高压油管漏油问题的分析与研究.pdf

第 4 期2023 年 8 月内燃机Internal Combustion EnginesNo.4Aug.2023高压油管漏油问题的分析与研究赵 祎1,谌继南1,黄兰杰1,陈正虎2,王春燕1,李振晓1,周美美1(1.河北华北柴油机有限责任公司,河北 石家庄,050081;2.中国人民解放军陆军装备部驻北京地区军事代表局驻石家庄地区第三军事代表室,河北 石家庄,050081)摘要:在柴油机的燃油供给系统中,高压油管是将喷油泵中的高压燃油输送至喷油器的通道。在柴油机运行过程中,受到柴油机点火间隔、喷油脉宽控制 MAP 以及喷油泵性能等多种因素的影响,高压油管始终处于脉冲高压的恶劣工作环境中,极易出现各类故障。本文以 V 型 8 缸单体泵供油系统柴油机的高压油管为研究对象,采用故障树分析(FTA)的方法,针对整车试验过程中出现的高压油管漏油故障,构建了相应的故障树。从高压油管的设计、生产工艺以及使用等三个方面,系统地分析了高压油管漏油故障的根本原因。通过在高压油管的工艺过程中增加清洗工序、烘干工序以及解剖检查工序,有效地解决了高压油管腐蚀漏油的问题,提升了柴油机的安全性和可靠性。关键词:高压油管;故障;漏油;切削液;腐蚀中图分类号:TK423 文章编号:1000-6494(2023)04-0033-11收稿日期:2023 年 6 月 13 日作者简介:赵祎(1978),女,正高级工程师,硕士,主要研究方向为柴油机零部件设计,E-mail:hckjkfb_ zy 。Research and Analysis on Oil Leakage of High-pressure TubingZHAO Yi1,CHEN Jinan1,HUANG Lanjie1,CHEN Zhenghu2,WANG Chunyan1,LI Zhenxiao1,ZHOU Meimei1(1.Hebei Huabei Diesel Engine Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050081,China;2.The Third Military Representative Office of the Military Representative Bureau of the Equipment Department of the Chinese Peoples Liberation Army in Beijing and Shijiazhuang,Shijiazhuang 050081,China)Abstract:In the fuel supply system of the diesel engine,the high-pressure fuel pipe is the channel to deliver the high-pressure fuel in the fuel injection pump to the fuel injector.During the operation of the diesel engine,influenced by the ignition interval of the diesel engine,the performance of the fuel injector MAP and the fuel injection pump,the high pressure oil pipe is always in the harsh working environment of pulse high pressure,and it is very easy to have various types of faults.Taking the high-pressure oil pipe of the diesel engine of the fuel supply system of the V-type 8-cylinder monoblock pump as the research object,the FTA fault tree analysis method is adopted to establish