故障维修
某船用发动机水冷排气管开裂原因分析及改进
唐克远 黄永仲 姚新园 王 亮
（广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005）
摘 要：北海近海海域渔业用船装备了某公司生产的重型船用发动机，在使用过程中出现发动机排气歧管批量开裂故障，通过理化及CAE 分析，故障的原因属于材料耐温性能不足、结构设计缺陷及冷却水流动性差等诸多因素共同作用致使排气歧管断裂，针对上述原因设计优化方案。并通过CAE 计算对方案进行CFD 流场分析、沸腾及热耦合计算，对优化方案进行试验，通过试验和市场的验证结果表明，方案改进措施有效。
关键词：发动机；水冷排气管；断裂故障；CFD；高周疲劳
1 概述
某船用重型柴油发动机，在使用过程中出现排气歧管批量开裂故障，初步分析该故障属于材料耐高温性能不足、结构不合理、热交变多等因素导致排气管开裂。为了进一步明确故障原因，对排气管进行CAE 分析，以求到解决断裂问题的方案，解决相应的故障
。
图1 水冷排气管开裂故障图片
2 故障分析及方案制定：
2.1原因分析：对水冷排气歧管的可靠性的主要影响因素有材料性能、结构特征、冷却液流动性能等。
2.1.1材料因素：对该灰铁材料（HT250）故障件进行了理化分析，理化结果显示材料成分、硬度、金相组织均无异常，可以排除因材料不合格引起问题。对相同工况发动机进行监控发现涡轮增压器前排气温度达720℃，而该水冷排气管材料（HT250）许用温度[1]
≤500℃，由于排气道采用了循环水进行冷却，排气管本体表面温度已有相当程度的降低，因此是否为材料本身已无法承受720℃高温废气导致开裂故障，需经进一步CAE 分析确认。
2.1.2结构特征影响：
该排气管是脉冲排气管，1、2、3缸与4、5、6缸排气通道有较长共用管壁结构，如图2，该部位共用管壁在双重通道的废气加热作用下，冷却条件差，属于排气管的高温区域，在两排气通道出口部位的共用管壁处排气温度则达到最大，因此在持续高温及冷热交替条件下易导致开裂
。
图2 典型双通道气道共壁结构示意图
2.1.3冷却液流动性能：
流动的冷却液与排气通道管外壁产生热交换，良好的流动性可
提升排气管的耐温性能，改善水冷排气管的可靠性。通过对该排气
管解剖发现，排气管废气通道外下壁面部存在有局部流动死区，见图3，可导致气泡堆积。气泡可阻隔冷却液与废气通道外壁面的热交换，当气泡堆积且无法消除时，气泡在持续加热作用下不断膨胀，膨胀至某一限值后气泡在排气管气道外表面炸裂，导致冷却液对排气管壁的急冷，而高温的气道外壁面在较低温度冷却液急冷条件下极易造成排气管裂纹
。
图3 水冷排气管局部气泡聚集区域
2.2
优化方案制订
图4 优化方案排气管结构示意图
表1 方案对比
原方案
优化方案
材料HT250前管后管RuT400
QTRSi4Mo 结构
整体式
分段式
依据上述原因分析，制定优化方案，用以查明真实原因并解决故障，优化方案在材料、结构、冷却液流动性做了较大改进，其结构见图4，优化前后方案对比见表1。
3 CAE 分析对比
优化方案相较于原方案，在结构、材料和水流场均有较大的结构更变更，为提高验证的准确性、缩短验证周期、减少开发费用对原方案及优化方案进行CFD 、沸腾、耦合（固、液、气耦合）计算对比分析。
3.1 CFD 流体计算：
对原方案及优化方案进行了CFD 分析，由图5、图6结果显示，原方案、优化方案均有流动缓慢区域，但优化方案的整体流动较原方案流动性好，流速相对较高，优化方案流动性能优于原方案
。
图
5 原方案原水冷排气管水套流速分布云图
图6 优化方案水冷排气管水套流速分布云图
表2 固、流耦合计算结果对比
原方案
优化方案水侧最高温度（℃）190139水侧平均温度（℃）95.2794.3沸腾面积占比（%）26.0721.25固体最高温度（℃）482.92475.37总压降（kPa ）
6.65
8.04
3.2 沸腾分析：
