【船机帮】船用 MAN B&W 10L90MC主机缸头裂穿原因的探讨

2007年，我司管理的几艘5400TEU 第五代集装箱船舶的MAN- B&W10L90MC大型低速船用柴油主机, 总运行时间都在50000 小时左右, 频繁发生缸头裂穿现象。

例如 LH 轮, 主机 10 只缸头最近两年已有 9 只裂穿; 甚至一个中国至欧洲航次, 就有 3 只缸头裂穿。 

面对这种现象, 必须找出缸头裂穿的原因, 制定相应对策, 以保持这组船舶主机技术状况良好。

经过一段时间的观察和实践, 笔者对此有了比较深刻认识, 提出该类型主机缸头裂纹的原因和预防, 以及应急处理方法, 供参考。

金属构件裂穿, 有一个发生和发展的过程。

① 最初, 是因腐蚀、电化学腐蚀、机械应力、热应力等, 尤其是高温蠕变, 金相组织发生微观裂纹( 晶间裂纹和晶内裂纹) ; 

② 其后, 受上述因素影响, 微观金相裂纹逐渐增多、扩大、连通; 

③ 进而, 微观金相裂纹发展成为宏观裂纹;

④ 宏观裂纹继续发展, 直至金属构件裂穿。

1.裂纹的产生

这些主机缸头的裂纹, 部位十分相似, 都在缸头燃烧室顶部, 距油头喷油方向约100mm 处, 而且表面波纹状烧蚀痕迹明显, 见图1;

缸头裂纹比较细小, 见图 2。

严重的甚至已经烧蚀排气阀阀座。 

烧蚀, 意味着高温和氧化。 

(1) 超过蠕变温度的高温, 使构件某些元素析出, 某些金属晶粒变性: 晶粒收缩和某些元素析出, 产生晶间裂纹; 晶粒膨胀, 压碎周围晶粒或被周围晶粒压碎, 产生晶内裂纹。 

(2) 高温蠕变, 使金属材料永久变形。

这些永久变形加大金属构件的应力, 并产生应力集中点, 产生和发展裂纹。

(3) 氧化产生的金属氧化物, 不仅剥蚀部分金属, 而且这些热膨胀系数比金属大得多的氧化物, 在裂纹内高温膨胀, 加速已有裂纹发展, 产生更多新裂纹。 

可见, 裂纹的主要原因, 是烧蚀。 

2.裂纹的发展——裂穿裂纹的发展缓慢。

裂穿多发生在主机变速航行。

这时主机负荷变化大, 缸头温度变化和缸头各部分温差都大, 也就是热应力大, 易使原有的裂纹扩大而裂穿。 

可以说, 裂穿的诱因, 主要是主机负荷变化过快引起的热应力增大。 

例如CHH 轮120E 航次, 船过运河以后, 由于班期较松, 在抵科伦坡港前漂航4小时。

主机再次启动前冲车时发现 No.1 缸示功考克有水雾冲出。

打开该缸的扫气箱道门检查, 发现有少量水顺缸套壁流下, 基本可以断定该缸缸头已裂穿。 

3.裂穿后的现象 

裂穿初期, 淡水漏入气缸和燃气漏入缸头冷却水腔的量很少, 首先反映在排烟温度降低, 尚不足以导致主机冷却淡水的温度和消耗量异常变化, 甚至不会导致主机冷却淡水的压力波动 ( 还因为主机冷却淡水回水管路的透气管可以释放部分空气) 。 

随着裂缝增大, 漏泄量增多, 因为高压燃气通过裂缝进入冷却水腔, 影响缸套水泵吸入压力, 主机冷却淡水压力波动。 

另一个可观察到的变化, 是主机排烟烟色略微发白、厚重, 且在空中的维持时间较长。但如果较少观察主机排烟颜色, 很容易被忽略。

通过冲车能观察到示功考克有水汽冲出, 或者是打开该缸的扫气箱道门能检查出缸壁上有水或水迹。 

这时裂穿已持续了一段时间, 裂缝也比较大了。 

如果泄漏水量较大, 还可以从主机膨胀水箱的冷却水不正常的消耗量来发现。

但由于缸头裂穿最初体现为排烟温度降低和冷却水压力波动, 已经被发现并采取措施, 一般很少出现膨胀水箱冒泡的现象, 缸套冷却水耗量也到不了急剧增加的程度。

1.燃油雾化不良

如前述, 裂纹的主要原因, 是烧蚀。

而缸头烧蚀的原因, 则是喷油器长期技术状况不佳和燃油黏度高所导致的雾化不良。 

喷油器如图 3 所示。

图3

(1) 喷油器的 7 对密封面, 没有很好地研磨拆检 CHH 轮主机油头时发现, 油头的技术状况都不好, 雾化不良、滴油严重、雾化嘴积碳, 漏泄严重的甚至会导致油头不能正常喷油。 

