導讀

　　某型船用主推進柴油機在 W5 維修保養(yǎng)運行使用約 60h 后 , 發(fā)現(xiàn) 40 個氣缸的排氣閥間隙均出現(xiàn)超差，38 個排氣閥座磨損超出氣缸蓋修理極限。

　　更換 38 個新缸蓋后運行使用約 60h，再次出現(xiàn)大面積排氣閥座磨損，2 次航行試驗均使用 0# 車用柴油。

　　基于故障現(xiàn)象 , 列出缸蓋排氣閥座異常磨損故障樹 , 從維修安裝、零部件質(zhì)量、使用條件三大方面進行分析排查。

　　對故障機理進行分析判斷：

　　故障原因是使用 0# 車用柴油含硫量較低，未能形成有效抗磨層，加快了排氣閥座的磨損 , 針對柴油機氣閥座異常磨損故障情況提出相應的解決措施 , 為后續(xù)同類故障分析提供解決方法。

　　

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　　一、故障背景

　　某船2019年4月在船廠開展修理工程，2臺MTU956V20柴油機按 W5 級標準進行維修保養(yǎng)(維修前各運行約 5800h，維修時2個缸蓋由于排氣閥座磨損超出缸蓋修理極限，更換了缸蓋)，9月在柴油機完成 W5級維修復裝后使用約 60h 后，柴油機使用時無法起動，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn) 40 個氣缸的氣閥間隙均出現(xiàn)超差，38 個排氣閥座磨損超出氣缸蓋修理極限。

　　11 月更換 38 個新缸蓋后使用約 60h，再次出現(xiàn)大面積排氣閥座磨損，2次航行試驗均使用 0# 車用柴油。

　　第二次更換 9 個缸蓋后，某船使用 -10# 柴油進行航行試驗及后續(xù)任務，期間穿插使用 0# 車用柴油(以 10# 柴油為主)，截止 2020年12月已運行約 1000h(累計運行約 6900h)未再出現(xiàn)缸蓋排氣閥座異常磨損故障[1]。

　　二、柴油機閥座結構和工作環(huán)境

　　柴油機運行時，凸輪軸通過挺桿、搖臂機構驅(qū)動排氣閥按設定的氣閥正時打開，進行排氣，隨后在氣閥彈簧作用下關閉。

　　MTU956 柴油機設計時追求輕量化、高功率低密度，在缸蓋進、排氣閥座部位沒有鑲嵌硬質(zhì)耐熱合金閥座圈，閥座與缸蓋一體，均為鑄鐵材料;排氣閥裝有轉閥機構，氣閥每次開啟時受轉閥機構作用進行旋轉。

　　工作時受氣缸內(nèi)高溫燃氣和排氣氣流沖刷，排氣閥座表面溫度在 300~350℃左右。

　　氣閥在關閉落座時，會以一定速度拍打氣閥表面，柴油機轉速在 1455r/min 時，氣閥落座速度為 0.2m/s，沖擊727次/分 [2]。

　　排氣閥座表面工作時受高溫和高接觸應力沖擊作用，工作條件惡劣。

　　三、故障原因排查

　　1、修理工藝及過程排查

　　本次MTU 956氣缸蓋修理工藝規(guī)程中的檢查、整修過程與 MTU V956/1163 TB.2 維修手冊一致，氣閥安裝在閥座凸出量數(shù)據(jù)普遍在 4.80~5.10 mm(極限標準為3.0 mm), 復裝質(zhì)量滿足MTU V956/1163 TB.2 維修手冊要求[3]。

　　且首次故障發(fā)生后，更換38個新的缸蓋后運行60h 左右，再次出現(xiàn)了缸蓋閥座異常磨損問題，因此排除修理不當導致故障的可能。

　　2、缸蓋產(chǎn)品質(zhì)量排查

　　1)產(chǎn)品制造與裝配記錄檢查

　　復查本次故障機器相關零部件檢驗和裝配檢驗記錄，首次故障的缸蓋原始記錄氣缸蓋水腔、氣腔、閥座尺寸檢查合格，進排氣閥與閥座貼合檢查合格;缸蓋密封性檢查，氣閥座深度，氣缸蓋完整完整性等記錄進行排查，零部件裝配質(zhì)量滿足技術要求。

　　2)缸蓋氣閥材料性能排查

　　首次故障發(fā)生后，抽取排氣閥座磨損較嚴重的 A1、B6 缸，委托上海機械工程學會失效分析專業(yè)委員會對排氣閥、閥座工作面進行硬度檢測，對閥座工作面進行金相檢測。

