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    高壓油管爆裂、斷裂原因分析
    
                            高壓油管的開裂失效涉及到的因素復(fù)雜多變。高壓油管通過壓力波將燃油以一定的壓力和速率輸送到噴油器，油管的長度、內(nèi)徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射特性有著不可忽視的影響，因此設(shè)計(jì)過程中對(duì)油管管材的選擇、油管形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)等都非常重要，不可隨意更改。高壓油管在工作中經(jīng)受來自發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的受迫振動(dòng)以及內(nèi)部高壓油對(duì)油管的脈動(dòng)沖擊，受力環(huán)境相當(dāng)惡劣。然而，實(shí)際工程中使用的高壓油管，因?yàn)樵O(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致高壓油管失效的情況很少出現(xiàn)，而因?yàn)橛凸軆?nèi)在質(zhì)量、裝配、使用不當(dāng)導(dǎo)致的開裂失效則頻頻發(fā)生。對(duì)這些失效案例進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致失效的原因，并提出改進(jìn)措施，修訂相關(guān)企業(yè)質(zhì)量內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)預(yù)防此類事故的重復(fù)發(fā)生，降低產(chǎn)品索賠率，甚至降低汽車火災(zāi)事故的發(fā)生等，都具有重要意義。
    

    
        與傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件相比，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管長期以來并不特別受到關(guān)注，然而統(tǒng)計(jì)表明，近年來有關(guān)高壓油管的失效案例不斷增多，其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件失效總量所占的比重也已經(jīng)連年進(jìn)入前 10 位，并有不斷增加的趨勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管是連接噴油泵與噴油器的重要零部件，承擔(dān)著給發(fā)動(dòng)機(jī)輸送高壓燃油的任務(wù)。隨著新的排放法規(guī)的實(shí)施，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放指標(biāo)的要求越來越嚴(yán)苛，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油壓力也因此有不斷提升的趨勢(shì)，導(dǎo)致高壓油管內(nèi)壁承受的高頻脈沖燃油壓力峰值不斷提高，使得其服役過程中的受力條件更加惡劣。此外，用于制造高壓油管的無縫鋼管目前幾乎都是從德國或日本進(jìn)口，國內(nèi)很少有合格的原材料無縫鋼管供應(yīng)商，這也成為制約高壓油管質(zhì)量提升的重要因素。
    
        發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管一旦出現(xiàn)開裂，引起漏油，不僅會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的可靠性產(chǎn)生不利影響，而且高壓燃油噴射泄漏后，極有可能會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件接觸，導(dǎo)致嚴(yán)重的火災(zāi)事故。一件小的油管開裂失效事故，極有可能釀成嚴(yán)重的大事故，筆者曾多次分析過這樣的案例，因此對(duì)目前市場(chǎng)上高壓油管的各類失效形式和原因進(jìn)行分析與總結(jié)，具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。高壓油管服役過程中的失效形式基本上都是高周疲勞開裂引起穿孔進(jìn)而導(dǎo)致油管漏油。實(shí)際使用過程中，導(dǎo)致其疲勞開裂的原因主要有油管原材料缺陷、鐓頭工藝缺陷、裝配工藝不當(dāng)導(dǎo)致的磕碰、使用過程中發(fā)生微動(dòng)磨損等等。筆者結(jié)合近年來生產(chǎn)實(shí)際中遇到的一些案例，簡要概述了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管常見的失效形式及原因。
    

    
	

    
 
    
1 高壓油管原材料內(nèi)表面缺陷
    
        高壓油管的材料選擇主要需要考慮規(guī)格( 內(nèi)孔尺寸和管壁厚度) 、強(qiáng)度等級(jí)、內(nèi)孔表面質(zhì)量 3 個(gè)方面的要求。對(duì)于某一特定的零件，其規(guī)格、強(qiáng)度等級(jí)確定以后，內(nèi)孔表面質(zhì)量則是影響其性能的主要因素。在高壓油管制造過程中，其內(nèi)表面經(jīng)歷了復(fù)雜的拉拔變形過程，這一過程不可避免地會(huì)形成各種程度上的內(nèi)壁缺陷，其中最主要的是內(nèi)壁裂紋缺陷。
    
生產(chǎn)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種內(nèi)壁裂紋缺陷絕大多數(shù)是由于管內(nèi)壁在變形過程中，因變形不均勻?qū)е滦纬傻?、類似折疊形式的缺陷。
    
目前，國際上對(duì)高壓油管內(nèi)壁質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)是 ISO 8535-1: 2011《柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 高壓燃油噴射管用鋼管 第 1 部分: 無縫冷拔單壁鋼管的要求》，其中對(duì)內(nèi)壁裂紋缺陷的分級(jí)情況見表 1。
    
對(duì)于燃油管內(nèi)壁裂紋缺陷等級(jí)，一般企業(yè)都會(huì)根據(jù)高壓油管的工作條件，在其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定。目前，國內(nèi)普通汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管控制的內(nèi)壁裂紋缺陷等級(jí)多采用 Q 級(jí)及以上。內(nèi)壁強(qiáng)化工藝是目前普遍采用的高壓油管內(nèi)表面處理方法，該方法是通過優(yōu)化管材表面應(yīng)力的分布，產(chǎn)生內(nèi)壓外拉的應(yīng)力狀態(tài)，可有效降低裂紋擴(kuò)展速率，不僅能夠提高燃油管的耐壓能力，而且可以降低疲勞試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分散性。
    
