盧少林,熊記偉,韋漢輝2 姜 燁，劉龍堃，鄒海波，趙樂(lè)艇，李改莉，蘆文斌

(1.西安陜柴重工核應(yīng)急裝備有限公司，陜西 西安 7100772.陜西柴油重工有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713100)

柴油機(jī)在運(yùn)行中，自轉(zhuǎn)動(dòng)的曲柄甩出大量的潤(rùn)滑油油滴，飛濺至氣缸壁面、曲軸箱壁面。大部分滑油匯集于油底殼返回主滑油循環(huán)柜，少部分滑油由于飛濺、膨脹及蒸發(fā)形成大量的可燃性油氣[1]。隨著機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行，曲軸箱及凸輪軸箱內(nèi)部的油氣會(huì)不斷增多，柴油機(jī)內(nèi)部的壓力也會(huì)不斷增大。當(dāng)油氣壓力到達(dá)一定程度會(huì)造成曲軸箱爆炸，柴油機(jī)損毀等嚴(yán)重事故。

為了避免該事故的發(fā)生，在柴油機(jī)設(shè)計(jì)中，會(huì)在柴油機(jī)一側(cè)的曲軸箱道門上安裝防爆門，防爆門安全閥的開啟壓力為0.01 MPa，當(dāng)曲軸箱中的壓力達(dá)到0.01 MPa時(shí)，防爆門安全閥自動(dòng)彈開將油氣放出，待壓力降低后再自動(dòng)關(guān)閉。

某核電站按照現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試大綱進(jìn)行TP54試驗(yàn)期間，當(dāng)進(jìn)行到第23次時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)巡視人員發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)A 列氣缸起動(dòng)空氣管表面存在明火，隨后調(diào)試人員進(jìn)行緊急停車，在停車過(guò)程中柴油機(jī)5個(gè)防爆門全部動(dòng)作，通過(guò)防爆門口有油霧噴出。

1 機(jī)組運(yùn)行情況及故障描述

1.1 事故前機(jī)組運(yùn)行情況

該機(jī)組在廠內(nèi)交貨試驗(yàn)期間，總計(jì)起動(dòng)33次，運(yùn)行24 h 7 min，滿負(fù)載(6000 kW)運(yùn)行12 h 55 min，110%負(fù)載(6600 kW)運(yùn)行2 h 13 min，其余均為其它功率平臺(tái)運(yùn)行。

發(fā)生事故前，檢查該機(jī)組在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組總計(jì)起動(dòng)54次，運(yùn)行36 h 52 min，其中空載運(yùn)行3 h 38 min，滿負(fù)載(6000 kW)運(yùn)行18 h 26 min，110%負(fù)載(6600 kW)運(yùn)行3 h 47 min，其余均為其他功率平臺(tái)運(yùn)行。

1.2 TP54試驗(yàn)介紹

該試驗(yàn)是為了驗(yàn)證柴油機(jī)組的帶載和卸載能力，及柴油機(jī)組整個(gè)系統(tǒng)在長(zhǎng)期多種工況運(yùn)行條件下的可靠性，核電現(xiàn)場(chǎng)在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組移交試驗(yàn)期間，會(huì)進(jìn)行TP54試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)要求，需要進(jìn)行26次啟動(dòng)帶載，即柴油機(jī)10 s之內(nèi)啟動(dòng)，達(dá)到額定電壓和頻率，同時(shí)主開關(guān)合閘，執(zhí)行并網(wǎng)操作，就地增加負(fù)載，3 min之內(nèi)達(dá)到試驗(yàn)要求的功率平臺(tái)，運(yùn)行試驗(yàn)要求時(shí)間后，手動(dòng)減少負(fù)載，卸載后運(yùn)行5 min后停車。TP54試驗(yàn)功率平臺(tái)及運(yùn)行時(shí)間見表1。

表1 TP54試驗(yàn)功率平臺(tái)及運(yùn)行時(shí)間Table 1 TP54 test power platform and running time

1.3 事故現(xiàn)象描述

柴油機(jī)起動(dòng)后，運(yùn)行了大概3 min時(shí)，A列啟動(dòng)空氣管線出現(xiàn)明火，隨后采取卸載并緊急停車。在停車過(guò)程中，出現(xiàn)曲軸箱爆炸，防爆門全部打開。

