船舶柴油机气缸盖故障分析及预防措施

对于船舶柴油机而言，气缸盖是其所有零部件当中结构最为复杂的零件，且相比于其他零部件，气缸盖所承受的来自机械运转及热量所产生的负荷当属最高。

气缸盖的底部属燃烧室，其与燃气是直接接触的，由于船舶的航行，其同时受高温及高压的作用，且这种作用是周期性的。

另因气缸盖各部分所受到的高温及高压作用程度不同，导致其热应力作用效果不同，从而使得气缸盖极易出现裂纹。

裂纹是船舶气缸盖的主要故障之一，因此预防气缸盖产生裂纹也是保证柴油机安全运行的重要前提。

本文可作为船舶轮机管理的经验与借鉴，也可为主机厂的技术升级提供参考。

1.船舶柴油机气缸盖故障产生原因

船舶柴油机气缸盖不仅受到热应力的作用，同时因柴油机的运转需机械动力，其还受到机械应力的作用，所以导致船舶柴油机气缸盖出现故障的原因也是多方面的。

总体而言，船舶柴油机气缸盖出现裂纹的主要原因有以下几方面：

第一，热疲劳的影响。

从本质上而言，气缸盖底部出现裂纹是由于热疲劳的影响。

热负荷不断增加，附加拉伸应力也会不断加大，从而导致裂纹出现。

柴油机在工作的过程当中，气缸盖底部的温度高达400℃，但因底部是局部受热，因此其热膨胀会受到一定限制，在这种情况下就会自动产生一股压缩应力。

气缸盖所用材料可承受的温度为350℃，若超过此温度，其抗蠕变性能就会降低。

柴油机不断运行，其压缩应力不断降低，停车之后，气缸盖底部的温度就会下降，在恢复到室温之前，其压缩应力消失。

因此当温度降至室温时，受热面就会产生附加拉伸应力。

附加拉伸应力的大小就决定了是否会产生裂纹。 

若局部温度比允许值要高出很多，柴油机运行时间延长，那么所产生的附加拉伸应力就会越大，也就越容易产生裂纹。

若柴油机刚开始启动时其温度就达到最高，那么在历经“加热——冷却”的过程之后，因气缸盖的内外温差过大，其就极易立马出现裂纹；

但是，通常来说，船舶柴油机气缸盖都是在经历过多次“加热——冷却”的循环之后，因拉伸应力不断加大而最终导致裂纹出现的。

因此归根结底，船舶柴油机气缸盖因热疲劳影响而产生的裂纹一般来说都是自触热面开始，慢慢发展而出现疲劳破坏。

第二，机械应力的影响。

气缸盖水腔面出现的裂纹通常是自进水口入口处的承筋根部的过渡圆角开始，小的裂纹产生之后会以其为中心向圆周处扩展，然后顺着壁厚方向自水腔面延伸至燃烧室的壁面阁。 

此裂纹的产生是因爆炸压力引发的高频交变机械应力及热负荷所引发的低频交变热应力综合作用而出现疲劳损坏。

第三，热冲击的影响。

热冲击是指在急剧冷却或加热的过程当中，零件局部会出现剧烈的温度变化，导致该零件内部产生对温度波进行冲击的传播状态，同时出现动态热应力。

据试验证明：

若正常启动，气缸盖鼻梁处温度变化的频率最大为3.9℃／S；

若异常启动则为11.7℃／S。

由此可以看出，若异常启动，气缸盖所受热冲击影响就会越大。

柴油机的不断启停，气缸盖底部也不断受到冲击温度波的作用，这就使得气缸盖底部部件材料延性不断降低，最终脆化，导致气缸盖底部出现脆性破坏。 

第四，相关工作人员操作不当而导致。

相关工作人员操作不当会使得零件过热、温度过高，零部件所受机械应力及热应力超过允许值，从而导致零部件出现机械疲劳及热疲劳。

柴油机未预暖就启动或启动后加速过快，会使得气缸盖的与燃烧室接触面和冷却面之间的温差过大，导致热应力增加，从而加大气缸盖的热负荷。

另外，柴油机启动或停车过于频繁，超负荷运行时间过长都会导致柴油机各零部件所受机械负荷及负荷不断加大；

因润滑不良或是冷却中断，停车后将冷却水立即切断等都会使得气缸盖零件过热、各零件所受热应力加大，导致气缸盖出现热疲劳裂纹。

第五，缺乏日常维护及保养。

日常的维护及保养是延长机械使用寿命的重要工作之一。

若相关工作人员未依照说明书所述维护及保养方式对吊缸进行检修，就很难及时发现气缸盖所存在的安全隐患，自然也无法提前做好预防工作；

柴油机不断运行的过程当中，冷却水腔会因各种原因产生积垢，若相关工作人员未能及时对冷却水实施投药处理或是所采取的处理方式不当，零件的散热功能就会因积垢而受到影响，导致零件热应力加大；

