某轮主机高压油泵出油阀碎裂故障分析

王鹏标

摘  要：WARTSILA RTA主机阀控式高压油泵频繁发生出油阀碎裂故障，本文从零件设计和装配工艺两方面，探讨引起出油阀碎裂的原因，供同行们参考。

关键词：WARTSILA 7RTA84-D主机;阀控式高压油泵;出油阀;压力导套;旋转角上紧法

0 引 言

某轮主机型号WARTSILA 7RTA 84T-D，额定功率29 400 kW，高压油泵为阀控式高压油泵。2015年修船时，所有高压油泵解体检查，出油阀、进阀、回阀全部换新。2018年3月9日，船舶航行在马六甲海峡，主机第5缸突发排温低报警，然后主机SLOW DOWN，经停车抛锚后检查发现主机第5缸高压油泵咬死，拆检高压油泵后确定是出油阀碎裂引起的柱塞偶件咬死，高压油泵本体被敲坏，通过供应紧急备件后恢复正常。时隔一年多后，2019年7月再次发生第1缸高压油泵出油阀碎裂。2021年2月，广州分公司的一条姊妹船又发生第7缸高压油泵出油阀导套断裂。连续多次出现相同的故障，这不是设备损伤的偶然性，其中还隐藏着可怕的必然性。当时的故障分析报告认为：高压油泵出油阀，工作条件恶劣，受到强烈的脉动冲击，备件疲劳损伤，导致出油阀导套断裂。作为后任的轮机长，吸取经验教训，认真翻阅以前的记录，我认为导致出油阀下部导套碎裂的原因既有备件本身的设计缺陷，也与我们的装配工艺有关。

1 故障分析

1.1 高压油泵内部结构

如图1所示，高压油泵出油阀B55803装在阀孔的最下部，带螺纹的压力导套B55821紧紧地压在出油阀阀座上，压力导套内部有弹簧B55837和出油阀限位销B55835，限位销上面是阀盖。柱塞上行时，高压燃油从出油阀阀座下面的导套上的斜孔，克服出油阀弹簧的压力，通过出油阀，进入高压油管，然后进入喷油器。

1.2 出油阀导套碎裂分析

（1）本船两次高压油泵出油阀导套碎裂都是发生在出油阀底座和导套结合处，导套断裂后受到撞击，被挤压成碎小颗粒，大的颗粒在柱塞头部，把高压油泵本体都敲坏了，小颗粒进入柱塞偶件之间，咬死柱塞偶件。此类型的高压油泵是成组的，即一组有两个高压油泵，如果高压油泵本体坏了，代价会很大。从阀座断裂面分析，导套工作环境恶劣，导套上面的油孔一直受到高压燃油的冲击，零件强度可能不够。图2和图3分别是两次出油阀底座碎裂的照片。图4是受损的高压油泵内部柱塞偶件和泵体接触面，图5是新的出油阀备件。

我们先看看出油阀这个零件的结构，见图5，重点是看出油阀阀座，出油阀阀座上面是受压的台阶，下部是带孔的阀杆导套，受压台阶的下表面，为了提高表面精度，更好地起到密封作用，下表面在加工过程中，留有砂轮越程槽。我们都知道：轴颈变化时，通常在轴肩处（也就是轴的截面突变处）会有过度圆角，过度圆角可以减少应力集中，提高轴的整体综合能力，但是过度圆角也是有限制的，一般过度圆角的半径不能超过轴半径的0.5倍，太大会影响到装配。出油阀阀座与导套结合处因加工需要，没有过度圆角，却“挖”出了砂轮越程槽，有越程槽也没关系，但此处的管壁要加厚，以增强导套的抗疲劳强度，所以，我们看到受压台阶下面的一段导套是加厚的。然而，这段加厚的导套周围又开出6个斜往上的导油孔，这些导油孔的最高位置，几乎到了越程槽的位置，这使得采用加厚导套的方法来提高零件的抗疲劳强度，效果却大打折扣，所以在越程槽周围零件的抗疲劳程度是严重不足的，这是引起出油阀导套断裂的原因之一。

（2）我们再看看出油阀上方压紧出油阀的备件B55821压力导套，如图6，英文名称Pressure Bushes，轮机英语中“bush”是指带孔的滑动轴承或者导套，带孔的滑动轴承或者导套，一般是径向受力，轴向不受力的。但这里的pressure bushes轴向要受很大的力，压力导套内部是中空的，里面要装弹簧和出油阀限位销，下部的孔是从出油阀出来的高压燃油经过这些孔顺着高压油管，到达喷油器。