the fault tree for the high-pressure oil pipe leakage fault occurred in the vehicle test process.The systematic fault cause analysis is carried out from the high-pressure oil pipe design,production process and use to explore the root cause of the high-pressure oil pipe leakage.The cleaning,cleaning and cleaning are added in the high-pressure oil pipe process The drying process and dissection inspection process effectively solve the corrosion and oil leakage problem of high-pressure oil pipe and improve the safety and reliability of diesel engine.Key words:high-pressure fuel pipe;fault;oil leakage;cutting fluid;corrosionDOI:10.20082/ki.nrj.2023.04.0060 前言高压油管作为柴油机燃油供给系统中连接喷油泵与喷油器的通道,其主要职责在于将高压燃油持续地从喷油泵输送至喷油器1。作为柴油机燃油供给系统中的关键部件,高压油管对于柴油机的安全性和可靠性有着重要的影响。在柴油机34 内燃机2023 年 8 月运转的过程中,受柴油机点火间隔、喷油脉宽控制 MAP 以及喷油泵的性能等多重因素的综合影响,高压油管无时无刻不处于脉冲高压的恶劣工作环境之中。就单体泵供油系统而言,高压油管内部所承受的燃油压力可以高达 160MPa200MPa,而燃油压力的脉动频率则可高达 17.5Hz 90Hz。若高压油管在使用过程中出现破损或断裂等问题,则极易引发火灾甚至危及人身安全的严重事故。为了满足上述恶劣条件下的使用要求,人们在高压油管的材料选择、加工工艺以及安装使用方法等方面进行了大量的深入研究,同时也已经取得了一定的研究成果2-4。本文以 V 型 8 缸单体泵供油系统柴油机高压油管为研究对象,针对整车试验过程中发生的高压油管漏油故障进行分析。采用了故障树分析(FTA)法,通过建立故障树,从高压油管的设计、生产工艺以及使用等三个方面,系统地分析了高压油管漏油故障的根本原因。此外,采取了针对性的措施,以避免高压油管漏油问题再次发生,提高柴油机的安全性和可靠性。1 故障情况某柴油机型车辆在试验结束后返回途中,发动机的 4 缸和 5 缸高压油管相继出现漏油问题。经过现场更换了 2 根高压油管后,故障得以排除。然而,几天后,同一台发动机又出现 3 缸和 4 缸高压油管破裂漏油情况。再次进行现场更换了 2 根高压油管后,故障再次得到排除。值得注意的是,3 缸和 4 缸故障高压油管的外观分别如图1(a)和图1(b)所示。为了深入分析漏油原因,对 3 缸和 4 缸故障高压油管进行了耐压试验。这项试验在加压查漏试验台上进行,当试验压力达到70 MPa 时,3 缸和4缸高压油管均在其折弯部位出现了渗油现象。渗油位置分别如图 2(a)和图 2(b)所示。(a)3 缸故障高压油管(b)4 缸故障高压油管图 1 3 缸和 4 缸故障高压油管(a)3 缸高压油管渗漏(b)4 缸高压油管渗漏图 2 3 缸和 4 缸故障高压油管渗漏部位2 故障原因定位2.1 故障树建立FTA 故障树分析方法,最早由美国贝尔实验室于 1961 年提出,是一种由上往下的演绎式失效分析方法。该方法利用布尔逻辑将低阶事件进行组合,分析系统中不应出现的状态,推断系统失效的根本原因,并找到最佳降低风险的途径,该方法还可以用来确定某种安全事故或系统失效的第 4 期赵 祎,等:高压油管漏油问题的分析与研究35 发生概率。FTA 故障树分析方法在航空航天、核动力、石油、化工、软件工程等多个领域被广泛应用5-8。