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排氣閥常見故障分析

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排氣閥常見故障分析

一、船舶柴油機排氣閥故障的原因分析

1．排氣閥的工作條件
船舶柴油機中排氣閥的工作條件十分惡劣，氣閥底面與高溫燃燒產(chǎn)物直接接觸，在氣閥開啟期間還承受著高溫（900～1000°C）和具有腐蝕性氣體的高速（達600m/s）沖刷，氣閥中心溫度高達700～800°C，在閥盤與閥桿過渡圓弧中段，溫度也有600～700°C，排氣閥工作溫度分布如圖1-1所示。材料發(fā)生熱變形。過高的溫度會使金屬材料的機械性能降低，材料發(fā)生熱變形。當閥面密封不嚴時，就會引起高溫度燃氣對閥面的燒損。氣閥落座時，閥與閥座的慣性力和彈簧作用力的共同作用下，還承受著相當大的沖擊性交變載荷，在氣閥出現(xiàn)跳動或氣閥間隙增大時，這種載荷會明顯增加。閥與閥座的撞擊，容易形成密封面的變形和嚴重的磨損。因船用柴油機絕大部分多為增壓柴油機，由于進氣道內(nèi)的新鮮空氣壓力阻止了從氣閥導(dǎo)管中獲得滑油的可能，因此，金屬之間易發(fā)生干摩擦。但在一般柴油機的氣閥以及增壓柴油機的排氣閥座合金面間總會布有一層滑油或煙油等潤滑物。此外，閥桿與導(dǎo)管間也會發(fā)生磨損，閥桿頂端受搖臂的撞擊與磨損。
2．附加因素的影響
由于燃油價格不斷上漲，航運市場競爭激烈，船東為了降低成本來達到提高競爭能力、獲得更多利潤的目的，均使用低價、劣質(zhì)的燃油。這些燃油的粘度高，滯燃期長，而且釩、鈉和硫的含量比較高。這種燃油在柴油機中燃燒時，渣油中所含的排放物（燃料灰份）僅僅有一部分與排出的氣體一起離開機器，而剩余部分仍然留在發(fā)動機內(nèi)一些高溫（497—797°C）的零件上。例如，排氣闊和活塞頂，形成沉積，造成所謂的“高溫腐蝕”。到目前為止，還沒有經(jīng)濟上合理的工藝過程能從渣油中除去腐蝕元素，連合金鋼和堆焊排氣閥鋼也受到燃油的腐蝕。
在柴油機運行中違反用車保養(yǎng)規(guī)定，低溫啟動柴油機，低溫強迫加載，柴油機氣缸燃燒溫度急劇變化，在柴油機負載狀態(tài)下，急劇變換手柄位，使柴油機氣缸燃燒狀態(tài)惡化，大量霧化不良的粗大重油粒子噴入氣缸，造成嚴重的后燃及不完個燃燒，嚴重積炭使排氣閥的閥線表面也被積炭污染，甚至造成主機的起動困難，這就成為下次主機開車不久后的油頭及排氣閥故障的隱患，因此這些操縱、保養(yǎng)柴油機的不良習(xí)慣也是引發(fā)柴油機氣閥故障的因素。
二、排氣閥常見故障分析
1．排氣閥燒損
排氣閥燒損是排氣閥zui常見故障。主要原因是排氣閥密封不嚴，造成高溫燃氣泄漏，使該處嚴重過熱，甚至熔穿金屬材料。造成排氣閥密封不良的原因主要有以下幾點：⑴由于閥盤不同部位的形狀、厚度不同，受熱、散熱條件不同，閥盤圓周上的溫度分布不均勻，中心溫度高于周邊溫度，造成氣閥閥盤徑向上的溫度差，過大的溫差將造成閥盤的變形從而導(dǎo)致漏氣的產(chǎn)生。