船用柴油机汽缸盖裂纹原因分析及管理对策

文/ 浙江省船舶检验局舟山检验处 龚均均

大连中石油海运有限公司 张澜涛

汽缸盖的工作条件比较恶劣，其底部直接与高温、高压燃气接触，承受较高的机械负荷、热负荷和腐蚀作用。当管理不当时，就会使燃烧室的工作条件更加恶化，导致汽缸盖的局部出现裂纹。由汽缸盖所起的作用和它所处的位置可以知道，汽缸盖受到螺栓预紧力和缸套的反力的作用，其冷却水腔还受到水的腐蚀。汽缸盖由于结构复杂，金属分布不均，各部位的温差很大，因此承受着很大的、分布不均匀的机械应力和热应力，是柴油机的主要易损部件之一。

一、汽缸盖出现裂纹原因

1. 冷却不良

（1）由于汽缸盖冷却水侧结垢及铁锈等，使得触火侧的温度上升，若周期性地与吸入低温的扫气空气相接触即产生热应力，从而导致在汽缸盖阀孔边缘处产生裂纹。

（2）冷却水流通不良或形成气袋，无法使空气或蒸汽逸出，则会造成局部过热的状态，从而产生热应力。

（3）冷却水温调整不当或停机后过早中断冷却水循环。

通常冷却水中含有溶解氧，水温升高时即分离而出，倘若冷却水的温度再上升，则急速蒸发而产生蒸汽，若无法由逸气管排出，则在水流缓慢处滞留，形成气袋。如果有由于失误或自动温度调整阀的动作不良，而使冷却水出口温度超过95 ℃时，温度就会急速上升而接近沸点，故在冷却水接近95 ℃以前应立即减车，以确保柴油机的安全。

2. 爆发压力过高

（1）由于船底污秽或螺旋桨效率降低等导致阻力增加，以及主机长期使用后功率下降时，而欲维持原功率，将油门开度增加，结果将造成柴油机超负荷运转，导致爆发压力过高。

（2）暖机或压缩压力不足而欲启动主机时，因加大喷油量导致缸内积油过多，或在更换喷油器或喷油泵后，泵油驱气使活塞头顶部积留燃油，在启动时一次点燃而产生爆震，使安全阀跳开而导致爆发压力过高。

（3）喷油器不良、喷油泵定时不当等造成的不正常燃烧，导致在燃烧室内发生爆震，同时爆发压力异常升高，导致柴油机发生震动，冷却水侧的肋骨及水流导向肋等的应力值增加，致使热应力及机械应力增加。

3. 热负荷过大

（1）柴油机因长时间超负荷运转，导致缸盖过热；或因各缸的功率不均，使某缸超负荷运行。

（2）喷油器性能不良，致使喷射燃烧不良使缸盖触火侧积炭，使得缸盖底面的温度过热产生裂纹。

（3）排气阀漏泄使阀座附近产生局部过热，致使阀孔的圆周边缘附近或阀盘周沿边缘产生裂纹。

4. 腐蚀

由于汽缸盖冷却水侧的腐蚀及触火侧的烧损而使汽缸盖壁的厚度减少时，材料强度减弱，应力增加而致破裂。例如，汽缸盖厚度由39 mm减至30 mm时，则应力增加30%。

（1）冷却水侧腐蚀

冷却水处理不当所致的酸性腐蚀及碱性脆化，不同材料间不同的电位差，经由冷却水构成通路的电化学腐蚀，以及引导水流的导向板损坏，使水流冲击造成漩涡现象的侵蚀等，以上因素若未加以适当处理，均会导致汽缸盖裂纹。

（2）燃气触火侧腐蚀

由于燃油中含有硫，燃烧后成为SO2，而SO2氧化变为SO3，若与燃烧室内水分化合即成硫酸，造成酸性腐蚀，此即为低温腐蚀。

柴油机运转时，燃烧室中的高温高压燃气直接与燃烧室组成零件——汽缸盖及其上的阀件、汽缸套和活塞组件接触，燃气中某些低熔点灰分熔化并附着在零件金属表面上，在高温下发生化学作用使零件表面受到破坏的化学腐蚀，称为高温腐蚀或钒腐蚀。

