核電廠應(yīng)急柴油機(jī)動(dòng)力單元組件損壞原因分析

初向南，賴云亭，關(guān)建軍，韓 陽

(1.陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941；2.蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

2017年7月13日,某核電廠MTU956系列應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組按計(jì)劃執(zhí)行設(shè)備40%額定功率平臺(tái)每月定期試驗(yàn)。試驗(yàn)上午11時(shí)54分開始,運(yùn)行至12時(shí)14分,應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組A1-B1缸兩側(cè)曲軸箱觀察孔蓋板突然碎裂,曲軸平衡塊脫落并飛出，導(dǎo)致油底殼擊穿，伴隨大量潤滑油及冷卻水泄漏，柴油機(jī)潤滑油壓力低保護(hù)動(dòng)作，試驗(yàn)人員同步執(zhí)行緊急停機(jī)干預(yù)，柴油機(jī)停運(yùn)。經(jīng)勘察，柴油機(jī)A1-B1缸動(dòng)力單元組件損壞嚴(yán)重，曲軸平衡塊脫落、活塞裙、連桿大端瓦燒毀、連桿脫落、機(jī)身與曲軸受損、主潤滑油管道等曲軸、機(jī)身等核心部件報(bào)廢，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，在中國核電柴油機(jī)領(lǐng)域引起前所未有的關(guān)注。本文主要通過科學(xué)檢測(cè)方法對(duì)事件發(fā)生的根本原因進(jìn)行探究[1]，制定行之有效的預(yù)防措施，避免事件重發(fā)。

1 應(yīng)急柴油機(jī)簡介

應(yīng)急柴油機(jī)(柴油機(jī))發(fā)電設(shè)備在核電站中作為后備電源使用，在核電廠失去全部外部電源的工況下，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，供給核反應(yīng)堆安全停堆所需電能。事發(fā)核電廠選用的應(yīng)急柴油機(jī)型號(hào)為MTU20 V956TB33，是由德國MTU柴油機(jī)廠(MTU)生產(chǎn)組裝，具有高轉(zhuǎn)速、大功率等特點(diǎn)。

柴油機(jī)為四沖程，機(jī)身采用V形布置(見圖1)，曲軸由13個(gè)滑動(dòng)主軸承支撐在由主軸承座中，在曲軸輸出端設(shè)計(jì)有止推軸承實(shí)現(xiàn)曲軸的軸向定位。濕式缸套由特種鑄鐵離心澆鑄而成，安裝在機(jī)體左右兩側(cè)的缸套孔中。在機(jī)身的左右兩側(cè)各設(shè)計(jì)了8個(gè)觀察孔門和2個(gè)防爆孔門，用以維修和檢查運(yùn)動(dòng)部件的狀態(tài)，防止曲軸箱超壓。

圖1 柴油機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Engine body structure

連桿采用并列結(jié)構(gòu)，使曲軸受力均勻。組合式活塞，活塞頭與活塞裙內(nèi)鑄有冷卻油槽，V形夾角內(nèi)設(shè)計(jì)有活塞冷卻油噴嘴，連續(xù)不斷地向活塞內(nèi)部噴入滑油，以帶走活塞頭熱量，降低活塞熱負(fù)荷。機(jī)身是柴油機(jī)的支撐基礎(chǔ)，整體鑄造而成，曲軸布置在中心線以下，左右兩側(cè)氣缸中心線成60°，V 形夾角中部有兩根鋼制主潤滑油管道，分別潤滑冷卻活塞及曲軸軸瓦等運(yùn)動(dòng)部件。動(dòng)力單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，柴油機(jī)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 柴油機(jī)動(dòng)力單元結(jié)構(gòu)Fig.2 A1-B1 power unit of engine

表1 MTU20V956TB33柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of MTU20V956TB33

2 故障現(xiàn)象

現(xiàn)場勘查顯示柴油機(jī)A1-B1缸動(dòng)力單元組件損壞極為嚴(yán)重，主要?jiǎng)恿Σ考胁煌潭葥p傷：缸套碎裂、活塞裙與活塞頭分離并碎裂、連桿大端瓦剝落狀燒毀、連桿大端螺栓斷裂、連桿變形脫落、曲柄銷表面啃食過熱、平衡重緊固螺栓斷裂、曲軸損壞等關(guān)鍵組件損壞與機(jī)身報(bào)廢，其中平衡重緊固螺栓斷裂引起平衡重脫出，并擊穿油底殼和機(jī)身觀察孔門等，導(dǎo)致主潤滑油道與活塞冷卻油道斷裂[4]。損傷情況如圖3所示。