研究表明，发动机冷系统如果沸腾[2]控制不好，将影响发动机关键零部件的可靠性。因此对原方案、优化方案进行沸腾计算，其计算结果见表2，水侧温度优化方案小于原方案，气泡产生几率较少，气泡直径也相对较小。但由于通过两气道的排气温度高，致使两个方案的沸腾表面积占比均超过20%，因排气管气道外壁面存在沸腾现象不可避免，应做好相应的除气设计。
3.3 固、液、气耦合计算：
由于水冷排气管是在高温气体、冷却液等多重条件下运行，运行环境复杂，影响因素较多，为提高模拟计算准确性，采用固、液、气耦合计算来评估多种因素共同作用下对排气管可靠性的影响，其计算结果如表3所示：
表
3 固、液、气耦合计算结果对比
材料耐温（℃）高周疲劳安全系数目标
计算值目标
计算值原方案≤500483≥1.2
1.15优化方案
前管≤600476
玉柴发动机1.45后管
≤760
1.86
3.3.1最高温度：
由表3及图7、图8可知，优化前后的方案排气管体温度最高位置均在排气出口位置，分别为483℃、
475℃，最高温度相差较小，
且均小于选用材料的许用温度，可知故障原因并非材料性能因素引起，但排气管出口温度已接接材料许用温度，如发动机为满足一些性能提升要求导致排气温度升高时，排气管存在一定的故障隐患。
图7 原方案水冷排气管本体温度分布云图
图8 优化方案水冷排气管本体温度分布云图
3.3.2排气管高周疲劳计算：
通过固、液、气耦合计算，见图9、图10结果可知，原方案排气管高周疲劳安全系数只有1.15小于1.2指标值，存在可靠性风险，且风险部位与故障零件的裂纹部位相吻合。而优化方案，虽然温度与优化前温度相接近，但由于提升了材料等级，其高周疲劳安全系数最小也达到1.45，满足要求。
图9 原方案水冷排气管高周疲劳安全系数分布云图
图10 优化方案水冷排气管高周疲劳安全系数分布云图
（下转第203页）
设备的维保工作进行详细记录，然后生成评价报告，对需更换的部件和常见电梯故障问题要有预防方案。此外，维保人员必须高度关注电梯运行期间启动是否存在噪声、开关是否异常。
3.4制定应急预案
电梯运输是一个动态化过程，每部电梯在运行中都会存在不同问题，及时发现与处理是关键行为，因此电梯保养单位根据电梯类型、日常维护频率制定不同的应急预案，尤其要针对乘坐人员被困或者电梯坠落故障等情况细化预案，要求电梯保养单位切实加强人员培训，使其高质量开展故障处理和人员救援工作。
3.5远程监控系统利用
在科学技术飞速发展的背景下，电梯开始融入计算机技术、自动化技术，使得远程监控系统逐渐成熟，能够对电梯运行状态监测，减少维保人员工作量。在电梯出现运行故障后，按下电梯轿厢的紧急呼叫按钮及时发出救援信号，第一时间与物业取得联系及说明情况，电梯维保单位接到通知及时开展救援工作，同时远程控制系统有利于准确判断电梯故障位置，对电梯运维工作开展有着重要作用[4]。
3.6强化人员管理
为了切实提升电梯维修保养工作质量，不仅要确保电梯设备零部件质量，还需要人员素质过关，可以及时对电梯存在的问题处理，所以电梯保养单位和物业管理公司均需具备高素质的电梯技术维修人员及电梯安全管理人员工。
新时期，电梯保养单位必须定期进行电梯维护，及时进行零部件更新。此外，还需要电梯保养单位加强人才培养，掌握信息化管理技术，以此提升电梯维修保养工作效率，要求电梯保养单位制定奖惩机制，定期对人员进行考核，以此激发其工作热情。为了引导人们规范使用电梯，明确电梯事故造成的影响，懂得电梯发生故障后的自救方法，可以各电梯使用场所的公众栏处播放“电梯安全使用”宣传片。
4 结束语
综上所述，近年来随着高层建筑、大型商场的兴建，电梯运行平稳性、安全性、舒适性都得到了提升，
然而部分电梯单位未能做好日常保养和维修工作，导致长期使用后埋下安全隐患。目前我国电梯维保工作开展还存在一些问题，今后需要加强制度建设，确保日常巡查质量，做好预防维护工作，利用远程监控系统，以此保证众的生命财产安全。
参考文献：
[1]潘健鸿.电梯维护保养质量分析与运行安全监测技术研究[J].机
电技术，2019，13（1）：75-77.
