1. بيئة التشغيل من الصمامات والأسباب الرئيسية للكسر
تعمل الصمامات في محركات الديزل البحرية لفترات طويلة في ظل درجات الحرارة العالية وعالية الضغط. لذلك ، من الأهمية بمكان اختيار المواد المناسبة أثناء عمليات التصميم والتصنيع لضمان قدرتها على تحمل بيئات العمل القاسية هذه.
عند تشغيل المحرك ، يولد احتراق خليط الوقود الهوائي في الاسطوانة درجات حرارة عالية للغاية. تتعرض الصمامات لتأثيرات عالية السرعة من غازات العادم الساخنة ، مع درجة حرارة تصل إلى 700-900. على الرغم من أنه يمكن تبديد الحرارة جزئيًا من خلال أدلة الصمام والمقاعد على رأس الأسطوانة ، إلا أن تأثير التبريد محدود.
بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي الإدخال المفاجئ للهواء النقي إلى تبريد فوري للصمامات ، مما يؤدي إلى اختلاف درجة الحرارة يصل إلى {0}}. هذا التعرض المتناوب لدرجات الحرارة القصوى يؤدي إلى التعب وفشل الزحف ، مما يؤدي إلى تحلل الخواص الميكانيكية بشكل كبير وارتداء مقاومة الصمامات. علاوة على ذلك ، فإن الصمامات عرضة للتآكل في درجات حرارة عالية ، مما يؤدي إلى تشوه وفشل محتمل بسبب التسرب أو التكسير.
يولد توزيع درجة الحرارة غير المتكافئ داخل الصمام ، وخاصة في منطقة قرص الصمام ، حيث يمكن أن تصل اختلافات درجة الحرارة إلى 150-200 ، الضغوط الحرارية التي تسبب التشوه الحراري. يزيد نقل الحرارة السيئ هذا من درجة حرارة العمل في الصمام ، مما يخلق دورة مفرغة تزيد من تفاقم المشكلة. تحت الأحمال الثقيلة والتعرض طويل الأجل لدرجات الحرارة والضغوط العالية ، فإن السلامة الهيكلية للصمام تتعرض للخطر بسهولة ، مما يؤدي إلى مختلف القضايا المتعلقة بالفشل. في الحالات الشديدة ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى حوادث.
تتضمن دراسة حالة محددة محرك ديزل بحري فشل بعد تراكم 22،390 ساعة من التشغيل و 2،116 ساعة بعد إصلاح ما بعد. تم العثور على ذراع الروك من الأسطوانة A2 عازمة ومشوه ، وكسرت كل من صمامات المدخول والعادم. تحلل هذه الورقة الصمامات التالفة ، وتفحص تكوين المواد ومورفولوجيا البنية المجهرية ، وتوفر نظرة ثاقبة على أسباب فشلها بناءً على النتائج.
تحليل أوضاع فشل الصمام
يرتبط فشل الصمام ارتباطًا وثيقًا بآلية الصمام والمكونات المرتبطة به. استنادًا إلى خبرة واسعة ، تم تلخيص ظواهر الفشل المختلفة للصمامات ، ويتم تصنيف أوضاع الفشل الرئيسية على النحو التالي:
1. كسر الصمام
وهذا يشمل الكسور في مواقع مختلفة:
1) ** كسر أخدود القفل **: الكسور التي تحدث في أخدود القفل والمنطقة المحيطة بها.
2) ** الكسر في المفصل الملحوم بالاحتكاك **: يتجلى في اللحام الخاطئ ، أو اللحام غير المكتمل ، أو وجود مناطق اللحام الكراك بسبب اللحام والاحتكاك غير السليم. تحت الضغط العالي أثناء العملية ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى كسور.
3) ** كسر الجذعية **: الكسور التي تحدث على طول جذع الصمام.
4) ** قطرة رأس الصمام **: الكسور في رقبة الجذع ، مما يؤدي إلى انفصال رأس الصمام.
