船舶柴油發動機氣缸蓋裂紋原因與維修

　柴油機氣缸蓋不僅結構復雜，而且工作條件、受力情況也十分復雜、惡劣。氣缸蓋的底面直接與高溫高壓燃氣接觸，不僅受到高溫高壓燃氣的腐蝕與沖刷，而且周期地承受較高的機械負荷與熱負荷；底面在燃氣的爆發壓力作用下產生很大的機械應力，壁厚與溫度的不均勻導致較高的熱應力；螺栓的預緊力使氣缸蓋承受著壓應力，并與燃氣壓力共同作用使氣缸蓋受到彎曲作用，在截面變化處會產生應力集中等。此外，冷卻水腔還受到水的腐蝕。

　　正是由于氣缸蓋如此惡劣的工作條件，致使氣缸蓋很容易損壞。通常損壞形式為：其底面和冷卻水腔容易產生裂紋，還有氣閥底面和導套容易磨損，冷卻水側被腐蝕等。

本文主要針對船舶柴油機氣缸蓋最經常出現的損壞現象——裂紋，進行詳細敘述，分析其裂紋產生原因極其修理、預防措施等。

一．氣缸蓋裂紋產生的部位                   　

船用柴油機氣缸蓋的裂紋主要發生在氣缸蓋底面有應力集中的地方，如孔與孔之間或孔的圓角處、冷卻水腔的截面變化處等。產生裂紋的具體部位則隨機型、氣缸蓋的結構和材料不同而異。

　　船用四沖程柴油機在進排氣閥孔和噴油器等孔之間以及閥座面上容易產生裂紋。當裂紋產生在底面時，多為徑向裂紋；當裂紋產生在外部時，裂紋大多是從中央噴油器孔向進排氣閥孔擴展，這是由于小孔處的應力集中所致(如圖1所示)。

　　蘇爾壽RD和RND型柴油機氣缸蓋，裂紋大多發生中央小缸蓋底面上的噴油器孔、啟動閥孔、安全閥孔四周的圓角處，多沿徑向擴展(如圖2所示) ^[1]。

　　 MAN型柴油機氣缸蓋由上下兩部分組成，下半部分用耐熱合金鑄鐵制成，主要承受熱負荷；上半部分采用灰口鑄鐵制成，主要承受機械負荷，由于下半部分缸蓋冷卻水腔布置了環形冷卻水道，故裂紋多

2  氣缸蓋產生裂紋的原因

　　氣缸蓋產生裂紋是氣缸蓋較為常見的故障。氣缸蓋產生裂紋的根本原因是熱應力和機械應力周期性的作用。在交變的熱應力和機械應力的作用下，將產生疲勞裂紋，從而導致氣缸蓋裂紋。具體分析氣缸蓋產生裂紋主要有以下幾個方面原因。

1 結構設計上的原因

　　氣缸蓋底面氣閥孔周圍之所以常產生裂紋，主要因為該處有較大的表面積，因此，受熱膨脹和冷卻時收縮速度都較大。例如，柴油機工作一段時間停車后，氣缸蓋溫度分布變化劇烈，熱量通過冷卻水和進排氣通道迅速散發，所以在氣閥孔處容易產生裂縫。

　　再者，由于結構或受力不合理、過度圓角太小等均會引起過大的機械應力，從而導致裂紋。

2 材料和工藝上的原因

　　氣缸蓋材料選擇不當，質量不符合要求，鑄造時沒有很好地消除鑄造應力，從而導致零件內部有缺陷，從而使氣缸蓋在工作時容易產生裂紋。

3 裝配質量上的原因

　　氣缸蓋螺栓不按規定交叉擰緊，或在發生氣缸蓋平面漏氣時擰緊該處的螺母來解決，都會造成氣缸蓋受力不均勻而產生裂紋。噴油器安裝不正確，會引起氣缸蓋底面局部變形，增大噴油器孔處所受的拉應力，使之容易產生裂紋。

4 操作和管理上的原因

　　柴油機長期在超負荷條件下運轉或在未充分暖缸的情況下突然增大負荷，使氣缸蓋從冷態急劇變為熱態，或在高溫下急劇冷卻而產生裂紋。

　　柴油機冷車啟動或啟動后加速太快，致使氣缸蓋底面與冷卻面溫差過大，熱應力增大。故應暖機后再啟動，啟動后待油、水溫度升高后方可加速；頻繁啟動、停車和長期超負荷運轉均會使機械應力和熱應力增加；冷卻與潤滑不足或中斷，亦會導致機件過熱。

