王春雁 赵祎 李卫民 郭巧慧 纪静 李文华

摘要：发动机高壓油管在运行大约200小时出现漏油，对漏油部位的断口进行分析，结果表明：高压油管开裂原因主要是由于油管内壁残存含有着P、S腐蚀性元素[1]的腐蚀物质，产生腐蚀作用形成了腐蚀坑，腐蚀坑可以起到微观缺口的作用，提高局部应力水平[2]，降低了抗疲劳性能，至此在腐蚀坑部位萌生了裂纹源，高压油循环往复应力作用下促使裂纹不断由油管内壁向外壁扩展，形成了与高压油流向平行的纵向裂纹。

Abstract： The engine high pressure oil tubing running about 200 hours appeared，fracture of the spill site were analyzed，and the results show that the high pressure oil pipe cracking reason is mainly due to the remaining boxe s with p.corrosive elements of tubing inwall proves corrosion material，the corrosion effect formed corrosion pits，corrosion pit can have the effect of the micro hole，improve the level of local stress，reduce the resistance Fatigue performance，so far in the corrosion pit at the initiation of crack source，high pressure oil cyclic stress to promote the crack from the inner wall of the tubing to the outer wall， formed a longitudinal crack parallel to the high pressure oil flow.

关键词：高压油管;开裂;腐蚀坑;交变应力

Key words： high pressure tubing;cracking;corrosion pit;alternating sterss

中图分类号：U262.32+2                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0098-03

1  概述

高压油管是高压油路的重要组成部分，其连接着高压油泵和喷油机，属于燃油喷射系统。工作时喷油器针阀的开、闭会使高压油管产生强烈的高频冲击，高压油的高低压交替循环作用对油管壁产生大的交变应力，当油管所受到的应力叠加值超过油管承受的疲劳极限时会造成油管失效。发动机失效高压油管材料为DSG1800（BKS），工艺流程为：钢管下料→去毛刺→镀锌→墩头（一端）→穿螺母→墩另一端→弯曲成形→清洗→油封。对失效高压油管进行断口、化学成分、力学性能、金相等相关项目一系列的检测分析，意在探讨高压油管开裂原因，预防此类故障再次发生。

2  理化分析

2.1 断口分析

2.1.1 裂纹形貌  ①裂纹宏观形貌。对失效油管进行打压实验可见液体从油管失效部位喷出，见图1，漏油位置发生在墩头与折弯部位之间的直段部分;由于表面锈蚀较重，肉眼无法观测到外表面裂纹;对油管漏油部位解剖，解剖后内壁表面呈黄灰色，无法清晰看到裂纹整体形貌。

解剖油管在体式镜下观测，油管内壁可见一条较直的纵向裂纹，长度约10mm，油管外壁表面可见一条纵向裂纹，长度约6.2mm。

②裂纹微观检测分析。将油管失效部位放置在扫描电镜下进行微观检测分析，油管内壁表面可见裂纹呈中间平直较粗，两端有分叉的细小裂纹，裂纹中间部位可见较深的腐蚀坑，裂纹周围还非均匀分布着腐蚀坑，腐蚀形貌见图2;对腐蚀部位进行能谱分析，除合金元素外，还有一定量的C、O、P、Zn、Cl等元素。

油管外壁表面可见裂纹较平直，裂纹处及裂纹周围分布着较多腐蚀坑，腐蚀形貌与内壁腐蚀形貌相似，对腐蚀坑部位进行能谱分析，除合金元素外，还有一定量的C、O、P、Zn、S、Cl、Mg、Al等元素。

2.1.2 断口形貌  在失效油管裂纹处将裂纹打开，对裂纹断口进行扫描电镜下检测分析。断口清洗前整个断面污染较严重，可看到疲劳特征，低倍形貌有明显的扩展纹路，纹路中心汇聚于内壁表面的红色线框处，位于裂纹中间，呈现点源特征，见图3，源区微观形貌可见腐蚀坑，见图4，对此处进行能谱分析，除合金元素外，还有一定量的C、O、P、Zn、S、Cl、Mg、Al等元素，见图5。

断口清洗后，整个断面扩展区所占面积较大，扩展纹路清晰，汇集于裂纹中心，点源特征。对源区微观分析，未见冶金缺陷，存在明显的腐蚀特征，内壁表面腐蚀距离为65.29um，见图6，对源区进行能谱分析，除合金元素外，还有一定量的C、O、P、Zn、S、Ca等元素;对扩展区域进行微观形貌分析，有疲劳辉纹特征，见图7;靠近外壁的最后断裂区有塑性变形特征且有腐蚀形态。

2.2 化学成分分析

从同批次库存高压油管及此件失效油管取样进行化学成分分析，参照标准JB/T8120.1《压燃式发动机高压油管用钢管第1部分：单壁冷拉无缝钢管技术条件》，失效油管与库存油管化学成分均符合技术要求。

2.3 力学性能测试

从同批次库存油管中随机抽取3件及此件失效油管共制取4件拉伸试样，参照标准JB/T8120.1《压燃式发动机高压油管用钢管第1部分：单壁冷拉无缝钢管技术条件》，失效油管与库存油管力学性能均符合技术要求，见表1。

2.4 金相检测分析

对失效高压高压油管及同批次库存油管取样进行金相检测分析，金相组织均为铁素体+珠光体+少量游离渗碳体，晶粒度10级，为塑性变形细化强化后去应力退火状态组织，金相组织未见异常，见图8。

