16V280ZJA型柴油机机体穴蚀修复及预防方法的研究

李功岭, 刘军强

(中国铁路呼和浩特局集团有限公司 大板机务段， 内蒙古赤峰 025150)

DF8B型内燃机车16V280ZJA型柴油机的机体采用球墨铸铁整体铸造，具有强度高、变形小，对细微的表面裂纹不敏感的优点。但随着使用时间的延长，逐渐暴露出机体缸套上下定位圆内孔、9～16缸水腔外侧隔板内壁发生穴蚀的问题(穴蚀形貌见图1、图2)。这是近年来发生在16V280ZJA型柴油机上的一种新的穴蚀损伤形式。1980年代初，DF4B型内燃机车16V240ZJB型柴油机缸套就大量发生穴蚀，严重的因穴蚀穿孔而报废。经过设计、制造、维修、运用单位的攻关改进，1990年代初在16V240ZJC型柴油机及后续的16V240ZJD型柴油机缸套取消了原B型机缸套外壁的螺旋筋、外壁进行车削加工，降低缸套外表面的粗糙度，并使冷却水流动通畅性提高后，基本杜绝了缸套穴蚀的问题。16V240系列柴油机缸套穴蚀问题得到了有效控制。而机体是柴油机所有部件的安装基础，其可靠性决定整台柴油机的使用寿命，且结构复杂，制造成本高、生产周期长。故如何对机体穴蚀进行修复，并有效抑制机体穴蚀发生发展，对保障全路近1 000台DF8B型内燃机车运行可靠，降低运输生产成本，具有重要意义，是一项急需解决的问题。

图1 机体水腔外侧板穴蚀孔洞群

图2 机体上定位圆穴蚀孔洞群

1 16V280ZJA型机体发生穴蚀的原因分析

1.1 穴蚀发生的机理

目前比较一致的看法认为穴蚀是以空泡腐蚀为主与电化学腐蚀综合作用的结果。在压力状态下冷却水中都溶有气体。当机械振动及冷却水流道截面发生变化，局部压力降低到一定数值时，溶于水中的气体便以微小的气泡群体形式分离出来；当冷却水压力再升高时，气泡受压缩破裂，伴随瞬间产生的局部高温高压冲击波，在水中以超音速传播，以极大的冲击和挤压力作用在其附近的金属零件表面上，具有强烈的侵蚀力。这个过程的反复作用首先使金属材料表面发生疲劳，出现微观的疲劳裂纹和小孔。在长时间的频繁冲击作用下，微观裂纹和小孔不断扩展，金属质点不断剥落形成宏观孔洞，这就是空泡腐蚀。初期发现时穴蚀为针孔状的小孔洞群，随着穴蚀时间的延长，穴蚀针孔状孔洞直径和深度逐步扩展，逐渐发展为直径较大的孔洞，大量的穴蚀孔洞群扩展连成一片，形成大面积的片状金属剥落(见图3、图4)。

图3 机体水腔外侧板严重穴蚀造成

图4 下定位圆环状穴蚀带严重大面积片状金属剥落

1.2 机体气缸套水腔隔板穴蚀原因分析

由于活塞与缸套及缸套与机体间存在间隙，活塞运动中作用在缸套内壁的侧压力，引起缸套高频振动，使缸套周围的冷却水在活塞连杆组摆动平面内周期性处于压缩与拉伸状态。当活塞撞击缸套的能量足够大，致使缸套振动加速度达到某一临界值时，冷却水便随着活塞侧压力的变化，交变发生气泡及气泡破裂现象，形成空泡腐蚀效应。16V280ZJA型柴油机缸套材质为硼合金铸铁，缸套外表面车削加工。从材质的硬度和表面粗糙度方面看，耐穴蚀能力高于表面未进行加工的球墨铸铁的气缸体水腔内壁，所以穴蚀发生在缸套周围机体水腔隔板。面向16V280ZJA型柴油机输出端，曲轴为顺时针旋转。由柴油机曲柄连杆机构动力学分析可知，活塞对缸套侧压力最大值发生在爆发冲程，且作用在缸套左侧壁(见图5)，因此极易造成1～8缸冷却水腔内侧隔板和9～16缸冷却水腔外侧隔板附近的冷却水受压缩发生气泡破裂。而16V280ZJA型柴油机结构决定了机体内冷却水循环方向是冷却水从机体中央V型夹角处的主水道向两侧缸套水腔循环流动(见图6)，靠近V型夹角主水道的缸套冷却水腔内侧为冷却水循环高压区，冷却水中的气体在此处发生分离形成气泡的几率远小于距离主水道较远、水流压力相对较低的缸套冷却水腔外侧，缸套冷却水腔内侧隔板附近的空泡效应受到抑制。所以16V280ZJA型柴油机机体穴蚀多发生在9～16缸水腔外侧隔板内壁，且分布在活塞连杆组摆动平面上。