[2]王鹏，刘宇.论述电梯机电设备安全运行维护分析[J].百科论坛
电子杂志，2020，26（7）：1348-1349.
[3]高原.浅谈电梯维护保养及安全运行的实现[J].百科论坛电子杂
志，2019，22（8）：246.
[4]陆费斌.电梯维护保养与安全运行的相关分析[J].大众标准化，
2021，17（2）：251-252.
4 方案确定及验证：
4.1方案确定：
在结构设计方面，原方案与优化方案在结构上存在较大区别，优化方案排气管采用分段式结构，分为前、后两段组成，前排气管采用RuT400材料、独立排气道通道结构，该结构可以充分冷却废气通道外表面，消除原方案共用废气管壁结构造成的局部无法有效冷却的弊端；后排气管因结构限制两废气通道共壁，为此选用QTRSi4Mo材料，通过提升材料耐热性能来消除冷却不良故障隐患。虽然成本增加，但是由于后排气管体积小，整体占比不大，因此材料成本增加较少。
通过CAE分析计算，优化方案冷却液流动性、沸腾面积占、水侧最高表面温度较原方案均有改善，且各项指标均满足要求，为此选定优化方案进行零件试制及验证。
4.2零件试制：
优化方案较原排气歧管结构变化较大，因此采用3D打印技术制作砂芯并浇铸出零件毛坯方案生产样件，使样件能快速试制并符合设计要求，保证试验方案可靠有效。
4.3试验验证：
优化方案排气管装机进行试验，通过性能测试及300h_船机模拟工况[2]试验，性能与原机相当，试验过程中未出现故障，试验后经拆检分析检验未发现排气管出现裂纹。为进一步验证优化方案的有效性，通过向市场上故障率高的区域定向投放200件优化方案的排气管进行市场验证，经一年市场跟踪，未出现发动机水冷排气管断裂故障反馈，说明整改方案有效。
5 结论
5.1、水冷排气管属于复杂铸造件，其在高温废气、冷却、材料、结构等多重因素影响条件下运行，运行环境恶劣，属于多重因素叠加引起水冷排气管失效。
5.2、对于水冷排气管废气通道有共管壁结构，影响其可靠性的因素有材料耐温性能、冷却液流动性能、结构。其中材料、结构是影响其可靠性主要因素。
5.3、对于水冷排气管应尽量避免废气通道采用共管壁结构设计，如结构限制无法避免，可通过选用耐温性能更好的材料来保证零件的可靠性。
5.4、对于水冷排气管，整个排气歧管的废气通道外壁面都是包围在冷却水中，在持续的废气加热下，冷却液产生沸腾，气泡会影响废气通道管壁冷却效果及可靠性，应做好水冷排气管的除气设置。
表4 优化方案实验结果
方案是否通过验证
性能实验√
300h_船机模拟工况√
市场验证√
参考文献：
[1] 26653-2011_排气歧管铸铁件．北京：中国标准出版社．2011.10
[2] 陈琳．发动机水套内沸腾传热过程及缸盖应力分析[D]．武汉：
华中科技大学，2020：12-1.
[3] 李杰．YC6T650C_300h_船机模拟工况；可靠性试验[R]．南宁：
玉柴工程研究院.
作者简介：
唐克远（1979-），男，本科：研究方向为发动机进排气系统开发应用。
（上接第201页）
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