本研究采用 FTA 故障树分析方法,以高压油管漏油作为顶事件,从设计、工艺生产、使用等三个方面展开,并进一步将其分解为 9 个平行底层事件,构建了高压油管漏油故障树结构,如图 3所示。图 3 高压油管漏油故障树2.2 故障原因分析2.1.1 X1 管材选用不合理在高压油管设计时,须首先考虑管材强度满足使用要求。依据 JB/T8120.1-2000 标准中油管内压试验计算公式:Pmax=K2-11+3K4ReH103(2-1)最大理论试验压力 Pmax为应力系数和上屈服强度 ReH乘积,由此公式可确定高压油管材料的上屈服强度 ReH。本次发生高压油管漏油故障的柴油机最大供油压力为 180MPa,高压油管外径 6.35mm、内孔1.8mm,由 JB/T8120.1-2000 标准查得设计要求安全系数大于 1.5,此时高压油管最大理论试验压力为:Pmax=1801.5=270MPa将上述最大理论试验压力及高压油管规格尺寸代入公式(2-1),计算得高压油管材料的上屈服强度 ReH=509 MPa。高压油管材料选用 DSG1800(BKS),该材料的性能参数如表 1 所示。对进口原型机高压油管样件进行尺寸检测和机械性能测试,测试结果如表 2所示。对比表 1 和表 2 内的数据发现,当前高压油管所选材料的上屈服强度数值高于进口样件检测结果,同时也高于理论计算结果。因此,高压油管材料选用 DSG1800(BKS)可以满足使用要求。表 1 DSC1800(BSK)材料性能参数项目抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 ReH/MPa延伸率 A5/%参数74064016表 2 进口样件测试结果项目规格尺寸(外径内孔)/mmmm抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 ReH/MPa参数6.351.8693519在实际工作过程中,高压油管始终处于脉冲的高压环境内。为进一步校核高压油管所选材料的合理性,还需对高压油管承受交变负荷情况进行仿真计算 9-11。使用 Creo 软件绘制的高压油管模型如图 4 所示,导入 ABAQUS 软件中进行循环载荷仿真分析。图 4 中,高压油管左端为喷油器端,右端为单体泵端。当柴油机转速为 2100r/min 时,实测单体泵的最大压力为 169.3MPa,喷油器开启压力为 28MPa。因此,在 ABAQUS 软件中设置循环载荷边界条件为 28MPa170MPa。经仿真分析,得出高压油管的 Mises 应力场 12如图 5 所示,高压油管的最大 Mises 应力出36 内燃机2023 年 8 月现在靠近单体泵端的折弯处,最大 Mises 应力为219.2 MPa,在靠近喷油嘴附近折弯处的最大 Mises应力为 213.2MPa。材料在非对称循环应力条件下,构件的疲劳安全系数13-15应该满足下式:n=-1Ka+m n(2-2)其中,疲劳极限-1的取值范围一般为:-1=(0.350.45)b(2-3)高压油管所选材料 DSG1800(BKS)的抗拉强度为:b=740MPa,依据公式(2-3)计算得出高压油管疲劳极限为:-1=0.4b=0.4740=296MPa根据高压油管应力波动情况,在高压油管喷油器端和单体泵端各取 3 个应力波动较大的位置作为疲劳安全系数校核点,各点编号及位置如图 5 所示。取 K=1.5、=0.9、=1、=0.125,利用公式(2-2)计算得出各校核点的疲劳安全系数如表 3 所示。从表 3 中的数据可知,各校核点的疲劳安全系数均大于设计要求的安全系数 1.5,满足高压油管设计和使用要求。综上所述,当柴油机达到额定转速状态 2100 r/min 时,高压油管靠近单体泵端的折弯处 Mises应力最大,最大应力值小于高压油管材料 DSG1800(BKS)的屈服极限强,高压油管在使用中不会发生屈服变形。此外,即使处于交变负荷中,高压油管的疲劳安全系数值均高于设计要求,说明材料性能满足使用要求。因此,可以排除高压油管材料选用不合理导致漏油的影响因素。