5 維護保養不良的原因

安裝氣缸蓋時未按規定上緊螺栓，個螺栓受力不均，使氣缸蓋產生過大的附加應力；長期使用，未清潔冷卻水道，致使水腔積垢，影響散熱，引起過大的熱應力，從而導致裂紋的產生。

3  氣缸蓋疲勞裂紋

1 熱疲勞裂紋

    在底板受熱面“鼻梁區”產生熱疲勞裂紋是四沖程柴油機氣缸蓋較為常見的損壞形式。產生熱疲勞是由于受熱面的溫度超過材料的使用極限而發生蠕變，引起塑性變形。當氣缸蓋在冷熱交替情況下工作時，受熱面的收縮性變形而受阻，從而產生殘余拉伸應力。受熱面溫度超過極限溫度越多，運行時間越長，殘余拉伸應力就越大，最終因應力的反復交變而出現疲勞裂紋。嚴重時可能經過一次冷熱循環便出現裂紋^[5]。

2 機械疲勞裂紋

    氣缸蓋底板在缸內氣體壓力作用下發生周期性彎曲變形，其最大拉伸應力發生于底板的內側表面，閥孔尖角處應力集中嚴重，再疊加上熱應力（底板內側表面所受熱應力也為拉伸應力）的作用，于是機械疲勞裂紋以此尖角為起點，沿閥孔周圍逐漸向受熱面擴展而裂穿。

3 腐蝕疲勞裂紋

    冷卻水中含有各種酸根離子和溶解氧將對金屬發生電化學腐蝕和氧化，金屬晶界是首先被腐蝕和氧化的部位。這將導致被腐蝕的表面變得粗糙并產生應力集中，使材料的疲勞強度顯著下降。又由于氣缸蓋與氣缸套的圓錐部分配合不良，以及氣缸蓋螺栓的過分緊固，在柴油機運轉時，使密封凸緣冷卻水側產生較大的脈動機械應力。在腐蝕和較大的脈動機械應力共同作用下，從冷卻水側開始發生腐蝕疲勞裂紋。

4  氣缸蓋裂紋檢查

　　通常，氣缸蓋裂紋都有一個產生和發展的過程，因此，平時認真檢查、仔細觀察、及早發現，就能避免機損事故的發生。氣缸蓋裂紋檢查主要有３種方法：直接觀察法、著色探傷法、液壓試驗法。

1 直接觀察法

    可根據冷卻水壓力表指針的擺動和膨脹水箱中水位的上下波動及有無氣泄、油漬等來判斷氣缸蓋是否有裂紋，還可通過示功閥檢查排氣是否冒白煙或有燃燒不良現象來判斷裂紋發生在哪一缸。經常檢查曲軸箱中滑油油位的變化，若油位升高，油中水分明顯增加，則應懷疑內有裂紋。

2 著色探傷法

    著色探傷滲透液是含有紅色顏料、溶劑和滲透劑等成分。具有滲透力強，滲透速度快，顯象時清晰醒目，洗滌性好，化學穩定性好和無腐蝕或低毒等特點。顯象劑常為氧化鋅、氧化鎂或二氧化鈦等白色粉末和有機溶劑組成。顯象劑具有懸浮力好，與滲透液有明顯的襯度對比，顯示缺陷清晰，易于辨別，無腐蝕性等特點。

    在著色探傷操作中有浸液法、刷涂法和噴涂法。內壓式噴灌操作簡單，攜帶方便，廣為應用。一組內壓式噴灌各裝有清洗劑、滲透劑和顯象劑。檢驗時，先用清洗劑清潔零件待檢表面，然后噴涂一層滲透劑，依據材料不同有不同的滲透時間。如常溫下鋁、鎂合金鑄件約為15分鐘，鍛件和鋼鑄件應不小于30分鐘；鋼焊件和焊縫有的可打60分鐘；塑料、玻璃、陶瓷等非金屬材料在5~30分鐘之間。滲透劑滲透時間對檢驗靈敏度影響很大。時間短，小缺陷難以發現，大缺陷顯示不全；時間長，難以清洗和檢驗效率低。在清洗掉表面滲透劑后再噴涂顯象劑，最后就可在白色襯底上顯示出紅色缺陷痕跡。

