BŁĘDY MONTAŻU PRZYCZYNĄ NIESZCZELNOŚCI
GNIAZD ZAWOROWYCH SILNIKÓW OKRĘTOWYCH
W niniejszej pracy przedstawiono przykłady uszkodzeń gniazd zaworowych występujące w silniku spalinowym typu Deutz SBV 628. Artykuł ten jest fragmentem ekspertyzy wykonywanej przez autorów, zleconej przez jednego z armatorów. Naprawa głowicy w badanym obiekcie polegała na wymianie zużytych gniazd zaworowych i zaworów na nowe. Silnik od momentu remontu przepracował ok. 3000 godzin. Po tym czasie na wszystkich układach wykryto nieszczelności spowodowane odkształceniem lub zużyciem zarówno zaworów, jak i gniazd zaworowych. Zasugerowano, że nieszczelności mogą być spowodowane niewłaściwą strukturą materiału wymienionych elementów (gniazd i zaworów). Po przeprowadzeniu analizy materiałowej (badania metalograficzne wraz z mikroanalizą rent-genowską przedstawiono w [1]) hipotezę tę wykluczono. Stwierdzono, że przyczyną nieprawidłowości były błędy montażu podczas wymiany gniazd zaworowych.
Słowa kluczowe: silnik o zapłonie samoczynnym, uszkodzenia gniazd zaworowych, błędy montażu.
WSTĘP
Układ zawór – gniazdo zaworowe, stanowiące główny element układu prze-płukania, jest jednym z elementów najbardziej narażonym na uszkodzenia [2]. Układ tribologiczny gniazdo – grzybek zaworu jest obciążony zarówno mecha-nicznie, jak i cieplnie. Największe obciążenia występują w początkowym okresie otwarcia zaworu, kiedy gazy spalinowe przepływają przez szczelinę z prędkością krytyczną przekraczającą zazwyczaj 600 m/s przy temperaturze 900–1000°C. Wskutek ograniczonego odprowadzania ciepła temperatura grzybka szybko rośnie, osiągając lokalnie wartość rzędu 700–800°C [6]. Wskutek ograniczonej sztywności układu oraz oddziaływania strumienia cieplnego zachodzą w układzie (zawór – gniazdo) odkształcenia, będące przyczyną ruchów względnych powierzchni styku grzybka i gniazda o określonej amplitudzie i częstotliwości. Ruchy względne po-wierzchni tarcia wystąpią przy zamkniętym zaworze wskutek zmiany siły ciśnienia gazów. Autorzy niniejszego artykułu prowadzili badania w celu stwierdzenia przy-czyny wystąpienia (na wszystkich układach gniazd zaworowych i zaworów) nie-szczelności.
1. OCENA MATERIAŁOWA GNIAZDA ZAWOROWEGO
Gniazdo zaworowe w badanym przypadku wykonane było z chromowo-molibdenowego staliwa L17HM (rys. 1).
Rys. 1. Mikrostruktura gniazda zaworowego: staliwo L17HM (SEM powiększenie jak na rysunku)
Fig. 1. The microstructure of the valve seat: cast L17HM (SEM enlargement as shown in the picture)
Badane staliwo jako stop żelaza z węglem do zawartości procentowej węgla około 1,5% wytwarzane jest w formie lanej. Jest stopem wysokotemperaturowym zgodnie z wykresem żelazo – węgiel, a dodatek chromu o zawartości procentowej wynosi około 13% jest zgodny ze wszelkimi wymogami dla tego materiału i pod-nosi jego żaroodporność i żarowytrzymałość. Dodatek molibdenu o zawartości procentowej około 2,5% [1] wpływa ponadto na zmniejszenie kruchości, polepsza hartowność i udarność materiału, w dużej mierze wpływając na wytrzymałość sto-pu w podwyższonych temperaturach. Pomiar twardości materiału nie odbiegał od standardu jakości tego staliwa [3, 4] i wynosił około 42 HRC, nie stwierdzono w nim też wad strukturalnych. Materiał ten jest powszechnie stosowany na gniazda zaworowe w silnikach tego typu [4, 5].
2. ANALIZA BŁĘDÓW MONTAŻU GNIAZD ZAWOROWYCH
Na podstawie istniejących śladów (rys. 2) zauważyć można wyraźną nie-współosiowość osadzenia gniazda w stosunku do prowadnicy.
Rys. 2. Ślad niewspółosiowego osadzenia gniazda w stosunku do prowadnicy
Fig. 2. The trace of off-centrerear seat ratio to the guide bar Widoczny na rysunku 2 problem mógł powstać na skutek: • zużytej prowadnicy,
• niewłaściwego sposobu osadzania gniazda.
Eliminując po weryfikacji pomiarowej zużycie prowadnicy, skupiono się na analizie błędów montażu.
Według zleceniodawcy gniazdo osadzane było przy użyciu ciekłego azotu. Wydaje się jednak, że temperatura osadzania gniazda była niewłaściwa w stosunku do wymaganej. Przypuszczalnie schłodzenie odbywało się za pomocą innego
czynnika lub gniazdo było zbyt krótko przetrzymane w ciekłym azocie.