图 4 高压油管模型图 5 高压油管应力场表 3 各校核点的疲劳安全系数疲劳安全系数校核点最大应力值/MPa最小应力值/MPa极限应力幅/MPa平均应力幅/MPa疲劳安全系数靠近单体泵-1219.236.191.55127.651.756靠近单体泵-2216.134.290.95125.151.770靠近单体泵-3214.933.990.50124.401.779靠近喷油嘴-4211.331.689.85121.451.795靠近喷油嘴-5213.232.490.40122.801.783靠近喷油嘴-6212.732.190.30122.401.7852.1.2 X2 管型弯曲半径不合理根据行业标准要求,管材弯曲半径按油管直径的 1.5 倍进行设计及加工。经计算,高压油管弯曲半径应为 6.351.5=9.525mm。使用半径规对高压油管实物弯曲半径进行测量,测得油管内侧折弯角处的半径为 11.5mm,如图 6 所示。此时,第 4 期赵 祎,等:高压油管漏油问题的分析与研究37 高压油管的弯曲半径为:R=6.35/2+11.5=14.675 mm该弯 曲 半 径 数 值 大 于 行 业 标 准 要 求 的9.525mm。由于管材弯曲半径越大,其加工过程中产生的加工应力越小,所以管材弯曲半径数值合理,可以排除管型弯曲半径的影响因素。图 6 实测弯曲半径2.1.3 X3 管夹安装位置不合理在柴油机上安装高压油管时,采用了一种固定方式,即每根高压油管都通过管夹与机体固定在油管折弯角的直管段上,如图 7(a)所示。这种固定方式保证了高压油管固定的可靠性,且不会引发高压油管的损坏。此管夹固定方式在其他机型上已经得到了长期应用,如图 7(b)所示。可以确认,管夹安装位置及固定方式不是导致漏油问题的原因。(a)故障高压油管的固定方式(b)其他机型高压油管的固定方式图 7 高压油管管夹固定方式2.1.4 X4 油管材质不合格对故障油管和同批次库存成品油管进行力学性能检测,检测结果分别如表 4 和表 5 所示。对比表 4 和表 5 中的数据可知,故障油管和库存成品油管的性能基本一致,且均符合 DSG1800(BKS)的材料力学性能要求。另外,按照 检验试验规程对高压油管原材料成分进行检测,检测结果如表 6所示。将原材料成分与标准要求进行对比,各元素成分均符合标准要求。表 4 故障油管性能检测故障件检测项检测参数故障件力-变形曲线外径壁厚/(mmmm)6.352.275生产日期2021/8/20依照标准JB/T8120.1试样状态BKSA/%17.5Rm/MPa755试样名称DSG1800Rp0.2/MPa715检测结果合格38 内燃机2023 年 8 月表 5 库存成品油管性能检测库存成品件检测项检测参数库存成品件力-变形曲线外径壁厚/(mmmm)6.352.275生产日期2021/8/20依照标准JB/T8120.1试样状态BKSA/%17.5Rm/MPa765试样名称DSG1800Rp0.2/MPa725检测结果合格表 6 原材料成分检测次数 元素CSiMnPSCrNi#1MoCu#1Al#1VNbFe标准要求0.20 0.55 1.60 0.0250.025-0.025 0.20 0.10-10.1750.2861.3920.0180.0170.0720.0740.0150.1260.0260.0630.07197.66520.1750.3001.4240.0180.0160.0710.0760.0140.1290.0300.0640.07397.610平均值0.1750.2931.4080.0180.0165 0.07150.0750.0145 0.12750.0280.06350.07297.6375对高压油管原材料存储管理状况进行检查,油管原材料最外层采用木箱进行封装防护,并使用塑料袋进行包裹密封,同时在油管表面涂抹了防锈油。对油管外表面进行观察,未发现生锈、磕碰、划伤等情况,如图 8(a)所示。随机截取一段油管原材料进行解剖,检查了油管内表面的情况,也未发现任何生锈、磕碰、划伤等问题,如图 8(b)所示。因此,确认油管的材质符合要求,不是导致漏油故障的影响因素。(a)油管表面情况(b)油管内表面情况图 8 原材料内外表面情况2.1.5 X5 切削液腐蚀截取高压油管漏油部位进行解剖,通过扫描电镜观察油管内表面,查看裂纹附近的形貌特征,并进行失效模式分析。