　　氣閥材料性能。

　　MTU956 柴油機排氣閥圖號為 580 053 02 05，硬度要求≥ 280HB(折合洛氏硬度為 29.2HCR，HB 與 HV 值相近)，A1 缸、B6 缸排氣閥硬度值如表1所示，氣閥硬度遠大于氣閥硬度要求大于值，但符合氣閥技術文件要求。

　　

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　　缸蓋材料性能。

　　MTU956 柴油機缸蓋圖號為：

　　580 016 10 01，技術文件要求金相組織為珠光體基體，珠光體大于 95%;

　　硬度要求為200~260HB(199.5~262.5HV，HB=(HV+10.5)/1.05)，A1 缸、B6 缸排氣閥座硬度結果如表2所示，實測缸蓋閥座硬度部分測點略高于設計要求值。

　　

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　　上海機械工程學會失效分析專業(yè)委員會出具的排氣閥、閥座分析結果顯示：

　　1)排氣閥的密封面表面硬度(距表面 0.1 mm 處)和硬度梯度比較均勻。

　　2)排氣閥座和進氣閥座的硬度梯度沒有明顯差異，由于基體中含有石墨，所檢硬度有波動，屬正?，F(xiàn)象。

　　3)排氣閥座和進氣閥座工作面的金相組織均為珠光體 + 少量鐵元素 + 極少量碳元素。

　　檢測結果顯示排氣閥常溫硬度滿足要求，排氣閥座部分測點硬度略大于要求值，金相組織均滿足要技術要求。

　　3、氣閥傳動機構

　　氣閥與閥座之間的拍擊力取決于氣閥落座速度，而落座速度受凸輪軸進排氣閥凸輪型線影響。

　　且根據(jù)第三次更換缸蓋后柴油機運行約 1000h 無異常，排氣閥座異常磨損消除，因此基本排除氣閥傳動機構及凸輪軸引起缸蓋閥座異常磨損的可能 [4]。

　　4、轉閥機構檢查

　　在 W5 維修中，工廠對氣缸蓋轉閥機構均進行檢查，運轉正常。

　　且在首次故障后，更換 38 個新的缸蓋總成，仍短期出現(xiàn)大批次缸蓋磨損故障，因此基本排除轉閥機構導致故障的可能。

　　5、使用條件排查

　　1)使用工況排查

　　查看 W5 保養(yǎng)后到首次故障發(fā)生前，及更換新缸蓋到第二次故障發(fā)生前的柴油機使用工況，均未發(fā)現(xiàn)有超工況使用的情況，且在 W5 保養(yǎng)前及第二次故障更換為 -10 柴油后的使用過程中未在出現(xiàn)大范圍缸蓋異常磨損問題。

　　基本判定，使用工況對閥座磨損會有影響，但不是導致本次故障的直接原因 [5]。

　　2)滑油質(zhì)量排查

　　MTU956 柴油機設計在進氣管有潤滑泵 , 可潤滑進氣閥 , 檢查油泵工作正常 , 進氣閥座無異常磨損情況 , 可以排除潤滑質(zhì)量問題。

　　3)燃油質(zhì)量排查

　　該船在 W5 維修后使用燃油為 0# 車用柴油，且未使用添加劑，符合GB19147-2013 要求，但硫含量過低(≤ 10 mg/kg)，不符合 MTU 技術規(guī)范要求[4]。

　　四、故障機理分析

　　1、添加劑成分測試

　　委托中國科學院蘭州化學物理研究所分析對添加劑進行分析，LUBRIZLO®ADX766M 柴油添加劑為鉀鹽和溶劑的混合物，其中固體物質(zhì)為多庫酯鉀，溶劑為 200#脂肪烴類的溶劑油。

　　2、送檢方案和排氣閥密封面檢測

　　委托中國科學院蘭州化學物理研究所排氣閥密封面進行 SEM 形貌和 EDS 成分分析，選取 4 種情況的排氣閥進行送檢情況，如表3所示。

　　

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　　3、閥座表面的磨損機理

　　對故障排氣閥、閥座密封面進行 SEM 觀察和成分分析發(fā)現(xiàn)，排氣閥密封面表面粗糙，有缸蓋基體黏著現(xiàn)象，缸蓋閥座密封面平整，鑄鐵基體有塑性流動和黏著撕裂現(xiàn)象。