5) ** انخفاض كتلة الرأس **: الانفصال الجزئي أو فقدان الرأس على المستوى الكبير ، قوس الرقبة ، أو السطح المخروطي ، والذي يمكن تقسيمه إلى كسور شعاعي وكسور كتلة الوتر [3].
2. ارتداء صمام غير طبيعي
وهذا يشمل عدة أنواع من التآكل:
1) ** ارتداء السطح المخروطي المفرط **: التآكل المفرط لسطح المخروط بسبب الاحتكاك المفرط مع حلقة مقعد الصمام أثناء التلامس.
2) ** ارتداء السطح المخروطي غير المتكافئ **: تآكل غير متساو ناجم عن جلوس غير متساوية أثناء عملية الإغلاق.
3) ** ارتداء غير طبيعي في نهاية الجذعية الصمام **: مشاكل مثل التآكل المفرط أو الحفر في نهاية جذع الصمام أثناء الاستخدام.
4) ** ارتداء غير طبيعي على طول جذع الصمام **: التآكل المفرط ، التآكل غير المتكافئ ، أو الاستيلاء الناجم عن ملامسة غير طبيعية بين جذع الصمام وأنبوب التوجيه.
3. تشوه الصمام
يشير هذا إلى تشويه رأس الصمام الناجم عن عوامل مثل التأثير من الأشياء الخارجية أثناء حركة الصمام. كما يشمل:
1) ** تآكل السطح المخروطي **: بسبب عدم التوافق بين السطح المخروطي الصمام وحلقة مقعد الصمام ، مما يؤدي إلى ختم الأسطوانة الفقيرة. في هذه الحالة ، يتآكل السطح المخروطي والرأس بواسطة الغاز ، محمومة ، متصدع ، وأكسدة. يمكن أن يتسبب الاشتعال المبكر في الأسطوانة أيضًا في ارتفاع درجة حرارة وتآكل منطقة رأس الصمام.
2) ** تآكل السطح المخروطي **: التكسير والأضرار الناجمة عن تراكم الوسائط المسببة للتآكل من منتجات الاحتراق على السطح المخروطي وعنق رأس الصمام.
3) ** فشل طبقة السطح **: يمكن أن يؤدي تقنيات المعالجة غير السليمة والمعالجة اللاحقة أثناء السطح على السطح المخروطي أو نهاية قضيب إلى عيوب لحام مثل المسامية وتجويف الانكماش والتشقق واللحام الخاطئ ، مما يؤدي إلى فشل الصمام.
4) ** انخفاض الصمام **: يقع الصمام في الأسطوانة ويصبح غير فعال بسبب المشكلات مع المكونات الأخرى مثل ربيع الصمام ومقعد صمام ربيع العلوي ولوحة قفل الصمام.
5) ** إزالة حلقة المقعد **: يخرج حلقة مقعد المقعد من فتحة حلقة مقعد الصمام في رأس الأسطوانة أثناء التشغيل بسبب عوامل مثل التجميع والمعالجة والتعب الحراري.
4. أوضاع الفشل الأخرى
1) ** صمام الربيع كسر **: انهيار نوابض الصمام بسبب العيوب أو بنية غير معقولة.
2) ** تكسير رأس الأسطوانة **: تكسير وتسرب رأس الأسطوانة أثناء التشغيل بسبب سوء التبريد أو رواسب الكربون في الاسطوانة.
3) ** ذوبان تاج المكبس **: ارتفاع درجة حرارة وذوبان تاج المكبس أثناء الاستخدام بسبب ضعف نقل الحرارة ، أو رواسب الكربون في الأسطوانة ، أو حقن الوقود غير الطبيعية.
4) ** نوبة من العمود المرفقي **: الاستيلاء على المجلة بسبب التشحيم غير الطبيعي والاتصال غير المعقول.
5) ** اضطراب التوقيت **: أخطاء التوقيت الناجمة عن تشوهات في توقيت تروس أو أعمدة الكامات.
