回油阀调节式高压油泵本体裂穿故障分析

黄建华

(香港明华船务有限公司，广东 深圳 518067)

回油阀调节式高压油泵本体是高寿命零件，可靠性高、不易损坏、故障机率很小，而且备件费用昂贵，船舶一般不储存备件。一旦损坏时更换备件工序繁琐，耗时长，若发生在狭窄水道可能严重威胁船舶安全。因此，只有深入了解故障形成的原因，才能更好地去使用、管理、维护，预防故障发生，保证高压油泵的稳定性和可靠性。

1 故障现象及处理

某轮主机型号，SULZER 6RTA52。高压油泵分3组，两个缸一组共用一个高压油泵本体。

某日航行中，主机第一组高压油泵的No.2缸进油阀压盖下部有微量燃油渗出。1 h后，该处大量燃油涌出，立即停车漂航拆开压盖，研磨油泵本体与压盖之间接触的密封面，装复试车时未发现渗油。主机加速至半速时，压盖下面又有燃油渗出，压盖和本体间密封面刚研磨不应该会漏油。

为了确认漏油点，主机在半速运转，逐一拆除再固紧漏油压盖的紧固螺栓。当拧松压盖的一个紧固螺栓时，手有明显的脉动现象，取出该螺栓观察到螺孔内有脉动喷油。据此，判断进油阀上部腔室与压盖紧固螺栓螺孔间产生穿透性裂纹。船上无高压油泵本体备件，只好单缸停油减速航行至港口更换高压油泵本体。对损坏高压油泵本体做探伤试验，证实了上述判断。

离港航行几天后，主机第二组高压油泵的No.4缸同一处出现同样故障，采取漂航更换备件措施。

2 裂纹产生机理

联接紧固件对被联接件施加的预紧力使机件材料产生安装应力，安装应力超过材料的屈服强度或抗拉强度，装配期间或使用初期在零件材料有缺陷和应力集中处产生裂纹，使材料疲劳强度降低或断裂。零件或材料在交变载荷作用下产生交变应力，交变应力超过材料的疲劳强度，长时间作用在零件材料有缺陷或应力集中处形成疲劳裂纹。

3 受力分析

高压油泵本体穿透性裂纹如图1折线所示位置，此处机件材料的应力复杂，主要包括:上紧紧固螺栓1产生的安装应力σ1;上紧压力衬套2产生的安装应力σ2;周期性变化燃油压力产生的交变应力σ3。

图1 高压油泵剖面及损伤位置

4 故障分析

4.1 机件结构缺陷

机件上开有键槽、油孔、台阶、螺纹等各种几何形状的缺口时，在使用中就会在缺口的根部产生应力集中，使材料的疲劳极限降低。螺孔裂穿处附近存在安装高压油泵安全阀的加工台阶，属应力集中处。材料的疲劳强度降低，材料的应力增大时，此处易最先形成疲劳源产生疲劳损坏。

4.2 装配零件产生的安装应力

检修装配时未规范操作导致材料安装应力增加。

1)说明书规定上紧紧固螺栓1的力矩为60 N·m。

安装过程中专用力矩扳手使用不当，压盖与油泵本体间密封面漏泄时加大安装力矩止漏，上紧紧固螺栓1未按顺序交叉或逐步上紧。导致安装预紧力增加使材料的安装应力σ1增加。

2)说明书规定用专用扳手 (其非力矩扳手)上紧压力衬套的力矩为300 N·m。

实际上使用此专用扳手时无法测量力矩，检修时担心油阀阀座与泵体间的密封面漏泄，上紧时易产生宁大勿小的错觉，往往造成安装预紧力增加，材料的安装应力σ2增加。

4.3 燃油压力产生的交变应力

高压油泵柱塞上下运行通过吸油和排油为汽缸的每一动力循环提供高压燃油，保证喷油器喷出的燃油形成良好的雾化质量。高压油泵吸油时，高压油泵进油阀上部腔室内压力比燃油循环增压系统的压力 (0.4～0.5MPa)低，而燃油在正常喷射过程中压力最高达80MPa左右。周期性变化的燃油压力产生的交变力使材料产生交变应力σ3。

下列情况可能会导致燃油压力增高即交变应力σ3增加:停机时，某些缸喷油设备循环回路中断造成该缸高压油泵及喷油器中的重油不能循环预热保温，主机启动时，该缸高压油路中的燃油粘度很高。机舱环境温度越低影响越大;喷油器冷却不良而过热引起喷油嘴喷孔处结碳造成部分喷孔通道变窄或堵死，高压燃油节流受阻;油头针阀开启压力调整不当而过大;燃油中含有机械杂质、燃油油温突变、喷油器冷却不良导致针阀卡紧或咬死在关闭位置;主机运行中，燃油加热温度偏低，粘度偏大，在喷射过程中，高压燃油流动阻力增加;主机超负荷运行，喷油量增大。

