某型柴油機(jī)排氣管裂漏故障原因分析及改進(jìn)措施

于寶仲 楊濤

摘要：文章通過對(duì)某型柴油機(jī)排氣管裂漏故障的分析，列出了柴油機(jī)排氣管裂漏現(xiàn)象的各種原因，就其實(shí)際運(yùn)用狀態(tài)說明導(dǎo)致排氣管裂漏發(fā)生的主要原因，提出了改進(jìn)和優(yōu)化措施，并提出了運(yùn)用方面的一些建議。

關(guān)鍵詞：排氣管;裂漏;分析;改進(jìn)

1? 故障描述

裝用在我公司某型號(hào)柴油機(jī)的國產(chǎn)化排氣管，在機(jī)務(wù)段運(yùn)行30萬公里左右，陸續(xù)出現(xiàn)了裂管、冒黑煙現(xiàn)象。經(jīng)過對(duì)故障件進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)排氣總管及波紋管法蘭與管體之間的環(huán)焊縫根部發(fā)生裂損，部分后端單節(jié)裝配擋圈松脫。通過對(duì)故障件解剖檢查，發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫有貫穿性裂紋或斷裂現(xiàn)象。

2? 排氣管技術(shù)要求

2.1 主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)

波紋管單節(jié)裝配技術(shù)參數(shù)：

最大軸向位移：9.5mm。

最大徑向位移：1.2mm。

工作最高溫度：最大工作溫度：621℃。

換算成常溫，規(guī)定位移量，疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)≥18000次。

2.2 排氣總管技術(shù)要求

使用E347（ER347）和E309（ER309）焊絲。

在138kPa下進(jìn)行壓力試驗(yàn)或等同測試。

去除裝配內(nèi)部所有焊渣和異物。

2.3 排氣管安裝要求

安裝說明：①用4個(gè)M12螺栓將排氣支管法蘭安裝到氣缸蓋上，通過支管墊片達(dá)到密封效果;②將排氣總管墊片安裝于排氣總管法蘭的密封槽內(nèi);③收緊管卡螺栓，使排氣總管和波紋管法蘭面對(duì)中、貼合，壓緊位于總管密封槽內(nèi)的總管密封墊達(dá)到管路密封效果。

3? 排氣管裂損位置分布統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)120余件故障排氣總管裂紋位置進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)裂損位置呈現(xiàn)如下規(guī)律：

左端法蘭焊縫裂損位置集中于8至12點(diǎn)（排氣管上部靠機(jī)車中心側(cè)）;

右側(cè)法蘭焊縫裂損位置集中于12至4點(diǎn)（排氣管上部靠機(jī)車中心側(cè)）。

4? 故障原因分析

通過對(duì)排氣管運(yùn)用狀態(tài)及故障現(xiàn)象、故障件解剖檢查、故障趨勢及裂紋位置統(tǒng)計(jì)等進(jìn)行分析，確定了下述4種原因可能導(dǎo)致故障問題的發(fā)生，并相應(yīng)進(jìn)行追溯、計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 排氣總管、波紋管母材強(qiáng)度不足導(dǎo)致運(yùn)用中裂損

經(jīng)檢查母材材質(zhì)證明，材料牌號(hào)和強(qiáng)度滿足技術(shù)要求;通過對(duì)故障件解剖檢查和跟蹤統(tǒng)計(jì)，裂損均發(fā)生在法蘭環(huán)焊縫上，未發(fā)現(xiàn)母材屈服或斷裂的現(xiàn)象。故可排除因母材強(qiáng)度不足造成運(yùn)用中開裂的可能性。

4.2 焊材及焊接參數(shù)選用不當(dāng)造成運(yùn)用中損壞

國產(chǎn)排氣管生產(chǎn)前，嚴(yán)格按EN 15085標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)其使用的焊材和焊接參數(shù)進(jìn)行了工藝評(píng)定，經(jīng)評(píng)定焊材符合圖紙要求，焊接參數(shù)設(shè)定合理;焊縫100%探傷檢查，并對(duì)故障件的焊縫進(jìn)行解剖檢查，亦未見導(dǎo)致裂紋的焊接缺陷。因此可排除因焊材及焊接參數(shù)選用不當(dāng)造成運(yùn)用中損壞的可能性。

4.3 焊接設(shè)計(jì)不合理造成運(yùn)用中損壞

4.3.1 進(jìn)口件和國產(chǎn)件法蘭焊接焊縫設(shè)計(jì)分析

①進(jìn)口件法蘭環(huán)焊縫設(shè)計(jì)為RSEW圓周滾焊縫，其焊縫受力均勻，但要求加工設(shè)備功率較大，國內(nèi)暫無法滿足該焊縫加工條件，且該類型焊縫的焊接缺陷很難通過非破壞性方法進(jìn)行檢驗(yàn)，缺陷不易檢出。

②國產(chǎn)件焊接前進(jìn)行工藝分析，并結(jié)合國內(nèi)生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)排氣管法蘭焊縫為a1.5角焊縫，此焊接方法工藝成熟，可操作性強(qiáng)，易通過非破壞性方法檢測焊接缺陷。其他同類產(chǎn)品采用該焊接方法焊接制造，從未發(fā)生過類似故障。