图5 四冲程柴油机各工作过程活塞对缸套侧压力与曲轴转角的变化规律

1-9～16缸水腔外侧隔板；2-9～16缸缸套；3-9～16缸冷却水腔；4-9～16缸水腔内侧隔板；5-机体V型夹角冷却水道；6-1～8缸水腔内侧隔板；7-1～8缸冷却水腔；8-1～8缸缸套；9-1～8缸水腔外侧隔板。图6 16V280ZJA型柴油机横向剖面示意图

1.3 机体缸套上下定位圆穴蚀原因分析

16V280ZJA型柴油机缸套与机体定位圆为间隙配合，设计间隙为0.062～0.176 mm。上部采用缸套法兰凸肩底面0°37′斜面与机体座面刚性接触密封，下部采用3道橡胶圈密封，缸套与机体定位圆的配合间隙与机体冷却水腔相通。缸套与机体定位圆配合间隙处的流通截面远小于缸套周围冷却水腔的截面，冷却水进入配合间隙处，流道突然变窄，冷却水压力减小，溶于水中的气体在此处更容易以气泡群体的形式分离出来，由柴油机活塞运用规律可知，活塞在上下止点处(与缸套上下定位圆处接近)改变运用方向，加速度最大，因此对上下定位圆处的冲击也大，气泡群体受振动冲击破裂，导致在缸套上下定位圆处发生穴蚀。又因缸套和机体下定位圆的第1道密封胶圈与冷却水直接接触，缸套受冲击振动变形时，第1道胶圈产生交变的压缩变形，少量的冷却水及气泡进入第1道与机体定位圆间，由于发生在此处的空泡腐蚀和胶圈与机体定位圆因缸套的高频微动而相互研磨的综合作用，将穴蚀引发的微小针孔状孔洞群连成一片，即形成缸套下定位圆内孔的环状穴蚀。

2 机体穴蚀部位的修复

随着机体穴蚀的进一步发展，冷却水腔严重穴蚀将造成机体隔板穿孔，强度降低而裂损。机体定位圆严重穴蚀后导致气缸套定位条件发生恶化和冷却水漏泄。所以对发生穴蚀部位必须及时进行修复。根据穴蚀程度的轻重，结合16V280ZJA型柴油机机体机构和材质的特性，以及机务段生产现场的实际条件，采取不同的修复方法。

2.1 铸铁修补剂填充法

16V280ZJA型柴油机机体采用球墨铸铁整体铸造，整体强度较高，各部位有足够的壁厚，且具有对细微的表面缺陷及裂纹不敏感的特点。因此穴蚀孔洞直径小、深度浅的初期穴蚀对机体各部强度不构成影响。修补的主要目的是对浅表穴蚀孔洞进行覆盖，隔绝穴蚀孔洞与冷却水的直接接触，阻止穴蚀进一步扩展，同时恢复机体与缸套配合尺寸和密封。所以对发生轻微穴蚀的机体，可采取工作量小、修复时间短、操作方便的铸铁修补剂填充法进行修补。随着高分子材料和纳米材料技术的发展，高分子聚合物和纳米聚合物的出现使传统的金属表面缺陷修补方法发生了显著改变。以高分子材料和复合材料技术为基础的高分子复合型修补剂，是以高分子复合聚合物与金属粉末组成的双组分复合材料，可广泛用于金属部件磨损、冲刷、腐蚀、铸造气孔和砂眼、浅表裂纹等缺陷的修复。目前市场上的铸铁修补剂种类繁多，经过多次实践和对比，选择具有适于球墨铸铁件表面修补、干燥固化快、固化后与母体结合强度较高、防水耐腐蚀、耐受温度符合16V280ZJA型柴油机工作水温的TS111铸铁修补剂，技术参数如表1所列。

