于宝仲 杨涛

摘要：文章通过对某型柴油机排气管裂漏故障的分析，列出了柴油机排气管裂漏现象的各种原因，就其实际运用状态说明导致排气管裂漏发生的主要原因，提出了改进和优化措施，并提出了运用方面的一些建议。

关键词：排气管;裂漏;分析;改进

1  故障描述

装用在我公司某型号柴油机的国产化排气管，在机务段运行30万公里左右，陆续出现了裂管、冒黑烟现象。经过对故障件进行外观检查，发现排气总管及波纹管法兰与管体之间的环焊缝根部发生裂损，部分后端单节装配挡圈松脱。通过对故障件解剖检查，发现环焊缝有贯穿性裂纹或断裂现象。

2  排气管技术要求

2.1 主要设计性能参数

波纹管单节装配技术参数：

最大轴向位移：9.5mm。

最大径向位移：1.2mm。

工作最高温度：最大工作温度：621℃。

换算成常温，规定位移量，疲劳试验循环次数≥18000次。

2.2 排气总管技术要求

使用E347（ER347）和E309（ER309）焊丝。

在138kPa下进行压力试验或等同测试。

去除装配内部所有焊渣和异物。

2.3 排气管安装要求

安装说明：①用4个M12螺栓将排气支管法兰安装到气缸盖上，通过支管垫片达到密封效果;②将排气总管垫片安装于排气总管法兰的密封槽内;③收紧管卡螺栓，使排气总管和波纹管法兰面对中、贴合，压紧位于总管密封槽内的总管密封垫达到管路密封效果。

3  排气管裂损位置分布统计

通过对120余件故障排气总管裂纹位置进行检查，发现裂损位置呈现如下规律：

左端法兰焊缝裂损位置集中于8至12点（排气管上部靠机车中心侧）;

右侧法兰焊缝裂损位置集中于12至4点（排气管上部靠机车中心侧）。

4  故障原因分析

通过对排气管运用状态及故障现象、故障件解剖检查、故障趋势及裂纹位置统计等进行分析，确定了下述4种原因可能导致故障问题的发生，并相应进行追溯、计算和试验验证。

4.1 排气总管、波纹管母材强度不足导致运用中裂损

经检查母材材质证明，材料牌号和强度满足技术要求;通过对故障件解剖检查和跟踪统计，裂损均发生在法兰环焊缝上，未发现母材屈服或断裂的现象。故可排除因母材强度不足造成运用中开裂的可能性。

4.2 焊材及焊接参数选用不当造成运用中损坏

国产排气管生产前，严格按EN 15085标准规定对其使用的焊材和焊接参数进行了工艺评定，经评定焊材符合图纸要求，焊接参数设定合理;焊缝100%探伤检查，并对故障件的焊缝进行解剖检查，亦未见导致裂纹的焊接缺陷。因此可排除因焊材及焊接参数选用不当造成运用中损坏的可能性。

4.3 焊接设计不合理造成运用中损坏

4.3.1 进口件和国产件法兰焊接焊缝设计分析

①进口件法兰环焊缝设计为RSEW圆周滚焊缝，其焊缝受力均匀，但要求加工设备功率较大，国内暂无法满足该焊缝加工条件，且该类型焊缝的焊接缺陷很难通过非破坏性方法进行检验，缺陷不易检出。

②国产件焊接前进行工艺分析，并结合国内生产条件，设计排气管法兰焊缝为a1.5角焊缝，此焊接方法工艺成熟，可操作性强，易通过非破坏性方法检测焊接缺陷。其他同类产品采用该焊接方法焊接制造，从未发生过类似故障。

产品焊接后严格按技术要求100%进行无损检测和气密性试验，确保产品密封无泄漏准予出厂。

4.3.2 故障件焊缝宏观金相检验

经对返回的故障排气总管进行解剖和宏观金相分析，法兰与总管之间焊脚高度符合图纸要求，根部熔合状态良好。

4.3.3 焊缝应力分析

经对国产排气管法兰环焊缝的残余应力进行有限元分析，发现位于法兰环焊缝处的Y和Z方向的最大剪切拉应力和最大剪切压应力对焊缝强度有较大影响。其中：

最大剪切拉应力为181.727MPa;

最大剪切压应力为170.093MPa。

该残余应力小于材料的许用应力，且在焊接完成后对其进行整体精加工可一定程度地消除该焊接应力。

4.3.4 焊缝强度破坏性试验

按有限元分析的应力载荷形式，分别对选取进口件和国产排气总管法兰环焊缝进行压力破坏性对比检测（具体见表1）。

4.3.5 小结

通过上述对焊缝质量的分析验证表明，国产排气管焊接制造工艺可操作性和可检测性优于进口件，且按要求进行了无损检测和气密性试验，出厂质量满足焊接设计要求;经焊缝宏观金相检查、有限元分析和破坏性试验验证，国产件焊接设計强度可以满足技术要求（焊缝强度高于母材强度）。国产排气管焊接设计不合理造成运用损坏的可能也基本能够排除掉。