內(nèi)壁裂紋缺陷會(huì)導(dǎo)致高壓油管疲勞裂紋由此起源，嚴(yán)重降低高壓油管的疲勞壽命，這種情況也是大部分高壓油管疲勞失效漏油的原因。
    
在裂紋附近取油管的周向試樣，觀察油管的顯微組織及內(nèi)表面質(zhì)量。油管基體顯微組織為鐵素體+珠光體; 在油管內(nèi)表面裂紋對(duì)應(yīng)位置觀察到的裂紋形態(tài)見圖 2，可見此裂紋由兩部分組成，內(nèi)壁側(cè)的初始裂紋開口較寬，后擴(kuò)展的疲勞裂紋在初始裂紋的尾端萌生并擴(kuò)展，其中初始裂紋深度約0.20 mm。可見裂紋形態(tài)與掃描電鏡下觀察到的斷口形貌特征相吻合。
    

    
由圖 2 可以明顯看到，原始裂紋尾部顯微組織流線有明顯的折疊形態(tài)，說明它是在油管內(nèi)壁成形過程中產(chǎn)生的，且其缺陷級(jí)別遠(yuǎn)大于 Q 級(jí)要求，這是造成該高壓油管疲勞開裂導(dǎo)致漏油的根本原因。
    

    
	

    
2 鐓頭和桿部過渡處的加工質(zhì)量不良
    
        高壓油管鐓頭加工工藝過程復(fù)雜，變形量大，其內(nèi)外表面金屬都經(jīng)歷過強(qiáng)烈的變形流動(dòng)，如若工藝不當(dāng)，都可能出現(xiàn)金屬流線曲折甚至出現(xiàn)冷折疊缺陷。圖 3 所示是某一高壓油管鐓頭內(nèi)外表面金相檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的冷折疊形貌。
    
鐓頭處的各種工藝缺陷，在使用過程中將會(huì)成為疲勞裂紋的起源，導(dǎo)致高壓油管開裂漏油。因此，各企業(yè)都會(huì)在其內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此缺陷形態(tài)加以要求，主要是對(duì)鐓頭冷折疊裂紋的深度加以要求。
    
在掃描電鏡下觀察鐓頭斷口附近表面形貌，此處為鐓頭與桿部過渡處，可見在此處存在較多金屬擠壓變形流動(dòng)痕跡，并且形成了微裂紋，這些微裂紋應(yīng)為加工過程中形成的，如圖 5d) 所示。高壓油管鐓頭與桿部過渡處是受力較大的部位，此處形成的加工微裂紋大大增加了高壓油管發(fā)生疲勞開裂的傾向。高壓油管兩端鐓頭的顯微組織形貌如圖 6 所示，均為鐵素體+珠光體。由圖 6 可見，鐓頭處存在明顯的冷折疊缺陷，這是導(dǎo)致該高壓油管疲勞裂紋起源的直接原因。
    

    
	

    
3 高壓油管外表面“夾雜物”缺陷
    
        目前，國內(nèi)高壓油管管材幾乎都是從國外進(jìn)口，而目前相關(guān)的 ISO 標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)中，都沒有對(duì)管外表面微觀質(zhì)量進(jìn)行明確的規(guī)定。近年來，多次出現(xiàn)了疲勞裂紋由油管外表面類似夾雜物缺陷處起源，導(dǎo)致油管開裂漏油的案例。甚至，還多次發(fā)生過因?yàn)檫@種外表面類似夾雜物缺陷導(dǎo)致在油管鐓包加工過程中發(fā)生開裂的現(xiàn)象。而對(duì)于這種外表面類似夾雜物的缺陷，到目前為止還未見相關(guān)的研究。下面通過具體案例對(duì)此進(jìn)行介紹。
    
某型試驗(yàn)車在進(jìn)行寒區(qū)試驗(yàn)過程中發(fā)生高壓油管漏油，經(jīng)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)一缸高壓油管油軌端缸體內(nèi)側(cè)油管折彎處漏柴油，車輛行駛總里程 46 000 km。失效高壓油管宏觀形貌見圖 7a) ，其中黑色箭頭所指為發(fā)生漏油的部位。將裂紋打開，斷口形貌如圖 7b) 所
    
示，可見斷面平坦，開裂部位已經(jīng)貫穿油管壁厚。
    
掃描電鏡下裂紋源區(qū)形貌如圖 8a) 所示，可見裂紋起源在振動(dòng)應(yīng)力最大部位，但局部為一線源，源區(qū)存在多個(gè)疲勞臺(tái)階。圖 8b) 所示為源區(qū)局部放大形貌，可見裂紋源區(qū)的每一臺(tái)階內(nèi)，疲勞裂紋各自獨(dú)立萌生、擴(kuò)展，最后匯合成為一線源。圖 8c) 所示為疲勞擴(kuò)展區(qū)形貌，可見疲勞輝紋和二次裂紋。
    
由于目前國內(nèi)并沒有高壓油管的加工線，其他類似的管材加工過程也未見有類似報(bào)道，因此對(duì)上述類似夾雜物物質(zhì)來源的推測(cè)是否正確，目前尚無法驗(yàn)證。
    
根據(jù)上述分析，高壓油管表面的類似夾雜物缺陷是導(dǎo)致其疲勞開裂的根本原因。
    
        由于高壓油管表面通常會(huì)有一層鍍鋅層，從外觀無法檢查此類缺陷，且現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)也未要求對(duì)這類缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)、預(yù)防。有鑒于此，對(duì)油管外表面質(zhì)量的控制是非常必要的，目前相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂正在進(jìn)行中。
    

    
	
    

    

                      
    

                    
                
    

                
        
    

        
        
    
            
    
              
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