姜燕成

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 221116)

0 概述

6.0 kV應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是核電廠在事故時(shí)的應(yīng)急電源。每臺(tái)壓水堆核電機(jī)組設(shè)置2套應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，用于在事故工況下為專設(shè)的安全設(shè)施和系統(tǒng)供電。

某核電廠3，4號(hào)壓水堆核電機(jī)組各設(shè)置2套6.0 kV應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，共計(jì)4臺(tái)柴油機(jī)，均采用德國(guó)MTU公司生產(chǎn)的型號(hào)為20V956TB33的四沖程、高速、大功率柴油機(jī)。應(yīng)急柴油機(jī)主要輔助系統(tǒng)包括進(jìn)/排氣系統(tǒng)、啟動(dòng)空氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等。

1 故障描述

該核電廠3，4號(hào)機(jī)組自商運(yùn)后，應(yīng)急柴油機(jī)多次執(zhí)行柴油發(fā)電機(jī)組低負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束，柴油機(jī)停運(yùn)，預(yù)潤(rùn)滑油泵153PO啟動(dòng)后，多次發(fā)生預(yù)潤(rùn)滑回路油壓低報(bào)警，主控觸發(fā)柴油發(fā)電機(jī)機(jī)械故障報(bào)警，導(dǎo)致柴油機(jī)不可用，機(jī)組產(chǎn)生第1組IO?，F(xiàn)場(chǎng)在PLC上檢查柴油機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油泵出口壓力傳感器150MP，顯示只有0.1—0.2 bar (1 bar=0.1 MPa，低于 0.5 bar報(bào)警)，且該壓力值無上升趨勢(shì)；而正常情況下，此時(shí)的壓力應(yīng)該在0.8 bar左右。

3，4號(hào)機(jī)組應(yīng)急柴油機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油泵壓力低缺陷頻發(fā)，嚴(yán)重影響了機(jī)組應(yīng)急柴油機(jī)的可靠性，也對(duì)機(jī)組反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，亟需找到造成該缺陷的原因，并制定相應(yīng)的糾正措施。

2 柴油機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)介紹

當(dāng)柴油機(jī)熱備用時(shí)，預(yù)潤(rùn)滑油泵從油底殼中抽出潤(rùn)滑油，其中一部分潤(rùn)滑油通過一個(gè)過濾器送至調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另一部分潤(rùn)滑油進(jìn)入柴油機(jī)潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)。柴油機(jī)啟動(dòng)后(轉(zhuǎn)速達(dá)到350 r/min)，預(yù)潤(rùn)滑油泵停運(yùn)，改由柴油機(jī)自身的機(jī)帶泵供油。當(dāng)柴油機(jī)停運(yùn)時(shí)(轉(zhuǎn)速降至90 r/min)，預(yù)潤(rùn)滑油泵自動(dòng)啟動(dòng)，向柴油機(jī)本體內(nèi)部供潤(rùn)滑油。預(yù)潤(rùn)滑油泵入口及出口管道均設(shè)置有一道止回閥，防止在柴油機(jī)正常運(yùn)行(此時(shí)預(yù)潤(rùn)滑油泵停運(yùn))時(shí)，機(jī)帶泵產(chǎn)生的高壓將預(yù)潤(rùn)滑油泵進(jìn)出口管道內(nèi)的潤(rùn)滑油反壓回油底殼。預(yù)潤(rùn)滑回路如圖1所示。

預(yù)潤(rùn)滑回路壓力傳感器150MP位于柴油機(jī)本體預(yù)潤(rùn)滑回路上，由于存在管阻損失，正常顯示的壓力為0.5—1.5 bar(根據(jù)潤(rùn)滑油溫度變化)；若壓力低于0.5 bar，則會(huì)產(chǎn)生壓力低報(bào)警。

該核電廠3，4號(hào)機(jī)組應(yīng)急柴油機(jī)配備的預(yù)潤(rùn)滑油泵是由德國(guó)RICKMEIER公司生產(chǎn)的R35型齒輪泵，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，最大出口壓力7.5 bar，額定流量72 L/min，泵體泄壓閥開啟壓力5.5 bar?，F(xiàn)場(chǎng)安裝形式如圖2所示。