说明书规定，安装压力导套时要特别注意：

①安装压力导套前，先把压力导套上的螺纹和高压油泵内与之啮合的螺纹用柴油清洗干净。

②在压力导套的螺纹上喷涂二硫化钼润滑脂。

③压力导套上紧时采用扭矩和旋转角控制，扭力扳手上紧到190 Nm，然后在螺母上做记号，再用专用扳手按顺时针旋转30°角。

压力导套没按规定的方法上紧，导致出油阀在阀孔内松动，松动的出油阀受到高压燃油的脉动冲击，出油阀下部的导套在阀孔内晃动，时间长了，很容易在零件的脆弱部位发生疲劳裂纹，最终使出油阀导套碎裂，这个零件的脆弱部位也就是阀座与导套结合处，这也是导致这两起高压油泵故障的另一个重要原因。

WARTSILA 7RTA 84T-D主机许多部件的螺栓上紧时都要求采取扭矩和旋转角双重控制，为了达到更高的安装精度，角度控制拧紧技术常常被采用，通过这个技术可以让每一个螺栓达到它最大的紧固效果。

2 压力导套的上紧方法

我们知道零件的上紧一般有3种方法：分别是扭矩上紧法、旋转角上紧法和屈服点上紧法。压力导套在上紧时要采用旋转角上紧法，即在上紧压力导套时，开始时使用扭矩控制，把压力导套旋紧至一个固定的扭矩值，到达此扭矩后，再采用旋转角控制，直到达到预设旋转角度。正确的使用旋转角控制可以恰当地让紧固件或者螺栓进入材料塑形区间，同时还要防止材料因过分受力超过屈服点，造成安全隐患。

旋转角控制能明显减少锁紧力的流失，保证达到足够的预紧力。与扭矩上紧法相比，旋转角上紧法不仅高精度地完成了对拧紧的要求，而且充分提高了材料的利用率。在采用旋转角上紧法的时候，零件会发生轻微的塑性变形。所以，在使用旋转角上紧法上紧压力导套时，要严格按照说明书规定的数据，旋转的角度不能太大，也不能太小，防止压力导套以及与之啮合的螺纹受到损伤。

3  经验做法

（1）每半年检查一次高压油泵出油阀上面的压力导套是否松动，查看旋转角的记号是否有位移变化。

（2）若发生出油阀碎裂后，高压燃油管要彻底冲洗，喷油器要拆检清洗，因为金属碎屑进入高压油管和喷油器后，会加速磨损喷油器的喷油嘴，致使喷油量过大，引发主机燃烧敲缸。

（3）平时主机航行时，打开高压油泵底部的观察窗口，经常检查高压油泵柱塞运行状况;进、回油阀挺杆及調节螺钉状况;各弹簧状况;落油孔是否堵塞;各运动部件加油等。

（4）高压油泵外壳检查，注意检漏孔是否漏油，各阀压盖内六角螺栓收紧。

（5）安装压力导套时，说明书规定要喷涂二硫化钼润滑脂，船上一般使用的是二硫化钼牛油或喷剂，我们知道，二硫化钼用于摩擦材料的主要功能是低温时减少摩擦，高温时增加摩擦。摩擦表面使用含有二硫化钼或三氧化钼的共聚物时，当摩擦材料处在高温环境时，共聚物中的三氧化钼颗粒会随着温度的升高而膨胀，起到增加摩擦的作用，从而使相连的两个零件更加紧固。同时含钼的润滑剂覆盖在摩擦表面，能提高材料的抗氧化能力，使材料不易脱落，增强材料的贴附力。

4 结 语

WARTSILA RTA主机高压油泵出油阀碎裂，原因可能是该零件本身存在设计缺陷，因为船上很少去拆检这种高压油泵，每次在中间检验和法定检验修船时，船东都会安排主机服务商或专业人员对主机高压油泵进行拆检和调试，所以，压力导套没按规定的方法上紧引起的出油阀碎裂的可能性不大，除非船上人员在不了解压力导套的上紧方法的情况下，却自行拆检了高压油泵。因此，作为轮机管理人员，我们要熟悉这种高压油泵的结构和拆检方法，管理思路要开阔，要认真查阅说明书。轮机管理人员要多学习与专业相关的其他知识，比如装配工艺、材料力学、船用化学品和滑油的理化性能等，只有认真学习，不断地总结经验，才能确保船舶设备正常运行。