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高压油管爆裂、断裂原因分析

        高压油管的开裂失效涉及到的因素复杂多变。高压油管通过压力波将燃油以一定的压力和速率输送到喷油器,油管的长度、内径对发动机的燃油喷射特性有着不可忽视的影响,因此设计过程中对油管管材的选择、油管形状的优化设计等都非常重要,不可随意更改。高压油管在工作中经受来自发动机转动带来的受迫振动以及内部高压油对油管的脉动冲击,受力环境相当恶劣。然而,实际工程中使用的高压油管,因为设计错误导致高压油管失效的情况很少出现,而因为油管内在质量、装配、使用不当导致的开裂失效则频频发生。对这些失效案例进行分析,找出导致失效的原因,并提出改进措施,修订相关企业质量内控标准,对预防此类事故的重复发生,降低产品索赔率,甚至降低汽车火灾事故的发生等,都具有重要意义。

        与传统的汽车发动机核心零部件相比,发动机高压油管长期以来并不特别受到关注,然而统计表明,近年来有关高压油管的失效案例不断增多,其在汽车发动机零部件失效总量所占的比重也已经连年进入前 10 位,并有不断增加的趋势。发动机高压油管是连接喷油泵与喷油器的重要零部件,承担着给发动机输送高压燃油的任务。随着新的排放法规的实施,对发动机排放指标的要求越来越严苛,发动机燃油压力也因此有不断提升的趋势,导致高压油管内壁承受的高频脉冲燃油压力峰值不断提高,使得其服役过程中的受力条件更加恶劣。此外,用于制造高压油管的无缝钢管目前几乎都是从德国或日本进口,国内很少有合格的原材料无缝钢管供应商,这也成为制约高压油管质量提升的重要因素。
        发动机高压油管一旦出现开裂,引起漏油,不仅会对发动机整机的可靠性产生不利影响,而且高压燃油喷射泄漏后,极有可能会与发动机高温部件接触,导致严重的火灾事故。一件小的油管开裂失效事故,极有可能酿成严重的大事故,笔者曾多次分析过这样的案例,因此对目前市场上高压油管的各类失效形式和原因进行分析与总结,具有迫切的现实意义。高压油管服役过程中的失效形式基本上都是高周疲劳开裂引起穿孔进而导致油管漏油。实际使用过程中,导致其疲劳开裂的原因主要有油管原材料缺陷、镦头工艺缺陷、装配工艺不当导致的磕碰、使用过程中发生微动磨损等等。笔者结合近年来生产实际中遇到的一些案例,简要概述了汽车发动机高压油管常见的失效形式及原因。
 
1 高压油管原材料内表面缺陷
        高压油管的材料选择主要需要考虑规格( 内孔尺寸和管壁厚度) 、强度等级、内孔表面质量 3 个方面的要求。对于某一特定的零件,其规格、强度等级确定以后,内孔表面质量则是影响其性能的主要因素。在高压油管制造过程中,其内表面经历了复杂的拉拔变形过程,这一过程不可避免地会形成各种程度上的内壁缺陷,其中最主要的是内壁裂纹缺陷。
生产检验发现,这种内壁裂纹缺陷绝大多数是由于管内壁在变形过程中,因变形不均匀导致形成的、类似折叠形式的缺陷。
目前,国际上对高压油管内壁质量的控制标准是 ISO 8535-1: 2011《柴油发动机 高压燃油喷射管用钢管 第 1 部分: 无缝冷拔单壁钢管的要求》,其中对内壁裂纹缺陷的分级情况见表 1。
对于燃油管内壁裂纹缺陷等级,一般企业都会根据高压油管的工作条件,在其企业标准中有明确的规定。目前,国内普通汽车发动机高压油管控制的内壁裂纹缺陷等级多采用 Q 级及以上。内壁强化工艺是目前普遍采用的高压油管内表面处理方法,该方法是通过优化管材表面应力的分布,产生内压外拉的应力状态,可有效降低裂纹扩展速率,不仅能够提高燃油管的耐压能力,而且可以降低疲劳试验中的数据分散性。
内壁裂纹缺陷会导致高压油管疲劳裂纹由此起源,严重降低高压油管的疲劳寿命,这种情况也是大部分高压油管疲劳失效漏油的原因。
在裂纹附近取油管的周向试样,观察油管的显微组织及内表面质量。油管基体显微组织为铁素体+珠光体; 在油管内表面裂纹对应位置观察到的裂纹形态见图 2,可见此裂纹由两部分组成,内壁侧的初始裂纹开口较宽,后扩展的疲劳裂纹在初始裂纹的尾端萌生并扩展,其中初始裂纹深度约0.20 mm。可见裂纹形态与扫描电镜下观察到的断口形貌特征相吻合。