Prawidłowa procedura osadzenia gniazda zaworowego z wykorzystaniem tzw. metody rozprężnej (schłodzenie) z wykorzystaniem ciekłego azotu polega na tym, że czas przetrzymywania gniazda zaworowego powinien być na tyle długi, aby uzyskać temperaturę nasycenia, tj. do chwili, kiedy ciekły azot z zanurzonym w nim elementem przestaje „wrzeć”. Zbyt niska temperatura jest jednym z częst-szych błędów popełnianych przez pracowników firm remontowych. Przy prawi-dłowym montażu wprowadzenie gniazda zaworowego powinno odbywać się za pomocą pojedynczego uderzenia schłodzonego w ten sposób gniazda (współosio-wo do prowadnicy). Po dokładnym tzw. zorientowaniu przyłącza powinno nastąpić minimalne dokładne wprowadzenie jednego przyłącza w drugie (gniazda do otwo-ru głowicy), a następnie pojedynczym uderzeniem – wprowadzenie, wtłoczenie (do końca) gniazda. Przy zbyt wysokiej temperaturze (słabe schłodzenie) gniazdo wchodzi tylko częściowo w osadzenie, natomiast górna jego część szybko się ogrzewa, zaciskając się na zewnątrz, ulegając przy tym odkształceniu. Powstaje coś w rodzaju „kielicha”, który częściowo siedzi w osadzeniu, częściowo zaś roz-piera się na zewnątrz głowicy. W takim przypadku najczęściej jest ono kilkakrotnie
„dobijane”, powiększając w ten sposób trwałe odkształcenie jeszcze bardziej. W rozpatrywanym przypadku widać wyraźnie owalne odkształcenie gniazda (rys. 3) i stopniowe zagłębianie się zaworu „po owalu”.
Rys. 3. Wyraźny ślad owalnego odkształcenia gniazda zaworowego. Widać stopniowe
„wbijanie się” pod wpływem pracy zaworu w owalne gniazdo
Fig. 3. The clear trace of oval deformation of the valve seat. There can be seen the gradual
"pile driving" as an effect of work of the valve in the oval socket
PODSUMOWANIE
Powyższa analiza wykazała, że gniazdo (rys. 3) nie było do końca osadzone. Wyraźnie widoczne są uderzenia zaworu podczas pracy. Pokazane na rysunku 3 osiadanie zaworu prawdopodobnie powodowało również stopniową zmianę luzu zaworowego.
Praktycznie wszystkie badane układy gniazd i zaworów miały w mniejszym lub większym stopniu jeden z dwóch obrazów zużycia – widocznych na rysunkach 2 lub 3. Oba przypadki spowodowane zatem były tym samym błędem montażu. Różnica w obrazie wynika z szybszego lub wolniejszego osadzenia gniazda w głowicy. W jednym jednak i drugim przypadku zastosowano nieprawidłową temperaturę, a w związku z tym wartość wcisku i odkształcenie części gniazda na zewnątrz otworu głowicy były również nieprawidłowe.
Wydaje się również, że jeśli (jak podał wykonawca naprawy) szczelność po osadzeniu gniazda sprawdzana była „metodą na tusz” i stwierdzono zamykającą się (prawidłową) linię styku, to zastosowano zbyt grubą warstwę tuszu lub w jakiś
inny sposób weryfikacja była nieprawidłowa – np. obrócono zaworem, rozcierając tusz. Roztarcie tuszu przy weryfikacji jest jednym z innych błędów popełnianych przez firmy naprawcze. Przy prawidłowym sprawdzeniu szczelności powinna być (w przypadku tego silnika jak i innych czterosuwowych) zamykająca się cienka linia od strony krawędzi zewnętrznej gniazda. Przy braku takiego potwierdzenia należało gniazdo przeszlifować lub przetoczyć przenośną tokarką (taką jak np. VSL firmy Chris-Marine), co nie zostało wykonane w niniejszym przypadku.
LITERATURA
1. Bejger A., Gawdzińska K., Ekspertyza-mikroanaliza rentgenowska, materiały nie publikowane, Szczecin 2012.
2. Bejger A., Gawdzińska K., Berczyński S., Application of Pareto Analysis for the Description of Faults and Failures of Marine Medium Power Engines with Self Ignition, Archives of Mechanical Technology and Automation, Vol. 32, No. 3, Poznań 2012.
3. Cicholska M., Czechowski M., Materiałoznawstwo okrętowe, Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 2005.
4. Dobrzyński L., Metalowe materiały inżynierskie, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2004.
5. Dobrzyński L., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Wydawnictwo Naukowo--Techniczne, Warszawa 2002.
6. Włodarski J.K., Tłokowe silniki spalinowe procesy trybologiczne, Wydawnictwo KiŁ, Warszawa 1982.
INSTALLATION ERRORS AS A REASON OF LEAK OF VALVE SEATS OF THE MARINE ENGINES
Summary
In this thesis examples of damage of valve seats occurring in engines Deutz SBV 628 were presented. This article is a part of the expertise made by authors on behalf of one of shipowners. The fix of head in examined object relies on exchanging used valve seats and valves into new ones. After repairs, the engine worked for around 3000 hours. After this time, on all systems leaks caused by deformation or wear of both valve seats and valves were discovered. It was suggested, that leaks could be caused by improper structure of materials from which mentioned elements (valve seats and valves) were build. After conduction of analysis of the material (metallographic examination with X-ray microanalysis presented in [1]) this hypothesis was excluded. It was found that the cause of the irregularities were installation errors perpetrated during the replacement of the valve seats.