通过观察发现,高压油管漏油部位为疲劳开裂,裂纹起源于油管内表面的腐蚀坑位置。能谱分析结果显示,在腐蚀坑处检测出较高的含量的 P 元素,如图 9 所示。因此,推测高压油管漏油处的裂纹可能与腐蚀坑有关,并且腐蚀坑很可能在油管使用前就已经形成。第 4 期赵 祎,等:高压油管漏油问题的分析与研究39 图 9 腐蚀坑形貌及能谱对高压油管的生产工艺路线进行分析,发现在油管切断工序中使用了切削液进行冷却。切削液从油管切口处渗入油管内部,并且油管切断后未进行清洗烘干工序,导致切削液在油管内壁上残留。通过使用PH 试纸对全新和已使用的切削液进行酸碱性检测,结果显示其 PH 值均为 6,切削液呈弱酸性,如图 10所示。进一步的成分检测表明,切削液中含有磷酸添加剂成分,因此其 PH 值呈弱酸性。考虑到切削液中存在磷酸成分,油管内表面受到残留切削液的腐蚀,逐渐形成了腐蚀坑。在高压油管的使用过程中,受到如交变载荷和应力集中等因素的影响,高压油管首先在腐蚀坑处发生损坏,进而导致漏油故障。因此,切削液腐蚀可能是导致高压油管漏油的影响因素之一。(a)已使用切削液(b)未使用切削液图 10 切削液酸碱性检测2.1.6 X6 镀锌钝化酸洗腐蚀切断后的高压油管原材料在进行折弯之前,需要经过表面镀锌和钝化处理。目前,工厂采用的镀锌钝化工艺流程如图 11 所示。油管在进行电镀之前需要对两端进行封堵,以确保酸洗液不会进入油管内部。对经过镀锌钝化处理后的油管进行解剖,通过扫描电镜观察其内表面情况,未发现油管内部存在腐蚀现象,如图 12 所示。因此,可以排除镀锌钝化酸洗腐蚀导致高压油管泄露的影响因素。图 11 油管镀锌钝化工艺流程图 12 镀锌钝化酸洗内表面检测2.1.7 X7 油管弯曲速度不合理根据高压油管弯曲成型作业指导书的要求,弯管机设备的整体运行速度设定为 90,弯曲速度为 7。在现场对弯管机的加工速度和曲弯速度进行检查时,发现两者均符合工艺要求。对故障高压油管弯曲处扁平部位的横截面直径尺寸进行测量,结果显示为 6.23mm,符合加工工艺件要求的尺寸范围 6.35mm0.2mm。故障高压油管的生产过程和弯曲后尺寸均符合工艺要求。因此,可以排除油管弯曲速度不合理导致漏油的可能性。2.1.8 X8 油管内表面未强化高压油管的内表面强化技术是通过特定的工40 内燃机2023 年 8 月艺手段,在油管内壁施加高压,使其发生一定程度的塑性变形,从而在内表面留下高压液体挤压的痕迹。当施加的高压解除后,在内壁形成压缩残余应力,进而提升其弹性强度和疲劳寿命,同时减缓疲劳裂纹的扩展速度。在高压油管的强化工艺中,使用了壳牌 V1404 专用柴油喷油器校准调试用油,其具备出色的防腐蚀、抗氧化和抗磨损性能。经过调查,针对该批次高压油管,在加工成型后进行了内表面强化工序,强化压力达到了 539MPa,如图 13 所示,符合工艺要求。图 13 高压油管强化工艺2.1.9 X9 贮存和装配不当对库房存放方式及环境进行了检查,高压油管在入厂检验合格后,整体存放于库房内,并按照零件号进行有序摆放。有装机计划时,操作人员按照计划开箱领取所需的油管。对高压油管的装配工艺以及本批装机实际安装情况进行了调查。在高压油管的安装过程中,操作人员严格按照装配工艺要求进行操作。在安装前,会对高压油管进行检查并吹净,确保高压油管无应力地安装,且能够一次性拧紧到位,安装后完整填写了装配记录卡。因此,可以确认高压油管漏油故障与库房存放方式和实际装配工艺无关。2.1.10 高压油管漏油问题确认根据上述 FTA 故障树分析排查结果,只有“X5 切削液腐蚀”影响因素尚未排除。因此,高压油管的漏油问题可以定位于在下料切削过程中,切削液残留在高压油管内表面,引发了腐蚀坑的形成。在高压燃油交变负荷作用下,这些腐蚀坑逐渐发展为裂纹,并随着时间逐步扩展,最终导致了漏油故障的发生。3 失效机理分析及工艺改进3.1 机理分析高压油管是发动机供油系统中连接单体泵与喷油器的重要零部件,用以输送高压燃油。其安装主要采用两端头部与单体泵或喷油器锥面贴合密封的方式,通过锁紧螺母固定连接。高压油管的安装示意如图 14 所示。根所有高压油管的检测情况进行的统计(见表 3),分析结果显示故障件的裂纹为多源起裂,均始于内表面的腐蚀坑位置。这些腐蚀坑的深度为 3040m,腐蚀坑内部可观察到腐蚀产物。