G6300ZC－B型柴油机机体裂缝的原因分析和预防

龚耀明，胡启祥

(1.宁波海运股份有限公司，浙江宁波 315020;2.浙江交通职业技术学院，浙江杭州 311112)

G6300ZC－B型柴油机机体裂缝的原因分析和预防

龚耀明1，胡启祥2

(1.宁波海运股份有限公司，浙江宁波 315020;2.浙江交通职业技术学院，浙江杭州 311112)

文章从柴油机机体产生裂缝的机理入手，通过对某柴油机故障调查和原因分析，提出了针对性的整改和预防措施，对做好柴油机管理与故障处理有一定的借鉴意义。

柴油机机体;裂缝;分析;措施

1 柴油机机体裂缝概述

1.1 G6300ZC型柴油机简介

某海运公司一艘4 200 dwt的散货船，双主机采用G6300ZC－B型柴油机，1990年8月生产;额定功率750 kW，额定转速400 r/min，压缩压力6.22 MPa，爆发压力≤10.3 MPa，排温≤450 ℃;机体材料为球墨铸铁。

1.2 柴油机机体裂缝概述

该船自1991年投入运行以来，2台主机多次发生机体裂缝的故障，历次机体裂缝情况如表1所述。裂缝部位多次采用金属扣合法进行修理。

表1 历次机体裂缝情况

2007年2月，左机No.6缸又发现2条裂缝:1条在汽缸冷却水腔中上部，上下方向长约16 cm，如图1所示;另1条在机体冷却水出水口与工艺孔之间，如图2所示。

图1 左机No.6缸冷却水腔裂缝

机体裂缝穿透了机体冷却水腔的水隔层，使缸套冷却水直接流入到曲柄箱，污染了系统润滑油，对柴油机的安全运行带来严重影响。由于每隔2～3年出现了5次机体裂缝，不仅影响到安全生产和经济效益，而且，可能会造成机体无法修补而导致机体报废的严重后果。

因此，组织有关技术专家分析事故原因，以便采取适当的应对措施。

图2 左机No.6缸机体冷却水出水口与工艺孔间裂缝

2 故障调查和原因分析

2.1 机械应力的影响

一是来自贯穿螺栓的预紧力和汽缸内燃烧产生的交变应力，对金属材料产生机械疲劳破坏。对机体来说，贯穿螺栓的预紧力和燃烧时产生的交变应力都是上下方向的压应力，对机械部件会产生挤压伤。二是汽缸头螺栓产生的局部机械应力。该应力主要集中在缸头螺栓螺孔周围和缸头螺栓孔下面的加强筋部位，产生裂缝的形状不确定，但一定是在机体上部的应力集中部位。

船舶出厂以后2台主机的机体从未解体过，贯穿螺栓都是出厂时安装上去的，柴油机日常使用的爆压在8.0 MPa左右，说明书上最大允许值为10.3 MPa，发动机也没有过载，因此该应力在设计要求范围之内。就一般而言，铸铁的抗压强度较高，抗拉强度较差，因此可以排除这种可能。

汽缸头螺栓的上紧力矩说明书上规定为744.8 N·m，需用扭力扳手拧紧。而船上轮机人员为了求方便，每次都是用气动扳手来紧固，因此存在缸头螺栓上紧力矩过大和不均匀的可能性，是裂缝的可能原因之一。

2.2 热应力的影响

柴油机机体的热应力主要的是承受温差热应力。冷却腔水隔层的内表面与水接触，外表面与空气接触，内外表面之间温差越大，温度变化越快，则产生的热应力就越大。管理中如果冷却水温度快速升高或者快速降低都会在冷却腔水隔层中产生巨大的热应力。对圆筒体来说，轴向应力大于周向应力，因此裂缝方向以轴向为主。

船舶在出厂时，缸套水冷却系统上装有直接作用式的恒温阀，由于该阀控制精度低、灵敏度不高，在主机工况变化时温差变化较大，通常可达十几度或更大。轮机人员为了保持缸套冷却水温度稳定，采取了人工改变海水旁通阀开度和开关海水泵的办法来调节水温。虽然人工介入后温差变化有所好转，但存在操作不当和操作疏忽的可能性。

