发动机气门掉缸故障原因分析及控制措施探讨

黄 平

（中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司蜀南气矿，四川泸州 646000）

0 引言

天然气的生产和输送离不开天然气压缩机组。目前大部分天然气压缩机组采用燃料气（燃油）发动机作为驱动机，即燃料气（燃油）燃烧产生的内能，通过曲柄连杆机构将动力活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，以提供压缩机所需的机械能，而气门是燃气（燃油）发动机的重要组成部分。发动机气门分为进气门（Intake Valve）和排气门（Exhaust Valve），进气门的作用是将空气吸入发动机内与燃料混合燃烧，排气门的作用是将燃烧后的废气排出并散热。

1 基本情况

2015 年6 月，某处理站首次投用5 台分体式天然气压缩机组，该机组驱动机采用卡特彼勒公司生产四冲程、直列8 缸、涡轮增压、中冷、燃气发动机G3608TA，每个气缸布置有4 只气门，即2 只进气门和2 只排气门组成。气门是由气门头部和杆部组成，气门头部温度很高，同时承受气体的压力、气门弹簧的作用力和传动组件惯性力，所以要求气门必须有一定强度、刚度、耐热和耐磨性能（图1）。

2 故障描述

2018 年2 月至2019 年1 月近11 个月的时间内，在机组正常运转情况下，发动机缸盖排气门在不同时段多次突发排气门阀杆断裂、气门阀盘（气门头部）落入缸体内事件（图2）。气门阀盘掉入气缸，引发机组强烈的敲击声并伴有异常振动，机组巡检人员现场实施紧急停机，严重时机组则高爆燃保护故障自停。掉入缸内阀盘造成发动机缸盖和活塞有不同程度的损伤，缸盖与活塞损坏无法修复，更为严重的是断裂阀盘与活塞、缸盖撞击所产生的金属碎块随排气通道进入废气涡轮增压器，导致涡轮增压器废气叶轮损坏，使涡轮增压器无法再用，需送厂大修。

3 原因分析

技术人员综合不同时段所发生排气门断裂事故，经比对发现排气门阀杆断裂故障拥有4 个共同特征：①断裂部位基本一致，即在阀盘端以上60～70 mm 附近；②阀杆断口整齐，均垂直于气门杆；③断裂的都是排气门；④该故障发生在机组运行12 000～19 000 h。

（1）对断裂的排气门做金相分析。排气门至少由2 种材料组合，阀杆顶部经淬火高温回火，组织为索氏体，硬度为32 HRC，表层有0.04 mm 镀Cr 层；阀盘组织为奥氏体，硬度为32.2 HRC；阀杆中部距阀盘60 mm 处组织为球状珠光体，表面镀Cr 层已被腐蚀，硬度为32 HRC。排气门盘锥面受高温腐蚀，组织发生明显转变，锥面上有多处开裂，杆体上镀层消失，有腐蚀产物和腐蚀坑。

（2）断口分析。断口表面有蓝褐色氧化特征，为多源表面撕裂，源区有台阶，说明使用上存在应力集中，裂纹扩展区主要表现为疲劳条纹和二次裂纹。断口分析结果是阀杆断裂是腐蚀疲劳。卡特彼勒公司《G3600 发动机操作、维修手册》推荐G3608TA 发动机缸盖大修时间是20 000 h，几起排气门发生断裂时间均在12 000～19 000 h，尚未达到维修手册规定的缸盖大修时间；其次气阀不应该断裂，只应是磨损和腐蚀。

图1 进排气门积碳情况

图2 发动机缸盖进排气机构

综上，该处理站所发生的排气门阀盘掉缸事故是由排气门质量问题而引发的机械事故。进气门一般采用合金钢（铬钢、镍铬钢），排气门采用耐热合金（硅铬钢）。该发动机为了节省耐热合金，排气门头部用耐热合金，而杆部用铬钢，经特殊工艺对接而成，排气门在高温、高压废气的作用下机械强度下降，在对焊部位断裂，属于产品质量问题。

4 处置措施

为了避免机组使用期间部分总成、组件不达规定修理时间便出现异常损坏，维修人员采取以下措施：①适当修正总成或组件大修时间，机组运行8000 h 即对缸盖实施检修，强制更换排气门，防止再发生类似事件；②将G3608TA 发动机使用中出现排气门断裂异常情况反馈给卡特彼勒公司，分析原因，改进加工工艺，提升产品质量。经采取上述措施后，隐患得到消除，机组2019 年未再发生排气门掉缸事故。