手工研磨油头的这些密封面后, 工况有所改善, 但仍不能达到最佳技术状况。 

送厂修理后的油头, 经泵压检查, 工况也非最佳。 

重新解体检查, 发现厂家也没有仔细研磨这几对密封面。

(2) 雾化咀, 未及时更换雾化咀, 经受长期高温高压燃油和燃气冲刷, 喷孔变形和直径扩大。

而这些, 肉眼无法比较和判断, 船上又无专用的测量工具, 无法作出准确的判断。 

据我们的经验, 以及与厂家服务工程师交流, 油头保养周期为 4000 小时, 雾化咀最好换新, 以确保油头良好的雾化性能。

相关各轮都不同程度地存在为节约备件费而不肯及时更换喷油嘴的问题。 

节省备件而导致缸头等燃烧室部件的故障, 是件得不偿失的事情。

 (3) 燃油进机温度过低

合适的燃油进机温度是良好雾化的保证。 

经调查确认, 主机燃油进机温度, LH 轮是125℃, CHH 轮是122℃。

而IF380cst 燃油的加温要求, 是粘度12～14cst, 对应的温度为135℃左右, 当然还会因为油质不同而略有差异。 

过低的燃油加温温度, 直接导致燃油雾化不良, 加上雾化嘴的喷孔直径变大, 部分未经雾化的燃油被直接喷到缸头和排气阀座表面, 在此部位的表面直接燃烧, 烧蚀对应部位。

2.机动航行时的操作 

如前述, 缸头裂穿的另一主要原因, 是主机负荷变化过快引起的热应力增大。 

主机负荷变化过快引起的热应力, 可分为燃烧产生的热应力和冷却水温度变化产生的热应力等两种。

 (1) 燃烧产生的热应力

主机油门快速增加和减小, 缸内的温度短时间内大幅度上升或下降, 导致主机燃烧室部件温度变化过大, 热应力增加。 

进出港时, 往往没有足够的水深, 浅水效应明显, 主机扭矩大、油门大、转速低, 燃烧不良, 热应力增大。 

长期的交变作用, 引起金属的热疲劳, 导致缸头烧蚀产生的裂纹扩展。

 (2) 冷却水温度变化产生的热应力

主机变速航行, 会导致冷却水温度波动。

冷却水温度波动, 会增加缸头的热应力, 而促使裂纹发展。

CHH轮和LH轮的主机冷却淡水温度PID 调节器, 由于长期工作, 已偏离设计工况, 调节滞后、缓慢, 调节偏差大, 造成变速航行时冷却水温度波动幅度过大, 温差超过10～15 ℃, 无法保持主机冷却淡水温度在设定数值。

个别调节器的执行机构, 还会时常出现瞬时 卡阻, 出现调节滞后。

裂纹和裂穿的缸头, 最好送厂修理。

因为船上人力和资源有限, 难以保证修理质量。

送厂修理都要求恢复其原始尺寸。 

使用厂修后的缸头前, 需认真细致地检查和测量几个主要尺寸( 如油头孔的深度及角度等) , 以防使用中出现异常情况。

例如曾遇到过厂修后的主机缸头喷油器孔深度比原来大 5mm 左右, 导致改变雾化咀在燃烧室的位置, 从而影响该缸的燃油雾化和燃烧。 

遇到厂修质量问题, 要及时向船舶主管机务反映, 以便及时提醒有关厂家把好修理质量关。 

不可能或不必要送厂修理, 船员自修有两种方式。 

(1) 拆下修理

裂纹(未裂穿) 缸头拆下翻身, 清洁裂纹部位, 渗透探伤, 确定裂纹部位和形状, 然后做如下修理:

① 砂轮磨削, 打磨深度超过裂纹 2～3 mm, 打磨宽度约 2～3 mm, 打磨长度延伸到裂纹两端各 5～6 mm, 底部和两端尽量采用圆角过渡, 不必打止裂孔。 

② 打磨结束, 清洁打磨部位和燃烧室相关表面。

③ 打磨处及其周围适当的范围, 逐步均匀预热至约 200～250℃, 并适当采取保温措施。 

④ 焊接

★使用交流焊机。 

★焊接电流根据焊条的要求。 

★分层基础堆焊 2～3 层, 采用普通酸性钢焊条, 每层焊后清洁焊道表面, 并用尖头锤锤击以降低焊接应力。 

★最后一层焊接使用 OK4804 焊条; 表面允许稍 有突出, 不必磨平; 焊接后保温, 缓慢冷却, 同时敲击焊接面以消除热应力。 

⑤ 冷却后, 封住该缸头有关孔道, 灌水泵压 0.6～ 0.8 MPa 试漏。 

实践证明, 上述应急修理方法在一定程度上是可行有效的。

 (2) 机上就地修理 

如果时间、条件不允许, 可以吊出该缸的排气阀, 人从排气阀孔进入缸内焊补修理。

这样作业难度大, 修理的质量也难保证, 实为不得已之举。

船舶主机遇到类似问题的关键时刻, 为恢复主机运行, 现场管理人员应沉着冷静, 积极开动脑筋, 运用平时练就的过硬操作技能, 想尽一切有效可行的办法和措施进行临时性应急修理。

END