3 液壓試驗法

    對于內部微小裂紋，如冷卻水腔的微小裂紋，用著色法很難檢查，通常做液壓試驗才能檢查出來。

    液壓試驗法實質上是在模擬使用條件下對承壓零件材料內部有無缺陷進行檢驗的一種無損檢驗方法。它不需任何先進的儀器，只用一般的專用夾具和具有壓力的氣體或液體。

    液壓試驗前，將待檢零件上的孔、洞等全部堵塞，用專用夾具密封零件形成包括檢驗部位的密封空腔，注滿液體或氣體后完全封閉，按要求加壓至規定試驗壓力，保持一定時間后觀察零件外表面上有無液體滲出或氣體逸出，從而判斷零件有無裂紋。

試驗用液體可用水或油，也可用空氣，以有關要求而定。試驗壓力以零件工作條件而定。柴油機氣缸蓋冷卻水腔試驗壓力為0.7MPa，保持5分鐘。另外,航行中根據下列現象判斷燃燒室零件有無穿透性裂紋：

1)柴油機運轉中，輪機員可根據氣缸或活塞冷卻水表壓力指針波動或膨脹水柜水位上下波動判斷零件有穿透性裂紋。因為當氣缸蓋或氣缸套有穿透性裂紋時，燃燒室中的高壓燃氣就會沿裂縫進入冷卻水腔，使冷卻水系統的壓力升高，壓力表指針和膨脹水柜水位均升高；當氣缸排氣后壓力低于冷卻水壓力，冷卻水自裂縫進入氣缸大量漏泄，冷卻水壓力急劇降低，壓力表指針和膨脹水柜水位又迅速降低。此外，還可從冷卻水溫升高，淡水消耗量增加，掃氣箱有水流出，膨脹水柜的透氣管有氣泡冒出和冷卻水中有油星等現象進一步判斷。至于燃燒室中哪個零件裂穿則需要進一步檢查。

2)啟動前進行轉車和沖車時，輪機員應打開示功閥觀察有無水氣或水珠噴出。如有水氣或水珠噴出表明燃燒室零件有穿透性裂紋或噴油器冷卻水漏泄，應進一步檢查和處理，否則缸內積水較多直接啟動就會造成水擊事故。

3)曲柄箱（或循環油柜）中滑油量不正常增多或滑油中水分明顯增加，或滑油迅速乳化變質均表明由于燃燒室部件有穿透性裂紋使冷卻水大量漏入。

4)吊缸檢修時，輪機員應認真仔細觀察各個零件，如發現活塞、氣缸套和氣缸蓋表面有銹痕，或活塞頂部積水等，說明燃燒室零件有穿透性裂紋^[8]。

4 其他方法

在檢修中，還可用熒光法、磁力探傷法、超聲波探傷法、射線探傷法等多種方法來檢查裂紋。此處不再一一敘述。

5  氣缸蓋裂紋的應急修理

　　如果氣缸蓋裂紋程度較為嚴重，比如當氣缸蓋的裂紋是裂穿性的，或者裂紋產生在關鍵部位，或者裂紋程度較為嚴重，這些情況無疑都必須更換氣缸蓋；但當裂紋不嚴重或為了應急或延長使用，可根據不同的場合選擇采用合適的方法進行修理。

1 無機粘結劑修補法

　　這是一種最方便的方法，由于無機粘結劑能夠長期在500度高溫下工作，故可用于修補氣缸蓋底面裂紋。但是由于次溫度限制，所以建議在溫度處的裂紋采用有機粘結劑修補。

2 金屬扣合法

　　此法的特點是能保證強度又有很好的密封性。對于缸蓋底面裂紋的修理較其他方法可靠。為了增加密封性還可在裂紋處先涂一些無機粘合劑（如磷酸—氧化銅粘合劑）或者有機粘合劑，這樣效果更好^[3]。