6) ** خلوص صمام غير طبيعي **: الخلوص الديناميكي المفرط بسبب التآكل غير الطبيعي لمكونات آلية الصمام.
7) ** فشل pushrod و tappet **: الكسر وتشوه pushrod و tappet أثناء التشغيل.
يوفر ما يلي وصفًا مفصلاً للتجول وأسباب أوضاع الفشل هذه ، ودعم الوقاية من الفشل وتحليل السبب.
ثالثا. اكتشاف تجربة فشل الصمام
خلال عملية البحث ، تم فحص مكونات الصمام المعيبة ، مع التركيز بشكل خاص على نهاية الرأس ونهاية القضيب (قسم العازمة) من STEM الصمام لتقديم وتحليل. تم تطبيق طرق التفتيش المختلفة بشكل شامل لتعزيز موثوقية النتائج.
1. نظرة عامة على العينات
تم تقديم أربع عينات للتفتيش:
- جذع صمام واحد سليم
- ينبع صمامان مكسوران
- رأس أسطوانة فاشل واحد
كما هو مبين في الشكل 6 ، أجريت تحليل المواد والفحص المقارن للظروف المورفولوجية والمعادن لأسطح الكسر لكل من الصمامات السليمة والفشل لدعم تحليل سبب الفشل وتكون بمثابة مرجع للكشف عن الفشل والوقاية منه.
تم تعريف القسمان من ساق الصمام الفاشلة على النحو التالي:
- ** القسم A (قسم سليمة) **: كان ساق الصمام سليمة على كل من الأمام والخلف.
- ** القسم B (القسم الفاشل) **: كان رأس الفطر لساق الصمام في المقدمة مفقودًا ، وكان الربيع والأكمام على ظهره غائبين أيضًا. كان ساق الصمام في القسم ب عازمة ، مكسورة ، واشتعلت داخل الأكمام. تم توضيح الشروط ذات الصلة في الشكل 4.
الشكل 4 عينة للتفتيش
2. أساس الفحص والمعدات
تم إجراء التفتيش وفقًا للمعايير التالية:
- طرق الفحص المعدني (GB/T 13298-2015)
- القواعد العامة للتحليل الدقيق لحزمة الإلكترون للعيوب في مواد الصلب (GB/T 21638)
تشمل معدات التفتيش المستخدمة:
- مجهر ستيريو لايكا M205A (SCW034)
- المجهر الضوئي Zeiss Axioplan2 (SCW026)
- JSM مسح المجهر الإلكتروني (SCW030)
3. نتائج التفتيش
في البداية ، تم إجراء فحص بصري. وقد لوحظ أنه داخل الفتحة التالفة على الجانب الأمامي من رأس الأسطوانة ، كان هناك ساق صمام مكسورة. على الجانب الآخر ، ظل مكون الربيع سليما ، بينما على الجانب مع تلف الكسر ، كان مكون الربيع مفقودًا ، كما هو موضح في الشكل 5.
الشكل 5 الشكل المورفولوجيا العيانية للجزء الفاشل
تفكيك وتحليل جزء الأسطوانة
تم تفكيك جزء الأسطوانة بشكل جانبي ، وتم استخراج جذع صمام العازلة بعناية. عند التفتيش ، لوحظ أن السطح الأمامي لجزء الأسطوانة أظهر تآكلًا شديدًا. أظهرت الحلقة الخارجية للأسطوانة علامات الكسر ، مع الكسر الأولي نشأ من سطح الحلقة. على الجانب الآخر حيث كسر جذع الصمام ، تم تحديد فشل يتعلق بكسر الأنبوب. على وجه التحديد ، تم العثور على صدع في الطرف الآخر من الأنبوب ، والذي امتد إلى الإطار الخارجي ، مما تسبب في تكسير إضافي ، كما هو موضح في الشكل 6.