圖1 預(yù)潤(rùn)滑油回路示意

圖2 預(yù)潤(rùn)滑油泵安裝形式

3 故障原因分析和確認(rèn)

(1) 在排除了一些系統(tǒng)方面的原因后，將故障點(diǎn)定位到泵體上安裝的泄壓閥上。若預(yù)潤(rùn)滑油泵出口泄壓閥密封不嚴(yán)或回座不好，當(dāng)預(yù)潤(rùn)滑油泵啟動(dòng)后，泵出口的潤(rùn)滑油通過泵體泄壓閥回流至泵入口，只有少量的潤(rùn)滑油進(jìn)入柴油機(jī)本體，導(dǎo)致壓力傳感器150MP顯示壓力低。泵體泄壓閥的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(2) 對(duì)發(fā)生缺陷的泵進(jìn)行解體檢查，檢查齒輪情況良好，無明顯的磨損現(xiàn)象。泄壓閥閥芯及閥座密封面良好，彈簧彈性無明顯變化；若閥門正常回座后，不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)漏的情況。

(3) 在將閥芯導(dǎo)向桿從導(dǎo)向套 (見圖3)中取出的過程中，發(fā)現(xiàn)有明顯的卡澀現(xiàn)象，閥芯導(dǎo)向桿很難從導(dǎo)向套中拔出；且將彈簧壓縮后，閥芯導(dǎo)向桿很難恢復(fù)到正常位置。檢查發(fā)現(xiàn)，閥芯導(dǎo)向桿表面有明顯的磨痕(見圖4左)。解體另一臺(tái)同樣運(yùn)行了1個(gè)循環(huán)周期但未發(fā)生過壓力低缺陷的泵，也在閥芯導(dǎo)向桿同樣的位置發(fā)現(xiàn)了磨痕(見圖4右)；但磨損程度較輕，彈簧壓下后，閥芯導(dǎo)向桿能回到正常位置。檢查新備件的情況，閥芯導(dǎo)向桿上并無磨痕存在(圖5)，且閥芯導(dǎo)向桿與導(dǎo)向套之間動(dòng)作靈活，無卡澀現(xiàn)象。

圖3 泵體泄壓閥結(jié)構(gòu)

圖4 閥芯導(dǎo)向桿磨損情況對(duì)比

圖5 新閥芯

(4) 通過觀察安裝在泵本體上的出口壓力表可知，在柴油機(jī)試驗(yàn)結(jié)束停運(yùn)瞬間，預(yù)潤(rùn)滑油泵出口的壓力最高達(dá)到8.5 bar，超過了泄壓閥的開啟壓力(5.5 bar)。所以當(dāng)每次執(zhí)行柴油機(jī)試驗(yàn)后，已開啟的泄壓閥由于閥芯導(dǎo)向桿磨損卡澀而不能正常回座，導(dǎo)致油泵出口的大部分潤(rùn)滑油通過泄壓閥回流至泵入口，只有少量的潤(rùn)滑油進(jìn)入了柴油機(jī)本體，造成了預(yù)潤(rùn)滑油泵出口壓力低故障。

(5) 根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可以判斷，在每次柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)過程中，預(yù)潤(rùn)滑油泵泄壓閥都會(huì)動(dòng)作。為確認(rèn)導(dǎo)致閥芯導(dǎo)向桿磨損的根本原因，模擬柴油機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油泵的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置，制作了試驗(yàn)裝置，如圖6所示。

圖6 預(yù)潤(rùn)滑油泵試驗(yàn)裝置

將該核電廠大修期間柴油機(jī)檢修時(shí)更換下來的舊潤(rùn)滑油作為傳輸介質(zhì)，啟泵后多次手動(dòng)關(guān)閉出口止回閥160VH，人為迫使泵出口超壓泄壓閥動(dòng)作。試驗(yàn)結(jié)束后檢查泄壓閥閥芯導(dǎo)向桿，未發(fā)現(xiàn)磨損的痕跡(見圖7)。泄壓閥頻繁動(dòng)作導(dǎo)致磨損的可能性被排除。