（3）汽缸盖外侧腐蚀

在缸盖裂纹原因中已提到，由于目前的劣质燃油中含有很高成分的硫分，其在燃烧后形成SO2，如接触较低温的金属表面（露点以下），则与水分形成亚硫酸，从而造成低温腐蚀，结果在汽缸盖外侧示功阀孔及启动阀附近表面引起腐蚀。

5. 安装不当

当安装汽缸盖紧固螺帽时，如未能适当平均上紧或过度上紧，就会产生局部应力，降低材料强度。在缸盖结构上有一点要注意的就是：上下部接合时的预紧应力可防止发火时受到过大震动应力，如果长久使用或预紧不当，则在缸盖上下部的接合松动后，燃气压力将使之震动而产生过度的应力，导致破裂。

6. 操作不当或疏忽

随着现代科学技术的不断发展，柴油机设计、制造技术已经日趋成熟。因设计不合理、材料内部缺陷和加工制造原因等造成汽缸盖裂纹的现象已经很少见，因此造成汽缸盖裂纹的主要原因是轮机管理人员的技能不足、疏忽或操作不当，而且多发生在四冲程柴油机上。

由材料的热应力可知，温度梯度越高，热应力越大。因此若高温的金属零件表面突然冷却，该部分金属将迅速收缩而产生巨大拉应力以至于破裂。在缸盖上因热应力而产生的破裂通常都是沿圆周方向伸长的，因突然的温度变化而造成，其主要原因有以下几方面：

（1）冷却水控制不当导致温度突降。

（2）冷却水失压导致冷却中断或水中有气体。

（3）未适当暖机就启动主机。

（4）汽缸盖遭受液击。

7. 设计、材料和铸造不良

（1）由于机械应力和热应力与金属壁厚度成相反的比例，较薄型厚度柴油机的机械应力大，过厚则热应力过高，因此厚薄的设计以及其他的安排有赖于设计者的优化。

（2）随着最高爆发压力的增加及主机转速的降低，对材料的要求也愈加严格，若选用材料不当，机械强度不够，无法承受工作负荷，就会造成裂纹。

（3）因高温铸造过程所产生的残余热应力，以及局部有铸造应变留存或有砂孔等铸造缺陷存在，其产生的应力有时大过缸内爆发压力若干倍，在其内部产生裂纹，是造成裂纹的潜在因素。

二、汽缸盖裂纹的特征

汽缸盖内部的非穿透性裂纹一般通过对汽缸盖及其阀件进行打开检查才能发现，并采用无损探伤法进行检验，以确定裂纹的部位和性质。通常当汽缸盖出现穿透性裂纹时有如下特征：

（1）启动前吹车时，示功阀有水汽或水珠喷出。

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（2）对于二冲程柴油机，打开汽缸检查口并盘车，可以发现活塞顶部有积水。

（3）汽缸冷却水耗量明显增加。

（4）膨胀水柜有大量气泡。

（5）汽缸冷却水出口温度高。

（6）四冲程柴油机的滑油循环柜中水分明显增加。

三、汽缸盖出现裂纹后应采取的措施

（1）如有备件，换用备用汽缸盖。

（3）运行滑油分油机并密切注意滑油质量的变化。

（4）运行中密切注意冷却水压力、膨胀水柜水量及冷却水质量的变化。

四、防止缸盖出现裂纹的对策

（1）汽缸冷却水应随时保持微碱性，使冷却水pH值保持在8~9之间，以防止腐蚀。

（2）保持冷却水量的正常，保持稳定水温及进出口温度，以及防止冷却水泵失压等。

（3）在船底污秽或恶劣天气航行时应特别注意避免爆发压力过高，并保持排气温度在限制值以下。

（4）加强燃油净化，避免含有水分的燃油进入汽缸，以免产生硫酸，造成酸性腐蚀。

（5）长期航行后，进港前应有足够时间减速然后用车；停用时间较长启动前要充分暖机，用车避免加速过快，用车完毕后应使用冷却水循环至少1 h以上，以慢慢冷却。

（6）及时保养喷油器及喷油泵，以免造成雾化不良引起爆压过高，并确保喷油定时的准确及汽缸冷却水温度适当。

（7）避免长期超负荷运转，以免产生过热现象。

（8）要按时打开缸盖及活塞以清洁燃烧室并检查。

（9）在上紧缸盖固定螺栓（帽）时，应按照厂家规定力矩数值上紧，且力求各螺帽力矩的均匀。