الشكل 6 الشكل 6 التشكل العياني للجزء الفاشل والموقع والتشكل الكسر لكسر الغلاف
تحليل أسطح الكسر في القسم ب
من 汇总 وتحليل الأجزاء الفاشلة في القسم ب ، من الواضح أن هناك كسرين متميزين مع ثلاثة أسطح كسر المقابلة. تم تعيين أسطح الكسر الثلاثة هذه على النحو التالي:
- سطح الكسر B1
- سطح الكسر B2
- سطح الكسر B3
تم توضيح مواقع أسطح الكسر هذه في الشكل 7.
الشكل 7 الشكل 7 التشكل العياني من ساق الصمام في الجزء ب من المكون الفاشل
مراقبة أسطح الكسر تحت مجسم مجسم
تم فحص أسطح الكسر باستخدام المجهر المجهري العياني. وقد لوحظ أن مورفولوجيا الكسر أظهرت أضرارًا جسيمة بسبب التآكل. ترتبط أسطح الكسر B2 و B3 مع بعضهما البعض. على سطح كسر B3 ، تم تحديد عمليات التعب الموضعية ، على الرغم من أنها باهتة وبالكاد تميز. يقع أصل الكسر على الحافة ، كما هو موضح في الشكلين 8 و 9.
الشكل 8 الشكل 8 التشكل المجهري المجهري لموقع أصل كسر رأس الجذعية الصمام
الشكل 9 الشكل 9 التشكل المجهري المجهرية من كسر جذع الصمام في الجزء ب من المكون الفاشل
مقارنة تلف السطح وأصل الكسر في ثلاثة سيقان صمام
كشف تحليل مقارن لسيقان الصمام الثلاثة أن مواقع تلف السطح أظهرت درجة عالية من التشابه. علاوة على ذلك ، كان هناك ارتباط موضعي واضح بين أصل الكسر ومناطق تلف السطح ، كما هو موضح في الشكل 10.
الشكل 10 الشكل 10 مورفولوجيا مجسلية من رأس الجذعية الصمام
ويلاحظ تشوه الناجم عن التأثير في نهاية ربيع الرأس ، ويتم الالتزام بحلق المعادن إلى الجدار الداخلي للربيع. هذا الضرر يتوافق مع تلف السطح على جذع الصمام ، كما هو موضح في الشكل 11.
الشكل 11 الشكل 11 المورفولوجيا المجهرية المجهرية لمنطقة التجنيب الربيع عند رأس جذع الصمام
4. التفتيش الخاتمة
يمكن تقسيم جذع الصمام المكسور المقدم للتفتيش في المقام الأول إلى ثلاثة أقسام: نهاية الرأس ، وقسم ساق الثني ، ومقعد الصمام. بالقرب من سطح الكسر من جذع الصمام ، لوحظت شقوق عرضية دقيقة مع أعماق تتراوح من 4 إلى 10 ميكرون. هذه الشقوق تؤدي إلى تركيز الإجهاد في جذورها. تحت تأثير البيئة المسببة للتآكل والحركة المتكررة ، يحدث تكسير التعب ، مما يؤدي في النهاية إلى كسر رأس جذع الصمام.
بعد كسر رأس جذع الصمام ، تصبح حركة ساق الصمام غير متوازنة ، مما يسبب التشويش التشغيلي ، والانحناء ، والاحتكاك ضد الأكمام. هذا يؤدي إلى تشققات وفشل في نهاية المطاف للأكمام. عند مقارنة جذع الصمام السليم ، تم تحديد أن هذه الشقوق الدقيقة هي علامات تصنيع من عمليات الدوران. تعمل علامات الآلات هذه كعيوب أولية تساهم في بدء الكسور. كشف التحليل الطيفي المكون عن وجود أكاسيد تآكل داخل الشقوق الدقيقة ، بما يتوافق مع تلك الموجودة على سطح الصمام. إن وجود هذه الأكاسيد يسرع تآكل المواد ويعزز انتشار الكراك.