事后經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)A2缸起動(dòng)空氣管線表面存在明顯燒灼痕跡(見圖1)，而A列起動(dòng)管也存在不同程度燒灼痕跡。

圖1 A2缸起動(dòng)空氣進(jìn)氣腔嚴(yán)重?zé)艶ig.1 The air intake cavity started by A2 cylinder is severely cauterized

同時(shí)B列5個(gè)防爆門全部打開，大量潤(rùn)滑油噴出(見圖2)。

圖2 防爆門全部打開情況Fig.2 All the explosion-proof doors are open

通過(guò)對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)檢查，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)組運(yùn)行3 min 2 s，轉(zhuǎn)速1000 r/min，負(fù)荷約2893.5 kW(該功率平臺(tái)應(yīng)為3000 kW，負(fù)載存在200 kW的波動(dòng))，各缸排溫約400 ℃，柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)均正常。

2 現(xiàn)場(chǎng)排查與分析

通過(guò)對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘探，建立故障樹，如圖3所示。

圖3 故障樹Fig.3 The fault tree

2.1 現(xiàn)場(chǎng)排查

通過(guò)故障樹分析，防爆門開啟的原因?yàn)榍S箱內(nèi)壓力過(guò)大造成的，而曲軸箱內(nèi)壓力過(guò)大的原因有相關(guān)運(yùn)動(dòng)件磨損發(fā)熱，曲軸箱燃?xì)獗灰技叭紵胰細(xì)飧Z入曲軸箱。

2.1.1 相關(guān)運(yùn)動(dòng)件磨損發(fā)熱

打開檢查門，檢查對(duì)主軸承表面、連桿大端瓦、曲軸表面、凸輪軸軸承、凸輪表面、滾輪表面；打開輸出端聯(lián)軸節(jié)罩殼，檢查輸出端迷宮式密封；打開定時(shí)齒輪端定時(shí)齒輪罩殼，檢查定時(shí)齒輪軸承及定時(shí)齒輪。

(1)主軸承表面

經(jīng)檢查，所有主軸承表面無(wú)異常。

(2)曲軸表面

經(jīng)檢查，曲軸表面無(wú)異常。

(3)連桿大端軸承

經(jīng)檢查，所有連桿大端軸承均無(wú)異常。

(4)凸輪軸軸承

經(jīng)檢查，所有凸輪軸軸承均無(wú)異常。

(5)凸輪、滾輪表面

經(jīng)檢查，所有凸輪、滾輪表面均無(wú)異常。

(6)輸出端迷宮式密封

經(jīng)檢查，輸出端迷宮式密封無(wú)異常

(7)定時(shí)齒輪軸承及定時(shí)齒輪

經(jīng)檢查，所有定時(shí)齒輪軸承及定時(shí)齒輪表面均無(wú)異常。

2.1.2 曲軸箱油氣被點(diǎn)燃

(1)曲軸箱明火

曲軸箱內(nèi)屬于全封閉狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)明火。

因此，可以排除明火引起此次事故的可能。

(2)柴油機(jī)內(nèi)部存在起火點(diǎn)

根據(jù)故障現(xiàn)象A排起動(dòng)空氣管線有明火，為了尋找明火源，拆下A2缸缸蓋檢查，發(fā)現(xiàn)A2缸進(jìn)氣閥挺桿穿過(guò)缸蓋本體的腔道內(nèi)有黑色燒傷痕跡。挺桿間隔套密封圈已被燒融，粘接在缸蓋底面上如圖4、圖5所示。

圖4 A2缸進(jìn)氣閥挺桿穿過(guò)缸蓋本體的腔道Fig.4 A2 cylinder intake valve lifter through the cavity of the cylinder head body

圖5 A2缸缸蓋上有明顯挺桿間隔套密封圈燒熔痕跡Fig.5 Obvious tappet spacer sleeve seal burning trace on the A2 cylinder head cover