⑵船用燃油中含有的雜質(zhì)在經(jīng)過燃燒室內(nèi)的各種復(fù)雜熱過程后在排氣閥閥盤及閥座密封錐面沉積成一層混有碳粒的玻璃狀較硬較脆物質(zhì)，其內(nèi)混有硫酸鈉、硫酸鈣、氧化鐵等物質(zhì)。當此層玻璃狀沉積物沉積厚度過大時，在閉閥時的撞擊力下會發(fā)生裂紋，反復(fù)撞擊后進而發(fā)展成剝落，從而形成高溫燃氣噴出通道使氣閥燒損。⑶普通排氣閥密封錐面在工作溫度下硬度并不是很高，沉積的硬質(zhì)燃燒產(chǎn)物顆粒在閉閥的撞擊下，可使密封面出現(xiàn)凹坑，從而形成漏氣。
2．排氣閥高溫腐蝕
目前在航運市場上普遍使用的劣質(zhì)燃油中含有大量釩、鈉和硫等元素。在燃燒過程中．硫、釩和鈉等元素形成氧化硫、五氧化二釩和氧化鈉等（這些氧化物的化學(xué)成份取決于過量氧氣和燃燒溫度）。氧化物之間要發(fā)生反應(yīng)，而且還要與滑油中的鈣反應(yīng)，形成低熔點的鹽類，有硫酸鈉，硫酸鈣和不同成份的釩酸鈉等。這些鹽類混合物熔點一般為535°C 左右，同時具有較強的腐蝕性。當零件溫度在550°C 以上時，足以使釩、鈉化臺物處于熔化狀態(tài)，附著于零件表面。當排氣閥在工作中時，由于排氣原因（氣閥溫度可達650—800°C 以上），使它以液態(tài)形成沉積在閥盤及閥座以及閥桿與閥面的過渡表面上。這時即使是非常耐腐蝕的硬質(zhì)合金鋼也會受到腐蝕，腐蝕結(jié)果在密封錐面上形成麻點、凹坑．凹坑相連就可能造成漏氣。由于上述腐蝕是高溫條件下產(chǎn)生的，所以稱之為“高溫腐蝕”。在上述高溫腐蝕的有害元素中以釩的危害性為zui大。
3．氣閥密封錐面磨損過快
在燃燒室內(nèi)的爆發(fā)壓力作用下閥座與閥盤都發(fā)生彈性變形，氣閥落座撞擊也會造成閥座及閥盤的彈性變形，這樣會使閥盤錐面反復(fù)楔入時，密封錐面產(chǎn)生相對運動，造成密封錐面磨損。氣閥間隙過大，閥盤與閥座剛度不足，氣閥與閥座材料性能達不到要求或不匹配，重油中含有較多的釩、鈉、硫等有害元素，高負荷運行或燃燒惡化，冷卻不良，閥桿與導(dǎo)管間隙過大，氣閥機構(gòu)振動使氣閥落座速度過大等，都能使磨損速率增大。
4．閥盤與閥桿斷裂
在閥盤與閥桿的過渡圓角處和閥桿裝設(shè)卡塊的凹槽處，由于這些部位應(yīng)力容易集中，當應(yīng)力集中到一定程度，就會發(fā)生疲勞斷裂破壞。造成斷裂的原因有：閥桿與導(dǎo)管的間隙過大；閥盤與閥座的變形使局部受力過大；氣閥間隙過大，敲擊嚴重疲勞破壞；氣閥機構(gòu)的振動。閥桿裝設(shè)卡塊的凹槽處是氣閥的zui薄弱部位，若該處凹槽加工工藝不良或閉閥沖擊力較重也會產(chǎn)生疲勞斷裂。
5．氣閥卡死
氣閥卡死主要是因為氣閥閥桿和導(dǎo)管之間間隙過小，當受熱膨脹后二者間隙過盈發(fā)生卡死現(xiàn)象。另一方面，當閥桿發(fā)生彎曲變形時也會使閥桿卡死在導(dǎo)管中。
6．氣閥彈簧斷裂
氣閥彈簧本身結(jié)構(gòu)不合理，內(nèi)部有缺陷，加工不合理或使用中發(fā)生了扭曲或達到疲勞極限在工作中均會導(dǎo)致斷裂。氣閥彈簧斷裂直接破壞柴油機正常工作，嚴重時，氣閥可能墜入氣缸。
三、船舶柴油機排氣閥的檢修
1．閥與閥座的主要維修技術(shù)