进行气缸盖的安装时，若相关工作人员未依照说明书的相关要求进行操作，或是各螺栓之间所受力不均匀都会导致气缸盖的附加应力过大。

因此，相关工作人员在日常的工作及管理当中应严格按照规定对柴油机进行操作，同时做好日常维护及保养工作，避免因管理不善而导致零件因所受机械负荷或热负荷过大而遭到损坏。

2.船舶柴油机气缸盖故障判断

气缸盖是否存在裂纹可通过观察冷却水压力表指针是否摆动及水箱中水位是否波动或存在气泄、油渍等来判断，此外还可观察示功阀是否有冒烟或燃烧不充分等现象来判断。

总体而言，在航行的过程当中，若机器冷却水出现断续或是水中存在油烟，则可判断船舶柴油机气缸盖出现裂纹。 

1.船舶柴油机气缸盖故障预防措施

因气缸盖的结构相对复杂，再加上其同时承受机械应力及热应力的影响，导致气缸盖很容易出现裂纹。

气缸盖的完整直接关系到船舶的正常运行，为保证船舶的安全、正常航行，就必须采取相应的预防措施以尽量避免气缸盖出现故障，具体可从以下方面着手：

第一，改善气缸盖所用材质。

通过改善气缸盖所用材质可有效减少其产生裂纹。

若气缸盖直径不超过400mm，则其材质可选择灰铸铁；

若气缸盖直径超过400mm，由于灰铸铁无法长期承受大变形，因此其材质可选择球墨铸铁。 

第二，加强冷却气缸盖温度过高部位。

可在气缸盖的冷却水道当中加设挡水板，以此来增加水流的速度，此外还可根据需要加强引导水流，以保证水流可定向流动，对部分受热严重的零部件如排气门、喷油器等进行冲刷，以加强其冷却效果。 

第三，实施“薄避强背”措施。

实施“薄避强背”措施可充分发挥机械应力及热应力应有的作用。

通过调查可发现，近些年来，大多数中速柴油机的结构形式都是双层底气缸盖，其设计理念是将机械负荷及热负荷进行分离处理：

利用薄底板可加强冷却效果，从而有效降低底板的温差，即使用薄底板来对抗热负荷；

而针对顶面、中间阻隔及周壁则使用相对较厚的板，通过加强板的钢度来提高顶面 、中间隔板及周壁的抗机械负荷能力，这就是 “薄避强背”措施的工作原理。 

第四，尽量降低壁温。

降低壁温的方法有很多，在此可利用粗糙强化换热的原理来使壁温下降，即在冷却水侧壁加设凸柱，通过增加粗糙元的方法来干扰流体，同时将粘性底层进行破坏，从而使冷却水与壁面之间的换热热阻不断下降，以加强传热。 

第五，释放热应力。

若热应力过大是会导致零部件出现裂纹，因此在设计的过程当中还应充分考虑将热应力进行释放。

如为降低燃烧室壁的热应力，在设计的过程当中针对结构问题，气缸盖周围的束缚就不能过紧，要在气缸盖与缸套的定位凸肩处留有一定空隙；

又如为预防气缸盖阀门的过桥处出现裂纹，可在容易产生裂纹的地方将部分金属铣除，从而减少该处的集中应力，有效预防裂纹的产生。 

第六，提醒相关工作人员避免粗暴用车。

在日常工作当中，若操作不当，船舶柴油机气缸盖也很容易出现裂纹。

如柴油机冷车时未预热就启动、启动后立 即加速或加速过快都会导致气缸盖出现裂纹，因零件的受热及冷却液的升温都是需要一定时间的，若启动后立即加速或是加速过快，零部件内外壁温度过大，从而导致热应力也超出允许值，长期以往自然就会使气缸盖出现裂纹。

因此，必须提醒相关工作人员需待机器进行充分预暖之后再启动机器。

此外，启动机器之后不能立即加速或加速过快，要等到油温升到一定高度之后再将速度加快至全速动转状态。 

2.船舶柴油机气缸盖日常维护

在日常的航行过程当中，船舶柴油机气缸盖的维护主要是轮机人员需在气缸得到充分预暖之后再开始增加负荷，冷却水量的调节也需缓慢进行，以免出现“激碎 ”的情况，此外还要定期清理存于冷却空间的水垢及铁锈。

若裂纹出现可采取目测法、粉剂显痕法、荧光法、超声波控声法等进行检修。 

END