6L48/60型主机排气阀破断故障分析关德林,魏海军(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116026)摘要:6L48/60型船用柴油机主排气阀运行中在距阀盘100mm的阀杆处发生完全破断。排气阀的材料为4Cr9Si2,用锻造工艺加工制造。对破断的排气阀进行了金相、断口及能谱(EDS)分析,结果表明,排气阀在运行过程中发生了热腐蚀,断裂方式为高温腐蚀疲劳破坏。断裂原因为阀体材料4Cr9Si2的抗热腐蚀能力较差,加速了疲劳裂纹的萌生与扩展。关键词:排气阀;断裂;疲劳;热腐蚀文献标识码:C:1001-8328(2004)04-0009-02:U664.33Abstract:One6L48/60exhaustvalvespindle,usedonmarineengine,hascompletelybrokenatstem,100mmfromdiskinoperation.Thevalvespindlewasmadeof4Cr9Si2byfogingtechnique.Ananalysishasbeenconductedbymetallograph,fractgraphandEDS.Itisconfirmedthatthecorrosionathightemperatureoccurredduringtherunningofvalvespindle,andruptureischaracteristicoffatiguefailure.Duetolowercorrosionresistanceathightemperatureof4Cr9Si2,thenucleationandpropagationoffatiguecrackwas天津某航运公司的MANBW6L48/60型船用柴油机主排气阀在运行中发生断裂,阀盘与阀杆完全分离,断裂后阀盘撞击到增压器上并将其损坏。造成较大的设备事故和经济损失。类似的情况在其他航运公司同类型的柴油机上也出现过。为了查明排气阀的化学成分为C0.45、Si2.5、Cr8.5、Mn0.60、P0.03、S0.025(Wt%),是典型的4Cr9Si2材料,组织为回火索氏体与少量碳化物,表明排气阀经过调质处理,硬度测量结果为HRC28。对裂纹的观察发现,裂纹在表面氧化皮处萌生,之后向中心部位扩展,裂纹尖端残留有氧化腐蚀产物。1.3断口分析用扫描电镜进行了断口分析,在断口上发现了明显的疲劳辉纹,表明排气阀为疲劳断裂破坏。同样的疲劳辉纹区可发现多处,说明疲劳裂纹在多处萌生,并以不同的路径同时向中心扩展,导致最终断裂。1.4EDS分析对于阀杆断裂部位表面的氧化腐蚀产物进行了原因,挽回损失,避免类似事故再次发生,排气阀进行了失效分析。对破断1实验结果1.1宏观观察断裂排气阀为旋转式,阀杆长1m,直径32mm,阀盘直径160mm,断裂位置为距阀盘约100mm的阀杆处,该处的阀杆直径为30mm,由于断裂后的撞击,阀杆与阀盘的断口已产生严重损坏,断裂部分表面呈黑褐色,局部有氧化皮脱落。1.2金相分析低倍观察表明,排气阀由锻造工艺加工制造,作者简介:关德林(19532),男,辽宁沈阳人,教授,博士生导师,主要从事故障诊断与失效分析方面的研究。疲劳扩展引起的,而疲劳裂纹的萌生则在阀杆的表面,且与阀杆表面的氧化腐蚀不无关系。材料的疲劳寿命主要取决于疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展时间,具有较高的疲劳裂纹扩展抗力和不易萌生疲劳裂纹的材料显然具有较高的疲劳寿命。疲劳裂纹的萌生与扩展除了受应力的影响,无疑还与环境介质密切相关。尽管关于疲劳裂纹萌生的尺度人们从物理学、冶金学和工程学角度进行了不同的界定4,但可以肯定的是阀杆表面氧化腐蚀过程造成的化学损伤会引起或加速疲劳源的形成,亦即缩短了疲劳裂纹萌生的时间,因为腐蚀性环境能以多种方式影响高温疲劳裂纹的形成机制5。另一方面,由于高温燃气对裂纹表面以及裂纹尖端力学行为的影响,也势必会影响裂纹的扩展速率。因此,在交变载荷与燃气腐蚀的运行条件下,要想提2讨论2.1排气阀的使用温度与热腐蚀通常排气阀是在不均匀的高温温度场中运行,阀盘温度一般不超过500～600℃1。远低于4Cr9Si2调质处理的回火温度(700～780℃),排气阀在使用后组织结构未发生粗化现象,以及硬度测量结果与材料原始硬度相同均证明了该排气阀的运行温度正常。然而,在排气阀表面形成的氧化物又与4Cr9Si2的抗高温氧化性能相矛盾。换言之,4Cr9Si2在低于600～700℃时是不应该出现氧化现象的。EDS分析结果对此给出了合理的解释,因为氧化腐蚀产物中含有较高的S、Na、V元素,所以可以认为排气阀除了在高温还在腐蚀介质条件下运行。众所周知,船用柴油机使用的劣质燃油中含有大量的硫,而海洋性环境中又含有钠,二者可以通过复杂的化学反应过程形成引起热腐蚀的Na2SO4。2NaCl+S+2O2+H2=Na2SO4+2HCl。Na2SO4的熔点为886℃,而Na2SO4与NaCl形成的共...