3 鑲套修理法

    主要用于氣缸蓋進、排氣閥孔或噴油器孔內的列修理。通常采用此修理后氣缸套可以使用兩年以上。襯套的材料一般采用不銹鋼或青銅，襯套端部與閥孔底部加紫銅墊以密封。

4 焊補法

    當裂紋較短時，在鏟去裂紋后進行焊補。

    焊補之前氣缸蓋應預熱，焊前現在裂紋兩端各鉆一止裂孔，并沿裂紋開“U”型坡口，坡口底端應成圓弧形。對于鑄鐵氣缸蓋，焊條可用鎳基鑄鐵焊條。每次焊接長度應不超過30~40mm，并趁紅熱狀態用小錘輕輕敲擊整個焊道，以防止熱裂的產生。錘擊后立即用氧—乙炔火焰對準焊縫加熱回火，回火溫度以焊縫表面呈暗紅色即可。

    此方法對于焊補工藝要求嚴格，尤其是鑄鐵缸蓋焊接部位更應特別小心，如焊前的預熱、焊后的退火處理及焊條的選擇等。因為稍有不當就會在短期使用后因熱應力而再次產生裂紋。

5 覆板修理法

    此修理法僅適用于氣缸蓋外表面的修理，可以收到較好的效果。具體現在裂紋兩端鉆止裂孔，然后將鋼板覆蓋在裂紋部位上，再用螺釘固緊在氣缸蓋上。

    氣缸蓋裂紋修理后，應對冷卻水腔進行0.7MPa的水壓試驗，以檢驗修理質量。裂紋微小時采用銼刀、油石或風沙輪等工具打磨裂紋處予以消除，經無損探傷或水壓試驗檢驗合格后繼續使用。否則，繼續打磨、檢驗。若裂紋深達壁厚的3%以上時，停止打磨改用其他方法修理或報廢換新^[10]。

6   預防氣缸蓋產生裂紋的措施

    為了保證柴油機的正常運轉，作為柴油機的重要部件，預防其產生裂紋

更為重要，本文總結了以下幾條措施。

1 改善氣缸蓋材質

  通過改善材質來減少氣缸蓋裂紋的產生是一個頗為有效的措施，如缸徑為400mm以下的氣缸蓋通常以灰鑄鐵普遍，而缸徑大于400mm時，由于灰鑄鐵經不起大變形的長期考驗，因而以改用球墨鑄鐵為宜。

2 氣缸蓋設計優化

    如今年來許多中速柴油機都采用了雙層底氣缸蓋的結構形式，它的設計觀點是把熱負荷和機械負荷分開來處理，采用較薄的底板可以提高冷卻效果，降低底板溫差，即用較薄的底板承受熱負荷，采用較厚的頂面板、中間隔板和圓周壁來提高剛度承受機械負荷，這樣使得機械應力和熱應力各得其所。

    再如，為減少燃燒室壁上的熱應力，缸蓋四周不能箍得太緊，缸蓋與缸套的定位凸肩要留有充分的余地，有如缸蓋閥門的過橋處常易產生裂紋，可在產生裂紋的部位預先銑去一部分金屬，以減輕應力集中程度，從而減少了由于熱應力過

大而導致裂紋產生的幾率。

3 加強對氣缸蓋過熱部位的冷卻

    在柴油機投入運行前，徹底清洗冷卻水腔，保證水路暢通。控制冷卻水的質量，按說明書的規定控制好冷卻水的溫度、溫差和流量。在柴油機缸蓋冷卻水道內增設擋水板，加快水流速度，且對水流給以必要的引導，使其定向地沖刷排氣門和噴油器使這些受熱嚴重的部件得較好的冷卻。避免長時間超負荷運轉，防止過熱。當采用外源驅動冷卻水泵時，柴油機停車后不應過早停止冷卻水循環，以避免產生冷卻水“過后沸騰”現象。

4 輪機人員的操作管理科學化。

若對柴油機操作管理不當，同樣會導致氣缸蓋產生裂紋。例如，柴油機冷車啟動或啟動后加速太快都容易產生裂紋。更甚者，輪機人員在沒有充分暖缸的情況下增加負荷，急劇調節冷卻水量，造成氣缸蓋“激碎”現象。這是由于受熱部件和冷卻液的溫度升高都需要有一個過程，如果加速過快，燃燒室部件就會因內外壁溫差過大而產生過大的熱應力，長此下去，就會產生裂紋，因此，輪機人員啟動主機前必須充分暖機，啟動后不可加速太快，待油溫和水溫升高后，方可加至全速，同時還要及時清除冷卻水腔中的水垢和鐵銹^[