因此，不能排除由于A排管線明火引起防爆門開啟的可能。

2.1.3 燃燒室燃?xì)飧Z入曲軸箱

由于燃燒室與曲軸箱之間通過(guò)活塞環(huán)與缸套接觸密封，因此如果燃燒室燃?xì)飧Z入曲軸箱，則存在某些缸套活塞環(huán)密封失效竄氣的情況。

通過(guò)對(duì)所有缸套內(nèi)表面及活塞環(huán)進(jìn)行檢查，存在以下問(wèn)題：

1)B9在11h方向有一條劃痕，有輕微觸感。

2)A4在11h到1h方向有多條非貫穿的細(xì)微劃痕，無(wú)觸感，珩磨網(wǎng)清晰可見。

3)A2在5h到7h方向有線條密集的劃痕，無(wú)觸感，珩磨網(wǎng)清晰可見。

其余缸套無(wú)異常。

B9、A4、A2缸缸套屬于輕微磨損，不會(huì)造成燃燒室燃?xì)飧Z入曲軸箱，加之檢查過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)竄氣痕跡。

可以排除由于缸套異常磨損造成燃燒室內(nèi)的燃?xì)飧Z入曲軸箱，導(dǎo)致曲軸箱壓力過(guò)大的可能。

2.2 A列空氣起動(dòng)管線燒灼問(wèn)題排查

檢查A2缸缸蓋起動(dòng)閥，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)閥自鎖螺母已經(jīng)脫落，螺母上的尼龍已被燒掉，與其相連的起動(dòng)空氣管路上的防火塞已被融化，且熔融物已經(jīng)反竄到起動(dòng)空氣管內(nèi)，缸蓋起動(dòng)空氣腔內(nèi)有熔融物殘留。

2.2.1 起動(dòng)閥零部件質(zhì)量問(wèn)題

由于A2缸起動(dòng)閥已經(jīng)損壞，無(wú)法檢測(cè)。因此，對(duì)廠內(nèi)起動(dòng)閥的檢驗(yàn)記錄進(jìn)行了復(fù)查。

(1)閥體、閥芯、彈簧材料不符合圖紙要求

復(fù)查廠內(nèi)閥體、閥芯、彈簧材料檢驗(yàn)記錄，符合圖紙要求。

(2)閥體、閥芯、彈簧尺寸不符合圖紙要求

復(fù)查廠內(nèi)閥體、閥芯、彈簧尺寸檢驗(yàn)記錄，符合圖紙要求

2.2.2 自鎖螺母松動(dòng)

(1)設(shè)計(jì)選型問(wèn)題

復(fù)查設(shè)計(jì)圖紙及更改單，2014年10月將普通尼龍自鎖螺母改型為開槽自鎖螺母；2016年11月將開槽自鎖螺母改型為開槽高溫自鎖螺母。確認(rèn)設(shè)計(jì)選型符合要求。

(2)裝配質(zhì)量問(wèn)題

1)自鎖螺母緊固力矩不足

復(fù)查螺母的緊固力矩(60 N·m)，滿足工藝要求。

2)起動(dòng)閥密封性不符合要求

復(fù)查起動(dòng)閥密封性實(shí)驗(yàn)記錄，密封性也滿足要求。

3)安裝的自鎖螺母是否符合圖紙要求

根據(jù)A2缸缸蓋起動(dòng)閥的檢查情況，現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)檢了A3缸缸蓋及缸蓋起動(dòng)閥，缸蓋無(wú)異常。缸蓋起動(dòng)閥上的自鎖螺母為尼龍自鎖螺母并且該螺母已經(jīng)松動(dòng)。A2、A3缸起動(dòng)閥均為尼龍自鎖螺母。前期其他項(xiàng)目出現(xiàn)過(guò)由于尼龍自鎖螺母問(wèn)題導(dǎo)致起動(dòng)閥密封失效問(wèn)題，工廠設(shè)計(jì)部門根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反饋已經(jīng)將尼龍自鎖螺母耐高溫開槽自鎖螺母。