3  高压油管开裂部位受力分析

高压油管在喷油嘴闭、开状态下，测得高压油管内承受最大与最小压应力值分别为168MPa和 26MPa;通过模拟计算，高压油管靠近喷油泵端的弯管处的等效应力值最大，安全疲劳系数为1.75;靠近喷油嘴端弯管处的等效应力值次之，此处的疲劳系数为1.77;高压油管其它部分所受的等效应力小于这两个部位，因此其它部位的疲劳系数高于这两个部位，可以得到高压油管各部位的安全疲劳系数均大于1.5的技术标准要求。失效油管裂纹发生在直段部位，此部位管壁受到的压应力值低于弯管部位，因此高压油路系统无异常情况下，高压油正常交变循环运转不会使油管发生屈服变形，进而造成失效。

4  开裂原因分析探讨

4.1 高压油管常见失效原因探讨

4.1.1 选材不合理或材料不合格引起的失效  材料也是零件安全运转的基石，零件服役寿命的长短与材料的好坏是密不可分的。如果高压油管材料选择不合理或材料不合格会使压高油管的强度、抗疲劳等性能指标不能满足服役条件，还可能增加材料脆性、缺口敏感性，降低高压油管的综合性能。高压油对高压油管产生强烈的高频冲击，高压油循环往复的交变应力作用下会使油管在薄弱部位的一处或几处萌生裂纹源并不断扩展，进而发生断裂，甚至有可能比弹性极限还低的情况下发生断裂。

4.1.2 設计不合理原因造成失效  零件设计主要是结构设计，结构设计是否合理是零件安全运转可靠性的重要保障。如果结构设计不合理一是会使零件在缺口、圆弧转角、不同形状过渡区产生应力集中;二是对零件的工作条件、过载情况估计不足造成零件零件承载能力不足。高压油管存在折弯加工过程，如果弯曲半径设计不合理会造成油管折弯部位产生集中应力过大;高压油管如果承压能力、抗疲劳性能参数设计不足会使高压油冲击压力超过油管的承受能力。因此设计不合理会使高压油管产生应力集中，抗疲劳性能及承载能力不足，最终导致失效。

4.1.3 加工过程控制不当原因造成失效  零件加工过程的控制是零件质量优劣的关键。如果零件在加工过程中控制不当会使零件产生各种缺陷，缺陷会降低零件的各种性能，致使零件在使用过程中发生早期失效。高压油管在加工过程中如果控制不当会出现金相组织缺陷及腐蚀性缺陷，金相组织缺陷导致机械性能达不到技术要求，这些缺陷会降低高压油管的抗疲劳性能，最终导致失效。

4.1.4 装配不当及其它部件原因造成失效  零件装配是否得当影响着是零件、配合件及整机的服役寿命。如果装配过程中配合过松、过紧，对中不准，固定不稳都可导致零件不能正常使用或者早期失效。高压油管如果在装配过程中未夹紧或者其它部件异常，则会造成油管松动或者产生异常振动，异常应力叠加最终导致油管失效。

4.2 失效高压油管开裂原因分析探讨

①断口宏观微观形貌可知油管裂纹起源于内壁表面腐蚀坑部位，清洗后裂纹源区域未见明显冶金缺陷，源区腐蚀坑较深，腐蚀坑能谱显示含有腐蚀性元素P、S[1]，说明此部位受到含P、S元素的腐蚀物质的腐蚀作用形成了腐蚀坑，腐蚀坑易产生应力集中[3]，使此部位抗疲劳性能降低，交变应力作用下在此薄弱部位形成了裂纹源;断口具有疲劳辉纹典型的疲劳特征[4]，疲劳区域面积占比较大，扩展较充分，说明裂纹是在交变循环应力作用下逐步扩展的，因此判定为腐蚀疲劳断裂[5]，是造成高压油管失效的主要原因。②化学成分、力学性能检测分析结果符合技术要求;金相组织未见异常，排除了高压油管因材质不合格缺陷导致失效的原因。③高压油管受力分析可知，油管靠近喷油泵端的弯管部位及靠近喷油嘴端的弯管部位所承受的应力最大，直段部分的油管所受应力值低于这两个部位，通过计算这两个部位的安全疲劳系数均大于技术要求值，排除设计原因造成的失效。④现场调查，高压油路系统其它部件未见异常，高压油管夹持紧固，未发生异常震动现象，排除高压油管安装不当导致油管应力值异常偏高造成的失效。

5  结论

通过以上一系列的分析，可以得出由于高压油管内壁受到含P 、S腐蚀性元素[1]的腐蚀物质的腐蚀作用，形成了腐蚀坑，腐蚀坑易产生应力集中[3]，降低了此处的抗疲劳性能，高压油交变应力作用下使此薄弱部位形成裂纹源，高压油循环往复作用下使裂纹不断由油管内壁向外壁扩展，顺着高压油运行方向形成与高压油流向平行的纵向裂纹，最终导致油管开裂。此高压油管开裂性质为腐蚀疲劳断裂。

6  建议

高压油管开裂为腐蚀疲劳断裂，高压油管只有在切断及镀锌这两个工序加工过程中才能产生腐蚀，究其根本原因是油管加工过程控制不当。因此为了避免高压油管同类失效故障的发生要加强高压油管加工过程的管控。

参考文献：

[1]张萌.换热铜管泄露原因分析[J].金属加工热加工，2019（10）.

[2]钟群鹏，赵子华，等.第八章疲劳断裂的断口及其分析.断口学[M].高等教育出版社，2006.

[3]王智益，吴冲，蒋超.应用ANSYS分析蚀坑形状对钢筋应力集中影响[J].吉林建筑大学学报，2019（2）.

[4]胡世炎.第五章疲劳.破断故障金相分析[M].国防工业出版社，1979，2：253-255.