產(chǎn)品焊接后嚴(yán)格按技術(shù)要求100%進(jìn)行無損檢測和氣密性試驗(yàn)，確保產(chǎn)品密封無泄漏準(zhǔn)予出廠。

4.3.2 故障件焊縫宏觀金相檢驗(yàn)

經(jīng)對(duì)返回的故障排氣總管進(jìn)行解剖和宏觀金相分析，法蘭與總管之間焊腳高度符合圖紙要求，根部熔合狀態(tài)良好。

4.3.3 焊縫應(yīng)力分析

經(jīng)對(duì)國產(chǎn)排氣管法蘭環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)位于法蘭環(huán)焊縫處的Y和Z方向的最大剪切拉應(yīng)力和最大剪切壓應(yīng)力對(duì)焊縫強(qiáng)度有較大影響。其中：

最大剪切拉應(yīng)力為181.727MPa;

最大剪切壓應(yīng)力為170.093MPa。

該殘余應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，且在焊接完成后對(duì)其進(jìn)行整體精加工可一定程度地消除該焊接應(yīng)力。

4.3.4 焊縫強(qiáng)度破壞性試驗(yàn)

按有限元分析的應(yīng)力載荷形式，分別對(duì)選取進(jìn)口件和國產(chǎn)排氣總管法蘭環(huán)焊縫進(jìn)行壓力破壞性對(duì)比檢測（具體見表1）。

4.3.5 小結(jié)

通過上述對(duì)焊縫質(zhì)量的分析驗(yàn)證表明，國產(chǎn)排氣管焊接制造工藝可操作性和可檢測性優(yōu)于進(jìn)口件，且按要求進(jìn)行了無損檢測和氣密性試驗(yàn)，出廠質(zhì)量滿足焊接設(shè)計(jì)要求;經(jīng)焊縫宏觀金相檢查、有限元分析和破壞性試驗(yàn)驗(yàn)證，國產(chǎn)件焊接設(shè)計(jì)強(qiáng)度可以滿足技術(shù)要求（焊縫強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度）。國產(chǎn)排氣管焊接設(shè)計(jì)不合理造成運(yùn)用損壞的可能也基本能夠排除掉。

4.4 排氣管受力異常或運(yùn)用負(fù)載超過設(shè)計(jì)要求造成運(yùn)用中損壞

根據(jù)排氣管裝配結(jié)構(gòu)和運(yùn)用情況，排氣管法蘭焊縫同時(shí)受到如下應(yīng)力綜合作用：

①管卡施加的夾緊應(yīng)力;②機(jī)車運(yùn)行時(shí)的沖擊振動(dòng)應(yīng)力;③機(jī)械熱膨脹應(yīng)力等。

4.4.1 管卡施加的夾緊應(yīng)力分析

排氣總管安裝時(shí)，管卡螺栓收緊使管卡產(chǎn)生徑向收緊力并沿圓周方向施加于總管和波紋以及法蘭上，并通過法蘭的20°錐面將該力轉(zhuǎn)化為沿管路軸向的拉力，使總管與波紋管安裝面貼合;通過法蘭槽內(nèi)的密封墊達(dá)到所需的密封效果;同時(shí)法蘭焊縫處也會(huì)產(chǎn)生一定的反向力矩。

通過分析，排氣總管法蘭錐面在裝配過程中會(huì)受到較大的夾持應(yīng)力和一定的反向力矩，該應(yīng)力作用于法蘭環(huán)焊縫根部，如錐面配合不良將進(jìn)一步加劇該應(yīng)力。

進(jìn)一步對(duì)裂漏位置的查看，裂漏位置分布與管卡收緊力方向及位置一致，說明該收緊力在排氣管法蘭的圓周方向上分布是不均勻的，同時(shí)機(jī)車維護(hù)時(shí)收緊力過大，將使這一情況更加嚴(yán)重。由于管卡對(duì)法蘭的夾持力過大，會(huì)使環(huán)焊縫處的反向力矩相應(yīng)增大，在機(jī)車運(yùn)用中，該應(yīng)力不斷釋放，最終會(huì)造成焊縫位置開裂。

4.4.2 機(jī)車運(yùn)行時(shí)的沖擊振動(dòng)力分析

機(jī)車運(yùn)行時(shí)的沖擊振動(dòng)將會(huì)使管路產(chǎn)生一定的應(yīng)力，該應(yīng)力也將作用于法蘭焊縫根部，但振動(dòng)沖擊力可以被波紋管進(jìn)行有效地補(bǔ)償。

4.4.3 機(jī)械熱膨脹作用力分析

機(jī)車運(yùn)用過程中柴油機(jī)的熱量會(huì)導(dǎo)致排氣總管金屬產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力，該應(yīng)力將集中作用于管路系統(tǒng)中受約束的位置（排氣管與波紋管連接處和排氣管與缸體連接處）。因此柴油機(jī)設(shè)計(jì)安裝了波紋管用于管路的熱補(bǔ)償，從而消除這部分應(yīng)力對(duì)總管的影響。

