一例船用柴油机气门烧蚀故障的分析与处理

介绍 B &W - 6 L90 GBE 船用柴油机排气门烧蚀的现象和故障排查过程 ,分析认为 ,装配的喷油泵柱塞偶件尺寸错误是造成气门烧蚀事故的根本原因 ,应加强对备件的管理和使用。 

天禧轮主机采用 B&W-6L90GBE ,为6缸直列二冲程直流扫气柴油机 , 额定功率12789kW。

排气门采用带阀壳的液压气门机构 ,气门开启由驱动液压油控制 ,关闭依靠空气弹簧装置。

排气门材料为镍铬钢。

航行中主机2缸与其他缸排气温差逐渐增加 ,并存在间断性的敲击声。

在采取主机降速 ,顺风航行或短时停油时,敲击声减弱或暂时消失。 

另外在燃烧开始前后可以听到高速气流从缸内溢出的声音,由此判断排气门漏气。

拆卸排气门发现烧蚀严重,排气门面有两处贯穿密封面的裂纹, 已经烧穿,排气门杆已经报废,排气门壳有一处较深烧蚀痕迹。 

引起排气门密封面烧蚀的根本原因在于缸内 高温燃气的冲刷作用。

柴油机燃烧最高温度可达1700℃,远高过活塞、缸套及缸盖等燃烧室部件的金属熔点,但由于高温作用时间短以及燃烧室部件表面边界层的保护作用,部件不会出现熔化。

只有发生爆振燃烧时,边界层被爆振波破坏,才会发生活塞等燃烧室部件被烧穿的现象。

同理,密封正常的排气门不会出现明显的烧蚀 ,只有在排气门密封不严造成高温燃气漏泄时,边界层被破坏 ,气门密封面局部过热,才会导致严重的烧蚀 (或称为吹蚀)。

研究认为,气门接触锥面密封失效的机理主要是由于材料的弹、塑性变形及材料滑移,形成疲劳微裂纹。

此外,高温下的蠕变和腐蚀气体加快了气门与气门座的磨损失效。

运行管理中的失误引起密封失效通常包括如下几个方面。

1) 由于气门盘与气门座冷却不均,气门间隙过大,缸内燃烧粗暴等造成气门与气座扭曲变形, 密封失效。

气门、气门座冷却不均,气门盘与气门座会因为局部过热产生翘曲、变形,导致密封不 严。

气门间隙过大,气门落座速度过大,气门与气门座撞击加重,气门盘与气门座材料产生滑移,导致密封不严。

当由于喷油过早等原因引起缸内燃烧速度加快,气门盘因为承受过高的燃烧压力,发生弹性和塑性变形,导致气门密封不严,且缸内燃烧温度上升会引起气门过热,导致气门烧损。 

2) 气门间隙过小,热车后因缺少足够膨胀空间,造成气门关闭不严产生漏气。

检测分析认为气门间隙正常,缸盖及气门无过热迹象,冷却水流动正常。

为判断是否因燃烧问题造成气门锥形密封面烧蚀,对各缸采集示功图并记录对应工况的排气温度和油门刻度,结果表明,在相同油门刻度下,2缸着火点提前,压力上升曲线陡峭,爆发压力高,排气温度低,怀疑2缸喷油过早。

询问轮机长得知,3个月前进行主机检修时,发现2缸使用的柱塞尺寸和形状不对, 故进行了更换,更换后的油泵柱塞与其他缸相同。 

又由于2缸更换柱塞前的排温和燃烧压力一直偏低,为此大管轮要求航修队将2缸的喷油定时前提了5°曲轴转角。

比较2缸与其他缸的柱塞尺寸和形状 ,发现2缸更换前的柱塞与其他缸的柱塞存在差异。

首先,2 缸更换前的柱塞直径和长度分别为 61.5 mm 和 612.5 mm ,其他缸的柱塞直径和长度分别为66.0mm和 679.5mm ,2缸更换 前的柱塞尺寸明显偏小。

其次,2缸的柱塞头部形状为终点调节式,其他缸的柱塞头部形状为始终点调节式。

依据上述两点差异,可以解释2缸更换柱塞后排气门出现漏气和烧蚀的原因:

当更换柱塞后,由于柱塞直径增加,长度增加,引起喷油定时提前,喷油初期油量增加,增加了缸内燃烧的剧烈程度;

柱塞头部更换为始终点调节式,则喷油定时随油量增加而提前;

航修队在更换柱塞的同时又调大了喷油定时。

以上因素叠加导致高负荷时燃烧压力和燃烧温度升高,长时间运转引起排气门漏气和烧蚀。 

找到故障原因,重新检测并调整喷油定时,对损坏的排气门和气门座进行更换,此后,排气门烧蚀现象未再出现。

END