檢修前，測量氣閥底面與缸蓋底面的距離是否超過規(guī)定。若此值相差太大，則會影響柴油機的壓縮比以及使氣閥與活塞發(fā)生撞擊，所以必須更換氣閥座墊。檢修中，對長期工作后的氣閥應(yīng)進行以下測量：閥桿磨損后的圓度誤差和圓柱度誤差，此誤差可用外徑千分尺等測量檢查得到。當這兩項誤差超過與導(dǎo)管配合間隙極限50%時應(yīng)報廢更換；啟發(fā)錐面對閥桿外圓柱面徑向跳動量應(yīng)不大于0.003mm。否則應(yīng)報廢更換。檢查時將氣閥頂置于車床的主軸頭與尾頂針之間，兩頂針頂在氣閥原加工頂針孔中，將百分表座于拖板上，并使其表的觸頭與氣閥錐面接觸。氣閥轉(zhuǎn)動一周中，百分表的讀數(shù)變化zui大值即為徑向跳動。此時氣閥的夾持狀態(tài)就如上圖所示；對氣閥進行裂紋檢查，麻點和凹坑等檢查。閥桿外表面允許有10條之內(nèi)的且長度不超過20mm的發(fā)紋，對錐面及閥桿聯(lián)結(jié)鎖夾處應(yīng)進行磁力探傷檢查并消磁。有裂紋者應(yīng)以報廢處理。
（1）閥與閥座的焊補工藝
從主機上卸下來的排氣閥及閥座有很多油垢、麻點凹坑、燒蝕甚至燒穿，必須進行清理。清理工作可在車床上加工掉表面污物及原來的噴焊層（焊層的厚度可以從加工過程中噴焊層與母材的顏色不同，或車掉的鐵屑是片狀和絲卷狀判斷出來）。噴焊層較硬，其鐵屑為小片狀，而母材多為絲狀。對局部燒蝕嚴重的部位，用砂輪磨掉污物，經(jīng)著色探傷無裂紋后，可補焊。焊條可選用高鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條，含鉬時效果會更好一些，焊前一般需200°C ，預(yù)熱1．5 小時，施以小電流，多層多道焊，注意層間與道間溫度在200°C左右。對高出基體的部分用砂輪磨掉，著色探傷無裂紋后方可噴焊。
（2）閥與閥座的研磨工藝
對閥盤與閥座的研磨角度必須嚴格按說明書要求進行調(diào)整和測量。特別是閥桿密封面的研磨角度必須精心調(diào)整，在研磨前用千分表找正時，應(yīng)使千分表頂針對在內(nèi)接觸面的部位，圓周找正校準到砂輪與密封面全部接觸，要求其zui大偏差應(yīng)在0．05mm 以內(nèi)，此數(shù)值也是磨掉的zui大量。面的研磨標準是：研磨砂輪必須從整個密封面的寬帶和圓周上均勻地磨掉材料。在檢查閥桿的磨損層時應(yīng)先清潔閥桿；在圓周方向測量閥桿外徑，不超說明書規(guī)定的低限；檢查鍍鉻層的網(wǎng)狀裂紋情況，在靠閥頭部分鍍鉻層上有輕微的裂紋是允許的，但鍍鉻層決不允許出現(xiàn)脫皮現(xiàn)象。研磨后應(yīng)進行密封檢查：氣閥錐面上用軟鉛筆畫出等間隔線條，與閥座貼合，輕旋1/3周后取出。若發(fā)現(xiàn)每條鉛筆線均為中部相同位置被擦去，則表示密封良好。此外也可將氣閥裝置按規(guī)定組裝完畢后，從排氣道倒入煤油，觀察10分鐘后，若氣閥處無泄露油痕，也可說明密封良好。
2．其余缺陷及處理
（1）氣閥斷裂