在主机缸套淡水冷却系统中设有高温报警，报警值为75℃，但未设低温报警。因此，未能及时发现冷却水温度过低的情况。

船上没有安装缸套水暖缸设备。尤其是冬天，冷车启动时温度较低，除了发动机工作粗暴之外，对机体也会产生额外的热应力。

备车时间不足。说明书要求冷车启动到全负荷时间不小于30 min，淡水和油温要达到40℃以上。实际上，船上从冷车到全负荷只用了10～15 min。因此，存在着发动机水温升高太快和全负荷水温太低的现象。

2.3 材质和铸造工艺的影响

机体的材质很关键，好的材质结构致密，分子间张力大，使用寿命长，不易产生裂缝。如果材质低劣、铸造工艺粗糙或铸造时产生的局部应力未消除，都会给日后产生裂缝留下隐患。

打开汽缸后发现，机体的冷却水腔壁面整体铸造工艺较粗糙，铸造时的残渣未清理干净，棱角的地方较多。

打波浪键时发现，同一缸内的水隔层壁厚不一样，不同部位的材质疏密不一致。

2.4 材料腐蚀的影响

机体的汽缸冷却水腔触水面长期浸泡在柴油机冷却水中，会受到冷却水的腐蚀和缸套振动时产生的冷却水空泡腐蚀，或者是冷却淡水中混入海水产生了电化腐蚀。腐蚀导致材料强度变弱，不能承受正常的机械应力和热应力而产生裂缝。

检查汽缸冷却水腔壁面和裂缝周边部位，发现表面基本光洁和平整、无明显腐蚀凹坑。冷却水腐蚀引起的可能也基本可以排除。

2.5 结论

综合上面的排查分析，并结合裂缝的形状特征，产生裂缝的原因主要有2方面。

1)机体材质和铸造缺陷等先天不足，导致强度变弱或应力集中，造成裂缝产生。

2)使用管理不当使裂缝发生的频度增加。主要表现在:①缸套冷却水温度控制不稳定，温度大起大落使机体水隔层承受巨大的温差热应力;②暖缸不足、备车不充分和用车不当使柴油机的冷却水腔在用车初期产生较大热应力，导致机体材料的机械性能降低，最终导致裂缝;③使用气动扳手紧固缸头螺丝时，造成螺栓受力不均或力矩过大，在螺孔附近产生的局部机械应力大于材料屈服极限而开裂。

3 整改和预防措施

由于机体的材质和铸造工艺在柴油机出厂时已成定局，我们能做的只有从加强管理上下功夫。所以，在对裂缝部位采用金属扣合法进行了修理后，采取了以下措施。

1)将缸套水系统的直接作用式恒温阀更换成性能更好的电动自动温度调节阀。

2)更换温控阀以后缸套冷却水温度的稳定性已能满足要求，为了避免人为过失造成水温大起大落，禁止使用人工改变海水旁通阀开度和开关海水泵的办法来调节冷却水温度。

3)上紧缸头螺栓只能用扭力扳手，并用对角交叉法上紧至规定力矩，气动扳手只能用于松开缸头螺丝。

4)严格按照说明书的要求进行操作，具体要求为:柴油机启动后的初期转速为200 r/min，夏季5 min(冬季10 min)后方可低负荷运行。汽缸头出水温度达到45℃以上，并至少运转30 min后，才允许全负荷运行。正常运行时出机水温严格控制在60～70℃。

经过此次故障排查，并采取了一系列的后续补救和预防措施以后，情况得到了控制。从预防措施实施起至今4年来，2台主机再未发现类似裂缝，说明当时采取的措施是适当的、有效的。这也说明，科学规范的柴油机日常管理和保养，对于提高船舶的安全性、经济性具有重要意义。

［1］赵伟，张署，杜荣铭.船用柴油机机体裂缝原因的分析及对策［J］.大连海事大学学报，1997(1).

［2］杜荣铭.船舶柴油机 ［M］.大连海事大学出版社，2006.

［3］王汉功，赵文轸.修复工程学［M］.机械工业出版社，2002.

Commencing from appearance mechanism of crack in diesel engine cylinder block，this paper investigates and analyzes the failure of a certain type of diesel engine.On these bases，rectification and prevention measures are put forward to provide useful references for diesel engine management and troubleshooting.

diesel engine cylinder block;crack;analysis;measure

U672

C

1001－8328(2012)01－0013－03

浙江省科技资助项目 (2010C31055)

龚耀明 (1962-)，男，浙江宁波人，指导轮机长，主要从事船舶机电技术管理工作。

2011－08