圖7 模擬試驗(yàn)前后閥芯導(dǎo)向桿對(duì)比

(6) 在將閥芯導(dǎo)向桿從導(dǎo)向套中拔出檢查過程中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向桿表面附著有少量磨損產(chǎn)生的金屬屑，卡在導(dǎo)向桿和導(dǎo)向套之間，造成閥芯卡澀，閥門動(dòng)作后無法正?；刈?/p>

(7) 根據(jù)導(dǎo)向桿上2個(gè)磨損點(diǎn)的位置，結(jié)合閥芯的結(jié)構(gòu)形式(見圖8)。查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料，分析了導(dǎo)致磨損的根本原因。

由于導(dǎo)向桿和導(dǎo)向套之間的間隙很小(約0.1 mm)，受彈簧力影響，2個(gè)部件之間有2個(gè)位置始終緊密接觸，且預(yù)潤(rùn)滑油泵常年運(yùn)轉(zhuǎn)，受振動(dòng)影響，接觸面上會(huì)發(fā)生微動(dòng)磨損。

微動(dòng)是指機(jī)械零部件中緊密配合的接觸表面在機(jī)械振動(dòng)等交變載荷作用下產(chǎn)生微米量級(jí)振幅的微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)。微動(dòng)磨損是指承受局部接觸載荷或固定作用力的接觸副因外界振動(dòng)引起的微小相對(duì)移動(dòng)而使接觸表面產(chǎn)生的磨損。磨損產(chǎn)生的金屬屑仍附著在導(dǎo)向桿表面，卡在導(dǎo)向桿與導(dǎo)向套之間，無法排出。在柴油機(jī)停運(yùn)的瞬間，泵出口壓力高于泄壓閥開啟壓力，泄壓閥動(dòng)作后，由于導(dǎo)向桿卡澀，且此時(shí)泵出口壓力較大，抵消了部分彈簧力，導(dǎo)致閥芯無法正常回座，一直卡在一個(gè)小開度狀態(tài)。大部分的潤(rùn)滑油通過泄壓閥回流至泵入口，致使柴油機(jī)停運(yùn)后出現(xiàn)預(yù)潤(rùn)滑油泵壓力低缺陷。

圖8 閥芯結(jié)構(gòu)

4 處理方案

經(jīng)過分析、試驗(yàn)并與柴油機(jī)廠家反復(fù)溝通，制定了如下處理方案。由于泄壓閥閥芯上的插接結(jié)構(gòu)始終存在磨損卡澀的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合閥芯密封面結(jié)構(gòu)為錐形、自帶導(dǎo)向作用，并參考其他廠家的齒輪泵結(jié)構(gòu)，提出了閥芯的改進(jìn)方案——取消閥芯上的插接結(jié)構(gòu)，將彈簧直接套在導(dǎo)向桿與導(dǎo)向套上，如圖9所示。

圖9 改進(jìn)后的閥芯結(jié)構(gòu)

將改進(jìn)后的閥芯安裝到試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，啟泵后多次手動(dòng)關(guān)閉預(yù)潤(rùn)滑油泵出口止回閥，迫使泄壓閥多次動(dòng)作，運(yùn)行均正常。該改進(jìn)方案也得到柴油機(jī)廠家的認(rèn)可。2017年6月，該核電廠大修時(shí)，在每次均發(fā)生油壓低缺陷的3LHQ153PO泵上安裝了改進(jìn)型的閥芯，經(jīng)過了柴油機(jī)大修后再鑒定的多次空載啟動(dòng)運(yùn)行、4 h滿負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)及低負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)，預(yù)潤(rùn)滑油泵均工作正常。隨后，由柴油機(jī)廠家提供備件并在各核電廠進(jìn)行推廣。

5 結(jié)束語(yǔ)

自2016年8月首次發(fā)生預(yù)潤(rùn)滑油泵油壓低缺陷，歷時(shí)2年時(shí)間，維修人員通過對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)及預(yù)潤(rùn)滑油泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷分析、試驗(yàn)，最終確認(rèn)了故障原因，制定了處理方案，并在實(shí)際中成功應(yīng)用，確保了該核電廠3，4號(hào)機(jī)組應(yīng)急柴油機(jī)的可靠性。該改進(jìn)方案為后續(xù)其他核電機(jī)組應(yīng)急柴油機(jī)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)及維修提供了經(jīng)驗(yàn)。