表1 TS111铸铁修补剂技术参数

具体操作方法为：对穴蚀部位，用钢丝刷和丙酮进行彻底清洗，消除穴蚀孔洞内的氧化层、锈斑及杂质，将铸铁修补剂的A组分与B组分，按4:1的比例均匀混合，填充在穴蚀孔洞中并压实，待铸铁修补剂彻底固化后，进行打磨修整，消除填充部位的突起，并使与气缸套配合部位的尺寸符合工艺要求。

2.2 电焊修补法

(1)电焊修补方法的确定

对穴蚀孔洞直径大于10 mm且深度大于5 mm的穴蚀，及因严重穴蚀引发的大面积金属成片剥落，将导致机体水腔隔板和定位圆强度降低。目前市场上所有的铸铁修补剂固化后的机械性能都无法保证大面积、大深度填充修补后的机体强度，因此采取电焊修补方法。鉴于柴油机机体的外形尺寸较大及复杂形状，结合机车检修现场的实际条件，采取电弧焊冷焊的方式。

(2)焊条的选择

机体作为柴油机所有零部件的安装基础和骨架，承受负荷大且受力情况复杂，对强度、刚度要求高。为保证焊修后能达到机体要求的强度，应根据机体材料的化学成分和机械性能选择焊条。16V280ZJA型柴油机机体为QT500-7球墨铸铁整体铸造，QT500-7球墨铸铁的化学成分如表2所列。

表2 QT500-7球墨铸铁的化学成分 %

QT500-7球墨铸铁的主要金相组织为铁素体加珠光体的混合组织，基本组织为铁素体，其数量在70%以上，石墨形态以球状、团状为主，球化率≥75%，石墨大小优于5级，允许不连续分布的渗碳体不超过1%，磷共晶不超过1%。其机械性能为：抗拉强度σb≥500 MPa，屈服强度σ0.2≥320，延伸率δ≥7%，布氏硬度170～230。目前常用的电弧冷焊的铸铁焊条有Z208、Z308、Z408、Z508等几种，性能参数及主要用途如表3所列。

综合考虑16V280ZJA型柴油机机体穴蚀部位的受力状态，补焊后机体的强度、焊材与机体母材的结合强度和防止冷却水腔内的电化腐蚀反应等因素，对铸铁焊条进行选择。Z408焊条为强还原性强石墨化的铸铁焊条，具有强度高、塑性好线膨胀系数低的特点。在严格保证焊接工艺标准的条件下，焊接接头的抗拉强度可达到σb=390～540 MPa，伸长率可达10%以上，镍铁合金的线性膨胀系数与铸铁接近，有利于降低焊缝的应力和裂纹倾向，性能可以满足16V280ZJA型柴油机机体补焊的要求。且国内机车大修工厂已经有使用Z408焊条冷焊修补较大破损的球墨铸铁机体的成功实例，所以选择Z408焊条对16V280ZJA型柴油机机体穴蚀进行焊补。

表3 常见的可用于冷焊的铸铁焊条及主要用途

(3)施焊前的准备工作

首先对Z408焊条进行200 ℃的烘干，并放入保温箱保温1 h。焊修前使用尖錾、气动风磨机对穴蚀部位及周围进行剖磨检查，彻底去除穴蚀缺陷处的蜂窝状针孔群和疏松，剖磨面积尽量扩展，深度以见到铸铁金属本色为止。然后用钢丝刷和丙酮进行彻底清洗，消除氧化层及附着的杂质。

(4)施焊作业

将机体固定于柴油机翻转架上，将所要焊修的部位转至水平位置，用气割炬将所焊部位及周围加热到80 ℃ 左右。采用直流电焊机ZX500，直流反接，焊接电流为90～110 A。对较大面积的穴蚀剥落，采用分段间歇焊，每焊完一道焊缝，立即清除熔渣，并用手锤敲击焊缝，使焊缝金属紧密，减少焊接应力，防止产生裂纹，两道焊缝应叠加约1/2的宽度。对较深的穴蚀坑采用分层焊，焊层间温度控制在80 ℃左右。全部施焊完成后对焊修部位进行打磨修整，使之符合与缸套配合尺寸要求，并进行磁粉探伤和渗透探伤，确认补焊部位无裂纹存在。