　　排氣閥未發(fā)生磨損，發(fā)生異常磨損零件為缸蓋排氣閥座 [6]。

　　956 柴油機缸蓋為特種合金鑄鐵，自身耐磨性較差，在缺乏表面膜保護的條件下，金屬直接接觸產(chǎn)生的切向應力使其基體快速疲勞剝落產(chǎn)生磨損;

　　同時，由于氣閥與閥座的硬度差值匹配不合理，氣閥硬度較高，進一步加劇磨損。

　　4、密封面表面抗磨層抗磨機理

　　根據(jù)上述檢測結果，4 種方案中密封面表面抗磨層的主要成分為無定型碳，燃燒后的大顆粒物在閥座表面形成抗磨層將排氣閥和閥座的密封面隔開，通過避免密封面的直接接觸，減少黏著磨損來抑制磨損。

　　5、密封面表面抗磨層的形成與移除使用情況

　　根據(jù)陜西柴油機重工有限公司提供的參考資料《Valve Seat Recession–An Independent Review of Existing Data》，結合閥座磨損歷次故障情況，及表面膜的形成機理可以看出，密封面表面膜屬于一種動態(tài)消耗膜 [7]。

　　低工況時表面膜形成速率>移除速率，對排氣閥組保護能力加強;

　　高工況下形成速率<移除速率，對排氣閥座保護能力逐漸下降。

　　可以解釋為何該船在柴油機 W5 保養(yǎng)前數(shù)千小時未故障，而修理后 60 h 迅速重復出現(xiàn)故障的現(xiàn)象是由于前期出廠試驗期間使用高硫燃油及添加劑，試航期間使用高硫燃油形成了一層較為縝密的保護膜，對閥座進行了保護。

　　據(jù) 2 臺 956 柴油機歷史使用狀態(tài)，該柴油機在陜西柴油機重工有限公司出廠試驗階段以添加抗磨劑的 -10#柴油為燃料運行了約 50h，航行至三亞前又以 -10# 柴油為燃料運行了約100h，結合分析結果，說明在三亞應用0#車用柴油前，排氣閥座密封面已形成了致密表面保護膜。

　　因此在三亞航行約 5000h 內(nèi)，未發(fā)生異常磨損。

　　本次 W5 維修過程中對排氣閥及閥座進行了修整，造成上述表面膜被移除，而維修后又使用了 0# 低硫車用柴油運行，沒有形成表面膜，引發(fā)了后續(xù)閥座異常磨損的發(fā)生。

　　五、結 語

　　根據(jù)故障原因分析和該型柴油機使用的現(xiàn)狀 , 提出以下建議措施：

　　結合故障原因分析及前期燃油調(diào)研情況，使用硫含量大于 500mg/kg 的高硫油可以在不改變和增加任何設備的情況下，解決排氣閥座異常磨損故障 , 需在使用前測定柴油滿足硫含量大于 500mg/kg 的要求;

　　通過在柴油機艙內(nèi)設置抗磨添加劑存儲添加裝置可實現(xiàn)對日用燃油艙自動加注添加劑，滿足推進柴油機的使用要求;

　　從長遠徹底解決閥座磨損問題角度出發(fā)，則需要提升缸蓋排氣閥座的耐磨性。

　　氣缸蓋一般均采用嵌套式閥座，來提高氣閥、閥座的耐磨性和使用壽命 , 建議國內(nèi)柴油機研究所或柴油機廠家開展缸蓋改造方案研究，完成新型缸蓋研制生產(chǎn)，且氣缸蓋改進設計方案有成熟應用，改進設計技術風險可控。

　　

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　　參考文獻：

　　[1] 孫建新 . 船舶柴油機 [M]. 北京 : 人民交通出版社 ,2006.

　　[2] 黃少竹 . 現(xiàn)代船舶柴油機故障分析 [M]. 大連 : 大連海事大學出版社 ,2025.

　　[3] 德國 MTU 公司 .MTU20V956TB92 柴油機使用說明書 [M].陜西 : 陜西柴油機重工有限公司出版 ,2012.

　　[4] 德國 MTU 公司 .MTU20V956TB92 柴油機公差和磨損極限[M]. 陜西 : 陜西柴油機重工有限公司出版 ,2012.

　　[5]德國MTU公司.MTU柴油機液體和潤滑劑技術規(guī)范:A001061/30ct[S].2005.

　　[6] 李斌 . 主推進動力裝置 [M]. 大連 : 大連海事大學出版社 ,2012.

　　[7] 高希復 . 柴油機強度 [M]. 大連 : 大連海運學院出版社 ,1988.

　　原創(chuàng)作者系：

　　廣州華南船舶修造廠 陳日權