波紋管補(bǔ)償量設(shè)計(jì)要求：在最高工作溫度621℃條件下，最大軸向位移9.5mm、最大徑向位移1.2mm。本公司波紋管供貨前和批量裝車前已通過如下驗(yàn)證試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)存在補(bǔ)償量不足問題。該波紋管已按Q/CR582.3-2017《機(jī)車、動(dòng)車用柴油機(jī)進(jìn)排氣波紋管組件》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行位移和疲勞壽命試驗(yàn)，并與柴油機(jī)配套進(jìn)行了1100小時(shí)臺(tái)架試驗(yàn)，完全符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

4.4.4 小結(jié)

通過對(duì)排氣管的應(yīng)力分析，管路安裝時(shí)較大的管卡夾緊力會(huì)對(duì)排氣管法蘭焊縫產(chǎn)生較大的應(yīng)力和反向力矩;機(jī)車運(yùn)用時(shí)的沖擊振動(dòng)、熱膨脹變形加劇了焊縫的受力，特別是機(jī)車在超負(fù)荷運(yùn)用和維護(hù)時(shí)過大的管卡收緊力更加劇了這一受力，該應(yīng)力和過高溫度影響的持續(xù)累積可能會(huì)使焊縫產(chǎn)生疲勞裂紋和斷裂現(xiàn)象。

5? 故障根本原因

①通過分析，國產(chǎn)排氣管法蘭焊縫在裝配過程中會(huì)存在一定的應(yīng)力集中和反向力矩，同時(shí)實(shí)際運(yùn)用負(fù)荷下的熱膨脹、振動(dòng)沖擊應(yīng)力和高溫影響及維護(hù)時(shí)過大的緊固力矩等綜合因素作用下，排氣管的受力條件發(fā)生進(jìn)一步惡化，當(dāng)該應(yīng)力達(dá)到或超過波紋管的設(shè)計(jì)補(bǔ)償量及法蘭焊縫設(shè)計(jì)承載力時(shí)，焊縫區(qū)域的材料喪失進(jìn)一步承受載荷的能力而產(chǎn)生裂紋源，隨著機(jī)車運(yùn)用約30萬公里，焊縫出現(xiàn)疲勞裂紋并擴(kuò)展，最終造成貫穿性裂紋或斷裂。

②后端單節(jié)裝配故障模式與其它排氣總管焊縫裂紋不同，主要是因?yàn)閾跞εc管體段焊長度不足，經(jīng)運(yùn)行振動(dòng)和熱交變影響造成擋圈松脫，后續(xù)擋圈在總管端部發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，與總管和法蘭連接焊縫發(fā)生接磨。

6? 改進(jìn)及優(yōu)化措施

針對(duì)排氣管故障的根本原因，確定如下改進(jìn)優(yōu)化措施：

①對(duì)新造排氣管的法蘭與管體焊縫的焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，在法蘭與管體內(nèi)側(cè)或端部增加一個(gè)半V形焊縫，進(jìn)一步提高法蘭與管體的連接強(qiáng)度，工藝上明確規(guī)定焊縫的起、收弧位置，提升焊縫對(duì)反向力矩的抵抗能力，從而進(jìn)一步延長排氣總管和波紋管的使用壽命;單節(jié)裝配增加總管擋圈段焊的數(shù)量和焊縫長度（由4段增加為6段），避免因運(yùn)行震動(dòng)和熱交變?cè)斐蓳跞λ擅摰娘L(fēng)險(xiǎn)。

②增加排氣管成品法蘭位置度測量胎具，100%對(duì)法蘭位置度進(jìn)行出廠檢驗(yàn)控制。

③為降低質(zhì)量損失和使用成本，經(jīng)過分析試驗(yàn)，發(fā)生故障的排氣管均為法蘭焊縫出現(xiàn)裂紋，母材狀態(tài)良好，可對(duì)其進(jìn)行返修后作為服務(wù)備件使用。對(duì)原有法蘭及裂損的焊縫進(jìn)行切除，重新制作加厚新法蘭，將法蘭與總管連接的角焊縫改為對(duì)接全熔透焊縫。

④對(duì)波紋管波形進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高其位移補(bǔ)償量和疲勞壽命的技術(shù)性能指標(biāo)，進(jìn)而適應(yīng)機(jī)車的實(shí)際運(yùn)用工況。

7? 結(jié)束語

通過對(duì)排氣管進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，排氣管的焊縫質(zhì)量和使用壽命得到了較大的提高，后續(xù)未發(fā)生大批量排氣管焊縫裂紋故障問題。同時(shí)，我們認(rèn)為應(yīng)注重排氣管裝配過程的力矩控制要求，機(jī)車運(yùn)用過程要避免超負(fù)荷工作，嚴(yán)格按修程技術(shù)要求做好維護(hù)工作，這些措施都能夠極大的減少排氣總管裂漏現(xiàn)象的發(fā)生。

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