4.4 过载损伤

高压油泵安全阀的开启压力为115MPa，拆检故障缸高压油泵安全阀未发现有起跳现象，压力试验正常。但从维修工作记录中，得知故障缸安全阀由于曾经起跳过而被换新，起跳过的安全阀做效用试验时，由于燃油干固、结焦卡住针阀，试验压力达200MPa都无法起跳而失效。材料有可能受到过载损伤，造成材料的疲劳极限降低。

一般来说，适当的过载未能引发材料内部微裂纹的显著扩展，对材料的疲劳极限没什么影响。但是不适当过载 (包括过载大小和过载循环次数的多少)将会造成过载损伤，降低材料的疲劳极限，导致机件的疲劳破坏。

例如上述引起燃油压力增高的情况恶劣且安全阀失效不能起保护作用的情况下会造成高压油泵过载。如果高压油泵在 (如图2)过载负荷σi、循环周次Na下工作，即工作点A在过载损害区以外时，过载对材料的疲劳极限σ－1无影响。短时间过载后恢复正常运转高压油泵不会发生疲劳破坏。一旦高压油泵在 (如图2)过载负荷σi、循环周次Nb下工作，即工作点B进入过载损害区时，过载就会使材料的疲劳极限σ－1降低，在恢复正常运转后高压油泵将会发生过早的疲劳破坏，产生裂纹，缩短高压油泵的疲劳寿命。cd为过载损害界，ed表示在超过疲劳极限的应力下直到断裂所能经受的最大应力循环周数。

机件材料的疲劳极限远远小于材料的屈服极限，甚至仅为1/3的屈服极限。如果机件发生过过载损伤，使机件疲劳极限降低到一定程度，高压油泵本体中的最高燃油压力即使小于安全阀的开启压力，高压油泵本体也会过早发生疲劳破坏。

图2 材料的过载损害区和损害界

4.5 总结

交变载荷作用下材料产生最大交变应力σmax超过材料的疲劳极限时，σmax越大，材料循环使用周数就会越少，寿命就会越短，即材料在应力集中部位和零件材料有严重组织缺陷或冶金缺陷处越早形成疲劳破坏。

σmax低于材料的疲劳极限时，正常循环使用无数次也不会发生疲劳损坏，但是不适当过载将会造成过载损伤，降低材料的疲劳极限，在恢复正常运转后零件也会发生过早的疲劳损坏。

高压油泵检修时和机器日常运转过程中引起σ1或/和σ2或/和 σ3增加时，导致最大交变合应力σmax增加。σmax增加超过材料疲劳极限 (如果材料存在过载损伤导致疲劳极限降低，那么σmax增加更易超过过载损伤后的疲劳极限，甚至正常运行中的σmax就达到此疲劳极限)，在离安装高压油泵安全阀加工台阶最近的螺孔的应力集中处产生疲劳微小裂纹源，使用中裂纹不断扩展，经过一段时间后，螺孔与高压油泵进油阀上部腔室之间就形成穿透性裂纹而导致燃油泄漏。

5 防范措施

5.1 设备维护

1)高压油泵。

(1)安装压盖时，紧固螺栓螺纹应用煤油清洁干净、涂上二硫化钼软膏，用专用力矩扳手交叉和逐步上紧至60 N·m。压盖与高压油泵本体接触密封面应仔细研磨。当密封面泄漏时，应重新研磨接触面，切勿通过加大上紧力矩消除泄漏。

(2)使用专用扳手安装压力衬套无法测量力矩时，应旋入干净的压力衬套与油阀之阀座紧密接触为止，再用力上紧60°角，或在专用扳手顶部焊接一套筒连接另配力矩扳手按力矩300 N·m上紧。

(3)定期检查或校正高压油泵安全阀的开启压力。运行中安全阀开启，应及时查明原因，排除故障，避免材料产生过载负荷。起跳过的安全阀应及时拆下、解体清洁、检查，防止长时间后燃油干固粘住针阀，导致开启压力升高或咬死，失去保护功能。

2)喷油器。

(1)定期清洁拆检主机喷油器，检查或调整油头针阀开启压力和燃油雾化质量。

(2)清除喷油嘴喷孔内脏物。

(3)检查喷油器循环阀功能，保障燃油系统的正常循环，确保喷油器可靠冷却和停机时喷油设备的良好预热保温。

5.2 日常管理

1)停机时，保持适当的机舱温度、暖缸温度;手摸喷油器的回油管路，感觉是否有热油回流，确保各缸的高压油泵及喷油器中燃油可靠循环预热加温，避免主机冷车启动。

2)避免主机超负荷运转。

3)控制燃油加热温度，维持正确的燃油粘度。

4)轻、重油转换过程中，严格控制油温的变化，防止油温突变。

5)加强燃油预处理，做好沉淀、放残、分离和过滤工作，清除燃油中各种杂质。

6 结论

高压油泵本体裂穿故障的原因主要是:检修装配高压油泵操作不规范;喷油设备日常维护不佳及燃油处理不好。

因此规范的设备检修操作及良好的日常运行管理是避免故障发生，保障船舶安全航行的关键。

［1］余宪海.船机维修技术［M］.大连海事大学出版社，2000.

［2］杜荣铭.船舶柴油机 ［M］.大连海事大学出版社，2002.