氣閥斷裂的主要原因是由于氣閥上溫度分布不均勻而導(dǎo)致熱應(yīng)力過大，或閥盤（閥座）翹曲，使其承受了較大的的彎曲應(yīng)力。因此，在使用維護中，要嚴格保證閥桿與導(dǎo)管的配合間隙，磨損超差應(yīng)及時更換導(dǎo)管。因為過大的配合間隙會導(dǎo)致散熱不良，造成閥桿處漏氣，排氣閥閥桿處漏氣更容易造成滑油結(jié)焦使閥卡死；過大間隙還使氣閥橫向振動加劇，使閥盤與閥座密封面的滑移量增加，磨損加大；還可能造成氣閥單邊落座，這往往會造成閥盤與閥桿過渡圓角處斷裂。當然，導(dǎo)管與閥桿的間隙也不能過小，否則會導(dǎo)致氣閥卡阻。裝配時閥桿在導(dǎo)管中若能憑自重徐徐下降為好。長期工作磨損后，用手從側(cè)面推動閥桿，有搖晃、松動感覺，可判斷已超出磨損極限。
（2）氣閥彈簧缺陷的檢測與處理
檢修時應(yīng)注意對氣閥彈簧表面裂紋、銹蝕等缺陷的檢查。有裂紋者，報廢。銹蝕斑點應(yīng)用砂布修磨光潔，以免應(yīng)力集中。彈簧上平臺檢驗，發(fā)現(xiàn)彎曲與扭曲超差者，應(yīng)予更換處理。氣閥彈力不足，會造成氣閥關(guān)閉不嚴而引起漏氣。氣閥機構(gòu)傳動件脫離接觸，產(chǎn)生敲擊，導(dǎo)致磨損加劇。嚴重時可能導(dǎo)致彈簧鎖緊裝置脫落而發(fā)生重大事故。檢修時，應(yīng)取標準彈簧與之做相對變形量比較，超差者，應(yīng)予報廢。
四、結(jié)論
排氣閥是柴油機的重要組成部分，它的工作性能的好壞直接影響到主機的正常運行。因此，輪機管理人員必須對排氣閥工作予以極大的關(guān)注。要求做到以下幾點：
（1）航行時認真巡回檢查，注意排溫變化。要隨時注意排氣閥驅(qū)動機構(gòu)供油壓力。在外界海況和主機負荷不變的前提下，如某一缸的排煙溫度出現(xiàn)逐漸上升的趨勢、聲音異常等情況時，應(yīng)及時正確地判斷出故障所在，采取果斷措施，可有效地控制事故發(fā)生。
（2）平日要加強對噴油器的維護管理，確保噴油器工作正常。如果噴嘴霧化不良，吊出排氣閥時，明顯可以看到距噴嘴zui近的閥座內(nèi)側(cè)，成對角狀堆積了大量的結(jié)碳和沒燒盡的燃油的混合物，其表面成液態(tài)狀，且向下流到密封耦合面上，導(dǎo)致結(jié)碳，這些結(jié)碳，就是燒損閥的“罪魁禍首”，這兩處，就可能是閥被燒損的具體部位。
（3）輪機員必須嚴格按照船舶柴油機說明書要求，定期檢驗排氣閥。
（4）閥盤與閥座面上均堆焊有耐熱合金，一般厚度為3mm 左右，拆檢時按說明書要求進測量，當zui大研磨量Gt>2．0mm，氣隙G3≤O時此閥不能再用。
（5）為了避免在研磨時由于波動引起閥盤表面出現(xiàn)振顫的現(xiàn)象，應(yīng)盡可能不在船舶航行或拋錨時研磨排氣閥，如果條件允許，盡量在碼頭或?qū)I(yè)廠家進行研磨工作。
（6）主機間隔一段時間，在進出港機動用車時，換用輕油將燃油系統(tǒng)進行沖洗，有利于改善噴射泵和噴油器的工況，提高燃燒質(zhì)量。同時，輪機員要勤加注意燃燒室零件的冷卻，使零件溫度保持在550°C以下，但冷卻水溫度不能調(diào)得太低一面熱應(yīng)力過大發(fā)生裂紋

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