经能谱分析显示,主要含有 O、Fe、P 元素,其中,P 元素为腐蚀性元素。这些内表面腐蚀坑在使用前就已经形成。鉴于腐蚀现象发生在使用前,因此有必要对涉及高压油管的所有工艺进行分析。高压油管的原始生产工艺如图 15 所示。图 14 高压油管安装示意图 15 高压油管原始生产工艺本批次的高压油管从下料生成至完成入库,共耗时一个月以上,生产周期较长。对整个生产工艺流程进行分析,在高压油管下料切断过程中,采用切削液(含水量:1:151:20)进行冷却。在切削过程中切削液会进入油管内,完成切断工序后,油管被横放在流转框中。值得注意的是,内表面未经过清洗和烘干处理,从而导致切削液第 4 期赵 祎,等:高压油管漏油问题的分析与研究41 残留在油管内表面。经能谱分析显示,金属腐蚀坑内的腐蚀产物主要含有 O、Fe、P 元素,说明这些产物为磷酸亚铁、磷酸铁和氧化铁等。此外,对加工过程中所使用的切削液进行成分及 PH 值检测发现,液体中存在 P 元素且 PH 值呈酸性。这表明切削液中含有磷酸成分,可能对油管内壁造成腐蚀。鉴于加工流转时间过长以及受潮湿环境的影响,高压油管内表面的腐蚀现象得到加速,最终导致高压油管内壁形成腐蚀坑。此外,随着切削液残留时间的延长,腐蚀的严重程度也逐渐加剧。高压油管在使用过程中,受到单体泵工作时燃油交变压力的影响,在腐蚀坑位置形成疲劳裂纹,随后逐步扩展,最终导致油管出现开裂现象,进而引发油管漏油故障。如果在高压油管切断后能够及时进行清洗烘干工序,使油管内表面迅速烘干,有助于水分的挥发。由于此时没有了介质来进行反应物质的交换,P 元素失去了引发腐蚀的能力,从而消除了腐蚀反应的产生条件。这将有效地阻止腐蚀现象的发生,从而避免了高压油管漏油故障的发生。3.2 复现验证高压油管漏油故障的根本原因在于裂纹的产生。在下料切断过程中,由于切削液残留导致高压油管内表面形成腐蚀坑,在高压燃油的交变负荷作用下,腐蚀坑处开始产生裂纹,并逐渐扩展,最终导致油管发生漏油故障。为了解决该故障,按照原有工序制作了一件样件,先将其放置 2 天。之后,对该样件进行了解剖检查,结果显示内表面出现了明显的腐蚀情况,如图 16 所示。将故障件与试验验证件的能谱进行对比,结果如图 17 所示。通过对比分析,发现故障件与试验验证件均含有 P 元素,从而证实了问题的复现。图 16 试验验证件内表面腐蚀情况(a)故障件能谱(b)试验验证件能谱图 17 故障件和试验验证件能谱对比情况3.3 改进措施及成效为了解决高压油管漏油故障问题,采取了相应的改进措施。高压油管生产厂家对下料切断工艺进行了改进,现在在高压油管下料切断后,会立即进行清洗和烘干处理。此外,厂家还在工艺流程中增加了每批次解剖检测内表面的工序。按照上述改进工艺进行了样件生产,并对高压油管进行了检测。结果显示,内表面未发现锈蚀痕迹,如图 18 所示。对高压油管故障件、未经切断的高压油管件、原切断工艺下的试验验证件以及改进切断工艺后的新件的检测结果进行了对比。通过对比,可以清楚地看出改进措施的有效性,如表 7 所示。图 18 改进工艺后新件内表面检测结果42 内燃机2023 年 8 月表 7 改进前后检测对比情况序号检测试件宏观图片能谱图能谱分析结果1高压油管故障件有明显腐蚀痕迹,腐蚀 坑 主 要 含 有 O、Fe、P 元素2未经切断的高压油管无锈蚀痕迹3原切断工艺下的试验验证件有明显锈蚀,含有 P元素4改进切断工艺后的新件无锈蚀痕迹4 结论本文以 V 型 8 缸单体泵供油系统柴油机高压油管为研究对象,采用 FTA 故障树分析方法对整车试验过程中出现的高压油管漏油故障进行了深入分析。研究结果确认了切削液腐蚀是导致高压油管漏油的根本原因。通过改进生产工艺,增加了清洗烘干工序,成功地消除了高压油管内表面的腐蚀现象,从而在高压油管的装机及使用过程中消除了漏油隐患。零部件的生产工艺设计直接影响了零部件的使用性能,需要充分考虑切削液成分对零部件材料性能的影响。未来,将继续以实际生产为基础,深入开展高压油管的研究工作,以降低高压油管故障率,进一步提升柴油机的安全性和可靠性。参考文献1 张荣禧译,汽车柴油发动机 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