船舶柴油机气缸盖裂纹产生原因分析及修理

摘要:在简要船舶柴油机气缸盖恶劣的工作环境基础上,指出它容易产生的故障,并针对常出现的裂纹故障,分析其裂纹产生的原因,并指出如何检查裂纹,以及一些应急修理方法,最后给出预防气缸盖裂纹产生的措施。
关键词：柴油机；气缸盖；裂纹；检查；处理；预防

1、引言
 气缸盖作为柴油机的固定机件，也是柴油机燃烧室的组成部分。船用柴油机气缸盖的结构形式繁多，随机型不同而异。但各种形式的气缸盖的共同特点是结构复杂，孔道貌岸然较多，壁厚不均。
 柴油机气缸盖不仅结构复杂，而且工作条件、受力情况也十分复杂、恶劣。它不仅受到高温高压气体的强烈作用，而且周期性地承受较高的机械负荷与热负荷，也受到因冷却水造成的局部冷热不匀影响，同时还由于螺栓预紧力使气缸盖承受着压应力，并与燃气压力共同作用使气缸盖受到弯曲作用，此外，还在截面变化处容易产生应力集中等。
 正是由于气缸盖如此恶劣的工作条件，致使气缸盖很容易损坏。通常损坏形式为：其底面和冷却水腔容易产生裂纹，还有气阀底面和导套容易磨损，冷却水侧被腐蚀等。
 本文主要针对柴油机气缸盖最经常再现的损坏现象一裂纹，进行详细叙述，分析其裂纹产生原因及其修理、预防措施等。
2、气缸盖产生裂纹的原因
 气缸盖产生裂纹是气缸盖较为常见的故障。气缸盖产生裂纹的根本原因是热应力和机械应力周期性的作用。船用四冲程柴油机气缸盖裂纹主要发生在底面孔与孔之间和孔的圆角处，即有应力集中的地方（如图所示：苏尔寿RD和RND型柴油机气缸盖，裂纹大多发生在中央小缸盖底面上的喷油器孔、启动阀孔、安全阀孔四周的圆角处，多沿径向扩展。）同上具体产生裂纹的部位则随机型、气缸盖的结构和材料不同而异。小型柴油机通常在气缸盖底面进排气阀座面上产生裂纹（如图2所示：MAN型柴油机气缸盖由上、下两部分组成，下半部分用耐热合金铸铁制成，主要随热负荷；上半部分用灰口铸铁制成，主要承受机械负荷；由于下半部分缸盖冷水腔布置了环形冷却水道，故裂纹多发生在冷却水道的环形筋根部有应力集中处，沿周向扩展。）具体分析气缸盖产生裂纹主要有以下几方面原因。
结构设计上的原因。
 气缸盖底面气阀孔周围之所以产生裂纹，主要因为该处有较大的表面积，因此，受热膨胀和冷却时收缩速度都较大。例如，柴油机工作一段停车后，气缸盖温度分布变化剧烈，热量通过冷却水和进排气通道迅速散发，所以在气阀孔处容易产生裂缝。
再者，由于结构或受力不合理、过渡圆角太小等均会引起过大的机械应力，从而导致裂纹。
材料和工艺上的原因。
气缸盖材料选择不当，质量不符合要求，铸造时没有很好的消除铸造应力，从而导致零件内部的缺陷，从而使气缸盖在工作时易产生裂纹。
装配质量的原因。
 气缸盖螺栓不按规定交叉拧紧，或在发生气缸盖平面漏气时拧紧该处的螺母来解决，都会造成气缸盖受力不均匀而产生裂纹。喷油器安装不正确，会引起气缸盖底面局部变形，增大喷油器孔处所受的拉应力，使之容易产生裂纹。
操作和管理上的原因
 柴油机长期在超负荷条件下运转或在未充分暖机的情况下突然增大负荷，使气缸盖从冷态急剧转变为热态，或在高温下急剧冷却而产生裂纹。
 柴油机冷车启动或启动后加速太快，致使气缸盖底面与冷却面温差过大，热应力增大。故应暖面后再启动，启动后待油、水温度升高后可加速。频繁启动、停车和长期超负荷转动会使机械应力和热应力增加。冷却与滑油不足或中断，亦会导致机件过热。
维护保养不良的原因。
 因长期使用，冷却水腔积垢影响散热，产生过大的热应力，从而导致裂纹的产生。
3气缸盖裂纹检查
 通常，气缸盖裂纹都有一个产生和发展的过程，因此，平时认真检查、仔细观察、及早发现，就能避免机损事故的发生。气缸盖裂纹检查主要有三种方法：直接观测法、着色显痕法、液压试验法。
直接观测法
 可根据冷却水压力表指针的摆动和膨胀水箱中水位的上下波动及有气气泄、油渍等来判断气缸盖是否有裂纹，还可通过示功阀检查排气是否冒白烟或有燃烧不良现象来判断裂纹发生在哪一缸。经常检查曲轴箱中滑油油位的变化，若油位升高，油中水分明显增加，则应怀疑内有裂纹。
着色显痕法。
