓非常轻松就上紧至250°,而一些螺栓则异常困难,以角度位置上看,有的相差40°~50°。这样对同一缸头上的八根螺栓造成其预紧力的不同,则在实际使用中,承受的气体爆压所分担的负荷亦不同,有的差异会十分明显,造成个别螺栓承受了太大的冲击载荷,加速了其疲劳损伤造成断裂。太大的预紧力本身会造成金属的过度拉伸应力造成损伤;而预紧力太低,如介于气体爆炸压力,则螺栓会受交变的拉伸、压缩应力,也极易造成金属快速疲劳。
因此缸头螺栓预紧力的过大、过小或各螺栓的预紧力不均,都可能降低它的工作可靠性,降低它的抗疲劳强度能力,造成螺栓的断裂。这是一个最有可能也是最重要的能诱发缸头螺栓断裂的外因。
三、改进措施
1.缸头螺栓主要承受着交变的燃气爆炸压力,因此平衡各缸的负荷,使主机在全负荷时各缸的最大爆压基本平衡。防止由于某缸爆压过大使该缸的螺栓承受超负载的应力作用而造成疲劳。在日常管理中这一点尤为重要,这就要求我们不间断地观察测量各缸的燃烧状况。从油泵的定时,供油量入手调整好高压油泵的性能,定期泵压检查油头,以保证燃油的雾化质量,新鲜空气的进气质量,使燃烧平稳、迅速、完全、高质量,从而保证各缸爆压、排温的均匀平衡。这样就保证了各缸螺栓的负载均匀性。
2.虽然螺栓的直径尺寸已随机器的成型而无法改变,但亦可从材料结构上加以改进。如可选择较高强度极限和屈服极限的材料,像40Cr、35CrMo、40CrMo、40MnB等材质。虽然合金钢的屈服极限比碳素钢高1.5~2倍,但它们对应力集中较为敏感。因此在采用合金钢时,必须采取各种降低应力集中的相应措施。如为减小螺杆杆身与螺牙过度处的应力集中,强力螺栓一般采用以双圆台级过渡。螺栓的载荷在连接螺纹上的分布不均匀,在最初几牙较大而易于断裂,可将她们做成有7°~10°的锥角以减小它们的接触面积,并与杆身自然均匀过渡,使该区域的载荷更加均匀。
另外的工艺如采用细牙螺纹及用滚压加工可提高螺纹的强度,杆身抛光也可以提高其疲劳强度。
3.虽然MAK厂家推荐了以硅胶密封螺栓孔的方法,但其方法仅是治标不治本,更何况实际处理时也很难做到完全有效的密封。真正有效的解决螺栓表面被冷却水中的化学剂腐蚀的问题,则须从根本上着手,解决缸套水封的漏水问题。该问题又与缸头螺栓被拉伸断裂互为因果关系,因螺栓的疲劳拉伸和断裂造成压力不平均而漏水,漏水又造成螺栓的腐蚀,影响其疲劳强度。而造成缸套漏水的根本原因在于其床垫问题。第一次吊缸套修理后更换的缸套密封垫为平面型钢质令,与初始备件相比少了迷宫式凸缘;该令的硬度较大,而修理时机架的现场研磨,很难达到其适配要求。而与其相对的缸头与缸套的爆烧室密封令为镀铜铁令,这样在安装时,该钢质令无法达到有效的压缩起到完全密封作用,造成使用中泄漏现象时有发生。
通过对床垫的作用与受力分析后,我们大胆采用了以自己车制的铜质令来做试验替代该钢质令,取得了良好的效果,然后进一步推广,整机更换为铜质令。从而安全有效地解决了冷却水的泄漏问题,杜绝了因腐蚀疲劳而造成螺栓的损伤断裂。
4.从安装时的不均匀现象可以看出,由于初始基准值的不准确造成最终同一缸头上八根螺栓的预紧力相差很大,从而造成各个螺栓在主机运行时承受了不同的拉伸应力,而造成个别螺栓的疲劳损伤,最终发生断裂。为避免这一现象,最可靠的方法是计算出最终上紧至250°时的最大扭力值,全部改用扭力扳手均匀上紧至这一数值。然而这个扭力值很大,无法用常用扭力扳手完成。而MAK厂家也没能提供专用的放大型扭力扳手工具。
我们通过现场试验还是找到了解决这一问题的有效方法。我们先把一只缸头完全拆除其影响附件,摆平整后均匀上紧至50NM,然后对第一步上紧至60°角,测出所需的扭力值。通过反复实验综合比较,最终确定为250NM。然后均以250NM这一扭距值替代第一步60°角,以此为基准再进一步均匀上紧至180°角,最终上紧至250°角。这样就保证了各螺栓上紧至最终250°角,位置线与所用的扭力基本平均,这样也就保证了八个螺栓的预紧力的平衡性,避免了单根螺栓承受较大冲击载荷的可能性。◆