3 修复效果既对16V280ZJA型柴油机机体制造、维修和运用的建议

大板机务段2010年开展DF8B型内燃机车中修，对陆续发现的16V280ZJA型柴油机发生穴蚀的机体都进行委外大修。从2014年开始尝试对发生穴蚀的16V280ZJA型柴油机机体进行段内修复，截止到2017年共计修复穴蚀机体26台，到目前为止未发生修复质量问题，其中11台机体经过30万km运行再次进行中修，从这11台机体中修解体检查情况看，经过修复的穴蚀部位未发生新的穴蚀及焊缝裂纹、熔敷表面脱落现象。既保证了中修柴油机良好备品的供给，又节省了高额的机体委外大修费用支出，取得了预期效果，经济效益可观。但仅仅在中修时对机体穴蚀进行修复，只是在发生穴蚀后的被动补救手段，往往是修补后，在修补部位的临近区域又会发生新的穴蚀，不能彻底抑制机体穴蚀的发生。为此，在保持16V280ZJA型柴油机机体结构不变的条件下提出以下措施和建议：

(1)降低机体冷却水腔内壁的粗糙度。多年内燃机车使用维修实践证明，降低零部件与冷却水接触部位的粗糙度，对预防及延缓穴蚀的发生有重要作用。16V280ZJA型柴油机缸套外表面采取了车削加工的方式，实际使用中未发现缸套发生穴蚀现象，但穴蚀发生在机体水腔内壁的铸造非加工表面。建议机车新造及大修时对机体水腔内壁表面进行适当打磨，降低水腔内壁粗糙度。

(2)降低柴油机缸套的振动。机车大、中修时严格选配柴油机活塞与缸套、缸套与机体定位圆的间隙，配合间隙应控制在大修限度之内，以接近设计间隙的下限为宜；并在机车日常运用中严格控制柴油机启动和加载的温度，启动温度不低于20 ℃，加载温度不低于40 ℃的规定，防止因柴油机缸套振动冲击大，造成柴油机机体穴蚀。

(3)对机体内腔涂漆。机车大、中修时机体按16V280ZJA型柴油机制造的涂装标准，对机体内非加工表面刷漆。漆层不仅可以防止与冷却水直接接触的水腔表面发生腐蚀，同时能防止冷却水内气泡破裂产生空泡效应作用在水腔金属表面，对穴蚀能起到一定的减缓作用。

(4)防止冷却水温度过高产生汽化。对发生水温高的机车及时扣车整修，严禁存在高水温现象的机车长期运行，防止冷却水温过高导致冷却水汽化而加剧产生气泡，引起机体穴蚀。

(5)优化提高冷却水及冷却水添加剂的性能。机务系统及铁路科研部门应加强对内燃机车冷却水配方的研究改进，在现有冷却水的基础上优化冷却水添加剂，降低冷却水张力，减缓冷却水中气泡破裂时产生的冲击压力，同时提高冷却水的清洁度和散热性，抑制机体水腔的穴蚀。

4 结束语

(1)通过对16V280ZJA型柴油机机体穴蚀的修复试验和试验效果验证，证明在机务段现有的生产条件下，严格把控修补、焊接工艺的落实，对球墨铸铁机体的穴蚀修复是可行的，能够保证穴蚀机体的修复质量，满足16V280ZJA型柴油机一个中修期的运用要求。

(2)机务段作为机车的使用维修单位，在不改变柴油机设计结构的情况下，在检修、保养、运用各作业环节，注意采用防止穴蚀的措施，并严格执行作业标准，16V280ZJA型柴油机机体穴蚀问题能够得到一定程度的控制。

(3)随着铁路运输对牵引力要求的不断提高，柴油机性能将不断强化，运用时间将不断延长，柴油机穴蚀问题将会日益凸显，逐渐成为影响柴油机可靠性和使用寿命的重要因素。对穴蚀问题的防治应得到机车设计、制造部门的高度重视，在设计制造阶段考虑采用技术手段，从源头上防止柴油机穴蚀的发生。