由图 2 可以明显看到,原始裂纹尾部显微组织流线有明显的折叠形态,说明它是在油管内壁成形过程中产生的,且其缺陷级别远大于 Q 级要求,这是造成该高压油管疲劳开裂导致漏油的根本原因。
2 镦头和杆部过渡处的加工质量不良
        高压油管镦头加工工艺过程复杂,变形量大,其内外表面金属都经历过强烈的变形流动,如若工艺不当,都可能出现金属流线曲折甚至出现冷折叠缺陷。图 3 所示是某一高压油管镦头内外表面金相检验时发现的冷折叠形貌。
镦头处的各种工艺缺陷,在使用过程中将会成为疲劳裂纹的起源,导致高压油管开裂漏油。因此,各企业都会在其内部标准中对此缺陷形态加以要求,主要是对镦头冷折叠裂纹的深度加以要求。
在扫描电镜下观察镦头断口附近表面形貌,此处为镦头与杆部过渡处,可见在此处存在较多金属挤压变形流动痕迹,并且形成了微裂纹,这些微裂纹应为加工过程中形成的,如图 5d) 所示。高压油管镦头与杆部过渡处是受力较大的部位,此处形成的加工微裂纹大大增加了高压油管发生疲劳开裂的倾向。高压油管两端镦头的显微组织形貌如图 6 所示,均为铁素体+珠光体。由图 6 可见,镦头处存在明显的冷折叠缺陷,这是导致该高压油管疲劳裂纹起源的直接原因。
3 高压油管外表面“夹杂物”缺陷
        目前,国内高压油管管材几乎都是从国外进口,而目前相关的 ISO 标准和国标中,都没有对管外表面微观质量进行明确的规定。近年来,多次出现了疲劳裂纹由油管外表面类似夹杂物缺陷处起源,导致油管开裂漏油的案例。甚至,还多次发生过因为这种外表面类似夹杂物缺陷导致在油管镦包加工过程中发生开裂的现象。而对于这种外表面类似夹杂物的缺陷,到目前为止还未见相关的研究。下面通过具体案例对此进行介绍。
某型试验车在进行寒区试验过程中发生高压油管漏油,经检查发动机一缸高压油管油轨端缸体内侧油管折弯处漏柴油,车辆行驶总里程 46 000 km。失效高压油管宏观形貌见图 7a) ,其中黑色箭头所指为发生漏油的部位。将裂纹打开,断口形貌如图 7b) 所
示,可见断面平坦,开裂部位已经贯穿油管壁厚。
扫描电镜下裂纹源区形貌如图 8a) 所示,可见裂纹起源在振动应力最大部位,但局部为一线源,源区存在多个疲劳台阶。图 8b) 所示为源区局部放大形貌,可见裂纹源区的每一台阶内,疲劳裂纹各自独立萌生、扩展,最后汇合成为一线源。图 8c) 所示为疲劳扩展区形貌,可见疲劳辉纹和二次裂纹。
由于目前国内并没有高压油管的加工线,其他类似的管材加工过程也未见有类似报道,因此对上述类似夹杂物物质来源的推测是否正确,目前尚无法验证。
根据上述分析,高压油管表面的类似夹杂物缺陷是导致其疲劳开裂的根本原因。
        由于高压油管表面通常会有一层镀锌层,从外观无法检查此类缺陷,且现有的国家标准也未要求对这类缺陷进行检验、预防。有鉴于此,对油管外表面质量的控制是非常必要的,目前相关企业标准的制订正在进行中。


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