 首先仔细擦干气缸盖的检查表面，涂上一层色油，干后再揩去色油，用放大镜进行检查，如有裂纹，金属表面就会有细小的红色斑痕出现。
液压试验法。
 对于内部微小裂纹，如冷却水腔的微小裂纹，用着色法很难检查，通常做液压试验才能检查出来。在检修中，还可用荧光法、磁力探伤法、射线探伤法等多种方法来检查裂纹。
4、气缸盖裂纹的应急修理
 如果气缸盖裂纹程度较为严重，比如当气缸盖的裂纹是裂穿性的，或者裂纹产生在关键部位，或者裂纹程度较为严重，这些情况无疑都必须更换气缸盖；但当裂纹不严重或为了应急或延长使用，可根据不同的场合选择采用合适的方法进行修理。
无机联结剂修补法。
 这是一种最方便的方法，由于无机联结剂能够为热态，或在高温下急剧冷却而产生裂纹。长在500℃高温下工作，故可用于修补气缸盖底面裂纹。但是由于此温度的限制，所以建议在温度不高处的裂纹采用有机联结剂修补法。
金属扣合法。
 此法的特点是能保证强度又有很好的密封性。对于缸盖底面裂纹的修理较其他方法可靠。为了增加密封性可在裂纹处先涂一些无机粘合剂（如磷酸一氧化铜粘合剂）或者有机粘合剂，这样效果更好。
镶套修理法。
 主要用于气缸盖进、排气阀孔或喷油器孔内的裂纹修理。通常采用此修理后气缸套可使用两年以上。衬套的材料一般采用不锈钢或青铜，衬套端部与阀孔底部加紫铜垫以密封。
焊补法。
 当裂纹较短时，在铲去裂纹后进行焊补。焊补之前气缸盖应预热，焊前先在裂纹两端各钻一止裂孔，并沿裂纹开“U”型坡口，坡口底端应成圆弧形。对于铸铁气缸盖，焊条可用镍基铸铁焊条，对于铸钢气缸盖则可用而热钢焊条。每次焊接长度应不超过30—40mm，并趁红热状态用小锤快速轻轻敲击整个焊道，以防止热裂的产生。锤击后立即用氧一乙炔火焰对准焊缝加热回火，回火温度焊缝表面呈暗红色即可。
 此方法对于焊补工艺要求严格，尤其是铸铁缸盖焊接部位更应特别小心，如焊前预热、焊后的退火处理及焊条的选择等。因为稍不当就会短期使用后因热力面呈再次产生裂纹。
覆板修理法。
 此修理法仅适用于气缸盖外表面的裂纹修理，可以收到较好的效果。具体先在裂纹两端钻止裂孔，然后将钢板覆盖在裂纹部位上，再用螺钉固紧在气缸盖上。气缸盖裂纹修理后，应对冷却水腔进行0.7MPpa的水压试验。
5、预防气缸盖产生裂纹的措施
 为了保证船舶柴油机的正常运转，作为柴油机的重要部件，预防其产生裂纹显得更为重要，本文总结了以下几条措施。
改善气缸盖材质。
 通过改善材质来减少气缸盖裂纹的产生是一个颇为有效的措施，如缸径为400 mm以下气缸盖通常以灰铸铁为最普通，而缸经大于400 mm时，由于灰铸铁经不起在大变形的长期考验，因而以改用球墨铸铁为宜。
气缸盖设计优化。
 近年来许多中速柴油机都采用了双层底气缸盖的结构形式，它的设计观点是把热负荷和机械负荷分开来处理，采用较薄的底板要心提高冷却效果，降低底板温差，即用较薄的底板承受热负荷，采用较厚的顶面板、中间隔板和圆周壁来提高刚度承受机械负荷，这样使得机械应力和热应力各得其所。
 再如，为减少燃烧壁上的热应力，缸盖四周不能箍得太紧，缸盖与缸套的定位凸肩要留有充分的余地，又如缸盖阀门的过桥处常易产生裂纹，可在产生裂纹的部位预先铣去一部分金属，以减轻应力集中程度，从而减少了由于热应力过大而导致裂纹产生的几率。
加强对缸盖过热部位的冷却。
 在柴油机缸盖冷却水道内增设档水板，加快水流速度，且对水流给以必要的引导，使其定向冲刷排气门和喷油器使这些受热严重的部件得到较好的冷却。
轮机人员的操作管理科学化。
若对柴油机操作管理不当，同样会导致气缸盖产生裂纹。例如，柴油机冷车启动或启动后加速太快都容易产生裂纹。更甚者，轮机人员在没有充分暧缸的情况下增加负荷，急剧调节冷却水量，造成气缸盖“激碎”现象。这是由于受热件和冷却液的温度升高都需要有一个过程，如果加速过快，燃烧室部件就会因内外壁温差过大而产生过大的热应力，长此下去，就会产生裂纹，因此，轮机人员启动前必须充分暖机，启动后不可加速太快，待油温和水温升高后，方可加至全速转，同时还要及时清除冷却水腔中的水垢和铁锈。