空氣起動(dòng)閥自鎖螺母為尼龍自鎖螺母，不符合設(shè)計(jì)文件要求。

因此，不排除由于自鎖螺母松動(dòng)起動(dòng)閥無(wú)法密封，燃?xì)獾勾?，造成A排起動(dòng)管線燒灼。

3 原因分析

3.1 A排起動(dòng)管線燒灼

在柴油機(jī)每次起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)閥(結(jié)構(gòu)見圖6)均需進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作會(huì)對(duì)螺母的鎖緊產(chǎn)生一定的影響，加之尼龍自鎖螺母的鎖緊性相對(duì)較差，長(zhǎng)期使用就會(huì)造成鎖緊失效問(wèn)題。由于自鎖螺母松動(dòng)造成起動(dòng)閥無(wú)法密封，燃?xì)獾勾?，?dǎo)致A2缸阻火器(阻火器的材料為鋁，鋁的熔點(diǎn)約660 ℃)被燒掉、缸蓋起動(dòng)空氣腔道外側(cè)油漆變色(油漆燃點(diǎn)約170 ℃)及A列起動(dòng)空氣管線油漆燃燒。

圖6 單缸啟動(dòng)閥結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of single cylinder start valve

因此，此次起動(dòng)空氣管線表面油漆燃燒的原因是尼龍自鎖螺母松脫造成起動(dòng)閥失效。

3.2 曲軸箱防爆門開啟

PA6B柴油機(jī)缸蓋及缸蓋與機(jī)身的連接結(jié)構(gòu)如圖7、圖8。

圖7 缸蓋結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Cylinder head structure drawing

圖8 缸蓋與機(jī)身的連接處結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of the connection between the cylinder head and the fuselage

圖片中紅色標(biāo)識(shí)為熱傳導(dǎo)方向，黃色為曲軸箱及凸輪軸箱內(nèi)油氣方向，橘色為作功時(shí)燃?xì)夥较?。從第一張缸蓋的結(jié)構(gòu)圖可以看出：缸蓋起動(dòng)閥閥腔與主起動(dòng)空氣管路是連通的，查閱圖紙缸蓋起動(dòng)閥閥腔與缸蓋外壁的厚度為33.25 mm，進(jìn)氣挺桿孔與起動(dòng)閥閥腔的厚度7.75 mm，缸蓋起動(dòng)閥閥腔與缸蓋外壁的厚度要比進(jìn)氣閥挺桿孔與起動(dòng)閥閥腔的厚度小的多。

從第二張缸蓋的結(jié)構(gòu)圖可以看出：進(jìn)氣閥挺桿孔是與機(jī)身凸輪軸安裝型腔是相通的，也就是說(shuō)缸蓋進(jìn)氣閥挺桿孔與曲軸箱是相通的。

根據(jù)上述故障現(xiàn)象及檢查情況，結(jié)合該型柴油機(jī)缸蓋及缸蓋與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)，分析如下：

A2氣動(dòng)閥閥芯與放閥體密封失效，缸內(nèi)燃?xì)?在這種情況下，燃?xì)饧扔懈變?nèi)需要排出的廢氣也有正在燃燒的油氣)進(jìn)入缸蓋與主起動(dòng)管路相連接的氣道內(nèi)，發(fā)生故障時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min，負(fù)荷為2893.5 kW，各缸排溫約400 ℃，柴油機(jī)大概運(yùn)行3 min 2 s。燃燒室在燃油燃燒(作功沖程)時(shí)溫度大于800 ℃，高溫廢氣和燃燒的油氣，使缸蓋進(jìn)氣道周圍的溫度急劇上升，達(dá)到曲軸箱內(nèi)的油氣閃點(diǎn)，引起爆燃，缸蓋進(jìn)氣挺桿孔壁上存在滑油燃燒痕跡。缸蓋挺桿孔壁的高溫導(dǎo)致由曲軸箱進(jìn)入此處的油氣瞬間點(diǎn)燃(新滑油的閃點(diǎn)為230～240 ℃，此時(shí)該處的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該值)竄入曲軸箱引起爆燃，使得曲軸箱壓力瞬間升高，防爆門打開(防爆門開啟壓力設(shè)計(jì)值為0.1 bar±20%)。

4 結(jié) 論

綜上所述，此次質(zhì)量問(wèn)題是由于問(wèn)題的直接原因是A2缸空氣起動(dòng)閥失效；促成因素是起動(dòng)閥尼龍自鎖螺母松動(dòng)。根本原因是尼龍自鎖螺母的鎖緊性相對(duì)開槽自鎖螺母較差，失效概率大。