بخشی از مقاله
چکیده
موتورهای دیزل دریایی از خانواده موتورهای دیزل سنگین بوده و دارای توان زیاد هستند. استوانه این موتورها که غالبا از نوع بوش تر است، بوسیله سیال خنککاری احاطه میشود و سیال خنککاری نیز حرارت خود را به آب دریا میدهد. احتراق داخل استوانه و برهمکنش بین سیال خنککاری و استوانه در بیرون، پدیدههای فیزیکی و شیمیایی مختلفی در این استوانهها بوجود میآورد.
ایجاد و رشد ترک در استوانه موتورهای دیزل سنگین امری محتمل بوده و عوامل مختلفی مانند ازدیاد تنش حرارتی، پدیده حفرهزایی و یا خوردگی دارد که منجر به باز کردن موتور و تعویض استوانه میشود. در این مقاله به بررسی ایجاد و رشد ترک در استوانه یک موتور دیزل دریایی V شکل 12 استوانه پرداخته میشود. نتایج بررسی نشان میدهد که افزایش دمای سیال خنککاری موجب تسریع خستگی حرارتی استوانه و ایجاد ترک در آن شده است و عوامل خوردگی و پدیده حفرهزایی، رشد ترک را تشدید کرده است.
مقدمه
استوانه موتورهای دیزل سنگین در معرض خستگی کم چرخه است که طی فرایند روشن و خاموش کردن موتور ایجاد میشود. در استوانههای بوش تر، خستگی کم چرخه با خوردگی همراه بوده و این امر شرایط را بدتر میکند. از این رو احتمال خوردگی تنشی و خوردگی خستگی در نواحی تمرکز تنش مانند شیارها و شکافهای همبندی بیشتر میشود. اگرچه در این استوانهها تخریب کامل مشاهده نشده است اما اندازه - وسعت - ایجاد ترک یا خوردگی بگونهای است که با یک تعمیر کم هزینه برطرف نمیشود. از این رو همه استوانهها در این گونه تعمیرها تعویض میشود .
بررسیهای انجام شده در تحلیل خرابی و ترک خوردگی استوانههای موتور دیزل دریایی، اغلب تمرکز تنش در قسمت شیارها یا مشکلات موادی را در این خرابی مؤثر میدانند 1] و .[2 در این کارها علاوه بر بررسی ریزساختار موادی استوانه، از روش شبیهسازی اجزای محدود، تنش استوانه استخراج شده و نقاط تمرکز تنش بهبود یافته است.
چمنی و همکاران [3] با استفاده از تحلیل اجزای محدود استوانه موتور دیزل سنگین، نقاط تنش بحرانی استوانه را استخراج کردند. نتیجه کار آنها نشان میداد که قسمتهای پخدار سطح خارجی استوانه، بیشترین تنش را در استوانه دارد. اسپادفور و همکارانش [4] با تحلیل خرابی استوانه یک موتور دیزل سنگین که در ژنراتور استفاده میشد نشان دادند که افزایش دمای احتراق نیز میتواند منجر به ازدیاد تنش استوانه و خرابی آن گردد.
کانگ ژو و همکارش [5]، استوانه موتورهای دیزل سنگین که بدلیل پدیده حفرهزایی1 دچار خرابی شده بودند را بررسی کرده و دلایل این پدیده را استخراج نمودند. از آنجا که پدیده حفره-زایی در موتورهای دیزل سنگین بسیار رایج است و در ادامه در مورد آن بحث خواهد شد، کار آنها در بررسی خرابی این نوع استوانه می-تواند مرجع مفیدی باشد.
در یک موتور دیزل سنگین دریایی و در ساعت 90 از کارکرد موتور، آب به داخل مسیر روغن موتور نفوذ کرده و موجب خاموشی موتور شد. بررسی بیشتر نشان میداد که آب از داخل یکی استوانهها نفوذ کرده و حرکت پیستون را مختل کرده است. پس از باز کردن سرسیلندر ، یک ترک طولی در این استوانه مشاهده شد. با توجه به اینکه خرابی در ساعتهای کم کارکرد موتور ایجاد شده است، لازم بود علاوه بر تعمیر موتور، ریشه این خرابی بررسی گردد. موتور مورد بررسی از نوع موتورهای دیزل چهار زمانه پاشش مستقیم است که بصورت V شکل بوده و دارای 12 استوانه است. سایر مشخصات موتور در جدول 1 آمده است.
جدول :1 مشخصات موتور
خنککاری دیواره خارجی استوانههای این موتور بوسیله محلول آب مقطر و ضدیخ انجام میشود و این محلول سطح خارجی استوانه را احاطه میکند. برای دفع حرارت سیال خنککاری، از مبدل آب خنک استفاده شده که بوسیله آب دریا خنک میشود. در موتور مورد بررسی، استوانه شماره 1 سمت چپ موتور دچار ترک طولی شده و سیال خنککاری از طریق آن به داخل نفوذ کرده است. در بررسی سطح خارجی استوانه، پدیده حفرهزایی در دامنه وسیعی مشاهده میشد که در شکل 1 این خرابیها نشان داده شده است.