4.4 排气管受力异常或运用负载超过设计要求造成运用中损坏

根据排气管装配结构和运用情况，排气管法兰焊缝同时受到如下应力综合作用：

①管卡施加的夹紧应力;②机车运行时的冲击振动应力;③机械热膨胀应力等。

4.4.1 管卡施加的夹紧应力分析

排气总管安装时，管卡螺栓收紧使管卡产生径向收紧力并沿圆周方向施加于总管和波纹以及法兰上，并通过法兰的20°锥面将该力转化为沿管路轴向的拉力，使总管与波纹管安装面贴合;通过法兰槽内的密封垫达到所需的密封效果;同时法兰焊缝处也会产生一定的反向力矩。

通过分析，排气总管法兰锥面在装配过程中会受到较大的夹持应力和一定的反向力矩，该应力作用于法兰环焊缝根部，如锥面配合不良将进一步加剧该应力。

进一步对裂漏位置的查看，裂漏位置分布与管卡收紧力方向及位置一致，说明该收紧力在排气管法兰的圆周方向上分布是不均匀的，同时机车维护时收紧力过大，将使这一情况更加严重。由于管卡对法兰的夹持力过大，会使环焊缝处的反向力矩相应增大，在机车运用中，该应力不断释放，最终会造成焊缝位置开裂。

4.4.2 机车运行时的冲击振动力分析

机车运行时的冲击振动将会使管路产生一定的应力，该应力也将作用于法兰焊缝根部，但振动冲击力可以被波纹管进行有效地补偿。

4.4.3 机械热膨胀作用力分析

机车运用过程中柴油机的热量会导致排气总管金属产生热膨胀应力，该应力将集中作用于管路系统中受约束的位置（排气管与波纹管连接处和排气管与缸体连接处）。因此柴油机设计安装了波纹管用于管路的热补偿，从而消除这部分应力对总管的影响。

波纹管补偿量设计要求：在最高工作温度621℃条件下，最大轴向位移9.5mm、最大径向位移1.2mm。本公司波纹管供货前和批量装车前已通过如下验证试验，未发现存在补偿量不足问题。该波纹管已按Q/CR582.3-2017《机车、动车用柴油机进排气波纹管组件》标准进行位移和疲劳寿命试验，并与柴油机配套进行了1100小时台架试验，完全符合标准技术要求。

4.4.4 小结

通过对排气管的应力分析，管路安装时较大的管卡夹紧力会对排气管法兰焊缝产生较大的应力和反向力矩;机车运用时的冲击振动、热膨胀变形加剧了焊缝的受力，特别是机车在超负荷运用和维护时过大的管卡收紧力更加剧了这一受力，该应力和过高温度影响的持续累积可能会使焊缝产生疲劳裂纹和断裂现象。

5  故障根本原因

①通过分析，国产排气管法兰焊缝在装配过程中会存在一定的应力集中和反向力矩，同时实际运用负荷下的热膨胀、振动冲击应力和高温影响及维护时过大的紧固力矩等综合因素作用下，排气管的受力条件发生进一步恶化，当该应力达到或超过波纹管的设计补偿量及法兰焊缝设计承载力时，焊缝区域的材料喪失进一步承受载荷的能力而产生裂纹源，随着机车运用约30万公里，焊缝出现疲劳裂纹并扩展，最终造成贯穿性裂纹或断裂。

②后端单节装配故障模式与其它排气总管焊缝裂纹不同，主要是因为挡圈与管体段焊长度不足，经运行振动和热交变影响造成挡圈松脱，后续挡圈在总管端部发生转动，与总管和法兰连接焊缝发生接磨。

6  改进及优化措施

针对排气管故障的根本原因，确定如下改进优化措施：

①对新造排气管的法兰与管体焊缝的焊接工艺进行优化，在法兰与管体内侧或端部增加一个半V形焊缝，进一步提高法兰与管体的连接强度，工艺上明确规定焊缝的起、收弧位置，提升焊缝对反向力矩的抵抗能力，从而进一步延长排气总管和波纹管的使用寿命;单节装配增加总管挡圈段焊的数量和焊缝长度（由4段增加为6段），避免因运行震动和热交变造成挡圈松脱的风险。

②增加排气管成品法兰位置度测量胎具，100%对法兰位置度进行出厂检验控制。

③为降低质量损失和使用成本，经过分析试验，发生故障的排气管均为法兰焊缝出现裂纹，母材状态良好，可对其进行返修后作为服务备件使用。对原有法兰及裂损的焊缝进行切除，重新制作加厚新法兰，将法兰与总管连接的角焊缝改为对接全熔透焊缝。

④对波纹管波形进行设计结构的优化，提高其位移补偿量和疲劳寿命的技术性能指标，进而适应机车的实际运用工况。

7  结束语

通过对排气管进行改进和优化，排气管的焊缝质量和使用寿命得到了较大的提高，后续未发生大批量排气管焊缝裂纹故障问题。同时，我们认为应注重排气管装配过程的力矩控制要求，机车运用过程要避免超负荷工作，严格按修程技术要求做好维护工作，这些措施都能够极大的减少排气总管裂漏现象的发生。

参考文献：

[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]Q/CR582.3-2017，机车、动车用柴油机零部件 第三部分：进排气波纹管组件[S].北京：中国铁道出版社，2017.

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