الف. ترک طولی - از رنگ برای وضوح ترک استفاده شده است -
ب. پدیده حفرهزایی در سطح خارجی استوانه شکل :1 خرابیهای استوانه مورد بررسی
پدیده حفرهزایی در سایر استوانههای موتور نیز مشاهده میشود اما در این استوانهها ترک ایجاد نشده است. با توجه به وقوع خرابی در ساعات کم کارکرد موتور، علت آن میتواند ناشی از نقصی در طراحی، مواد یا کاربری موتور باشد. در این مقاله با بررسی هر یک از این عوامل، به ریشهیابی خرابی پرداخته میشود.
پدیده حفره زایی
پدیده حفرهزایی با تشکیل حبابهای هوا در سیال و برخورد آنها به سطوح جسم جامد بوجود میآید. در موتورهای احتراق داخلی و در مرحله احتراق، یک موج ضربهای به دیواره استوانه وارد میشود. ارتعاش استوانه در اثر موج وارد شده موجب تغییر فشار سیال خنک-کاری در سطح خارجی استوانه میشود. در نتیجه حبابهایی در سیال خنککاری تشکیل میشود که با برخورد آنها به سطح استوانه، حباب میترکد و در اثر آن مقداری سیال با انرژی زیاد وارد سطح اندکی شده و حفره کوچکی در سطح خارجی استوانه ایجاد میکند. از آنجا که صلبیت استوانههای بوش تر کمتر از بوشهای خشک است این پدیده در موتورهای دیزل سنگین بیشتر روی میدهد و افزایش نسبت تراکم در آنها، پدیده حفرهزایی را بیشتر میکند.
گاهی شدت حفرهزایی به حدی است که موجب تجمع حفرات در سطح خارجی استوانه میشود که به آن پدیده pitting نیز گفته می-شود - شکل . - 2 پس از ایجاد پدیده pitting، معمولا خوردگی از داخل حفرات آغاز شده و با سرعت بیشتری به سمت داخل استوانه پیش میرود تا استوانه سوراخ شده و سیال خنککاری به داخل آن نفوذ کند. از اینرو میتوان گفت که منشا پدیده حفرهزایی، تنها بارهای مکانیکی است و با پدیده خوردگی که در اثر واکنشهای شیمیایی روی میدهد فرق دارد
شکل :2 پدیده pitting ناشی از حفرهزایی در سطح خارجی استوانه
این رو برای جلوگیری از پدیده حفرهزایی، باید عواملی که موجب بروز یا تشدید این خرابی میشود را شناسایی کرده و تا حد امکان برطرف نمود. برخی از این عوامل عبارتند از:
الف - لقی نامناسب بین استوانه و بدنه موتور1 که در ارتعاش استوانه مؤثر است.
ب - نامناسب بودن محلول سیال خنککاری استفاده شده از لحاظ افزودنیهای ضد یخ، ضد جوش و ضد خوردگی
ج - کم بودن فشار سامانه خنککاری موتور بدلایلی از جمله نشتی یا کم بودن سطح سیال
د - عدم تنظیم دمای کارکرد موتور که در انبساط سیال خنککاری و فشار آن تأثیر دارد
در شکل .1ب سطح خارجی استوانه مورد بررسی نشان داده شده است. اگرچه آثار پدیده حفرهزایی بر روی این سطح کاملا مشهود است اما در بررسی سطح مقطع شکست آثاری از نفوذ حفرات به سمت داخل مشاهده نشد. علاوه براین شدت پدیده حفرهزایی و تجمع حفرات در قسمتی است که ترک ندارد. آثار خوردگی نیز در سطح خارجی استوانه مشهود است اما رشد و پیشروی ترک با این پدیده نبوده است. بنابراین عامل اصلی رشد ترک در استوانه، حفرهزایی و خوردگی نمیباشد و این عوامل میتواند تشدید کننده خرابی باشد.
بررسی موادی
بمنظور بررسی موادی استوانه، ابتدا ترکیب شیمیایی آن با استفاده از روش طیف سنجی نوری2 از نمونه برش خورده آن استخراج گردید. در جدول 2 ترکیب شیمیایی استوانه مورد بررسی آورده شده است. مقایسه ترکیب شیمیایی با مراجع مرتبط [7] نشان میدهد که جنس استوانه نزدیک چدن خاکستری Alloy Grade G4000-G12H21 است که در آن دو عدد آخر درجه آهن و سختی را نشان میدهد. برخی از خواص این چدن عبارت است از: ضریب الاستیسیته 100 GPa، تنش تسلیم 250 MPa و تنش کشش نهایی MPa 300 که از مرجع [7] استخراج گردید.
در استاندارد شماره SAE J431 کاربرد این ماده برای ساخت استوانه بوش تر، سرسیلندر و میل بادامک موتورهای دیزل سنگین یاد شده است .[7] این ماده نسبت به چدن خاکستری غیرآلیاژی دارای خواص خستگی حرارتی- مکانیکی بهتری بوده و عمر خستگی آن بیشتر است. از آنجا که استوانه موتور تحت تنشهای حرارتی- مکانیکی متناوب است، انتخاب این آلیاژ با افزودن عناصری نظیر نیکل، مس و مولیبدنیوم مناسب کاربرد مورد نظر میشود.
علاوه بر موارد ذکر شده، تشکیل حبابها از انتقال حرارت مناسب استوانه جلوگیری کرده و موجب افزایش تنش حرارتی آن میشود.