圖3 A1-B1缸動(dòng)力單元組件損傷情況Fig.3 Damage situation of A1-B1 power unit

3 關(guān)鍵受損動(dòng)力組件檢測(cè)分析及故障原因排查

通過對(duì)故障部件的收集和目視檢查，發(fā)現(xiàn)A1-B1缸氣缸套、兩側(cè)機(jī)身、油底殼等部件嚴(yán)重碎裂，斷口形貌不規(guī)則，應(yīng)為受到連桿或平衡重等高速旋轉(zhuǎn)部件撞擊而產(chǎn)生，原發(fā)故障點(diǎn)的關(guān)鍵部件應(yīng)在連桿組件、平衡重組件，從結(jié)構(gòu)分析，能夠引起連桿或平衡重組件運(yùn)行中失穩(wěn)的主要零件包括平衡重螺栓、連桿大端瓦、連桿大端螺栓、連桿體等。因此以對(duì)上述組件進(jìn)行材料學(xué)等全面檢測(cè)，根據(jù)結(jié)果綜合對(duì)比分析，定位引起本次故障的根本原因[8]。

3.1 連桿大端螺栓與平衡重螺栓材料學(xué)檢測(cè)分析

將發(fā)生損壞的柴油機(jī)A1-B1缸連桿大端螺栓平均分為兩份，分別送至蘇州熱工研究院(簡稱：SNPI)和MTU實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，4顆平衡重緊固螺栓送至SNPI檢測(cè)。為了對(duì)比分析，將兩顆完好的連桿大端螺栓送去檢測(cè)。對(duì)螺栓的化學(xué)成分、硬度、金相、拉伸、沖擊等性能進(jìn)行測(cè)試。為便于分析，根據(jù)螺栓所屬連桿的不同，將連桿大端螺栓與平衡重螺栓編碼如圖4所示。具體編碼：A1連桿大端螺栓分別是A1-1號(hào)、A1-2號(hào)、A1-3號(hào)、A1-4號(hào)；B1連桿大端螺栓分別是B1-1號(hào)、B1-2號(hào)、B1-3號(hào)、B1-4號(hào)；平衡重螺栓分別是1-1、2-2、3-3、4-4；兩顆完好的連桿大端螺栓編碼分別是M1-1號(hào)、M1-2號(hào)。

圖4 送檢螺栓位置與編號(hào)Fig.4 The Positions and Numbers of Bolts

3.1.1 化學(xué)成分

在送檢大端螺栓和平衡重螺栓上鉆取部分鐵屑，使用PerkinElmer Optima210 0DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和C、S分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分分析結(jié)果如表2所示。分析結(jié)果與柴油機(jī)廠家技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示連桿大端螺栓化學(xué)成分滿足廠家對(duì)42CrMo4材質(zhì)的技術(shù)要求，平衡重螺栓化學(xué)成分滿足廠家對(duì)34CrNiMo6材質(zhì)的技術(shù)要求。

表2 連桿大端螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量比)Table 2 Chemical composition analysis results of con-rod bolts(Quality ratio)

3.1.2 硬度測(cè)試

根據(jù)GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，對(duì)送檢大端螺栓和平衡重螺栓取樣進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)測(cè)試[10]。測(cè)試設(shè)備為XHBT-3000ZⅢ型全自動(dòng)布氏硬度計(jì)，試驗(yàn)條件選用負(fù)荷187.5 kgf，負(fù)荷保持時(shí)間10 s。測(cè)試結(jié)果如表4所示，硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，送檢連桿大端螺栓及平衡重螺栓的硬度分布均較為均勻。

表3 平衡重螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量比)Table 3 Chemical composition analysis results of balance weight (Quality ratio)

表4 螺栓硬度測(cè)試結(jié)果Table 4 Bolts hardness test result

3.1.3 室溫拉伸性能測(cè)試

根據(jù)BS EN ISO 6892-1-2009《Metallic materials-Tensile testing Part 1:Method of test at ambient temperature》，對(duì)送檢螺栓取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)測(cè)試[11]。拉伸試驗(yàn)使用日本AG-IC 100 kN 精密電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，結(jié)果顯示連桿大端螺栓與平衡重螺栓拉伸強(qiáng)度均在廠家技術(shù)要求范圍內(nèi)，與硬度間的轉(zhuǎn)換關(guān)系符合EN ISO 18265標(biāo)準(zhǔn)》[12]。測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 螺栓硬度測(cè)試結(jié)果Table 5 Bolts hardness test result

3.1.4 金相分析

對(duì)送檢的螺栓取樣采用 ZEISS AXIOVERT 200 MAT 研究級(jí)倒置萬能金相顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)[2]，放大到20 μm進(jìn)行觀察，送檢螺栓的材料表層和心部組織均勻，顯微組織均為回火索氏體，內(nèi)部未見夾雜物或氣孔。金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 A1-1號(hào)螺栓金相圖Fig.5 A1-1# bolt metallographic picture

綜合上述檢測(cè)結(jié)果可判斷，送檢螺栓在化學(xué)成分、硬度、室溫抗拉性能、金相等方面均未見異常，證明連桿大端螺栓及平衡重緊固螺栓質(zhì)量、性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，突發(fā)斷裂導(dǎo)致連桿、平衡重失穩(wěn)的概率低。

3.2 平衡重螺栓與連桿大端螺栓斷口分析

對(duì)送檢連桿大端螺栓斷口、平衡重螺栓斷口在掃描電鏡下進(jìn)行微觀觀察，采用半定量選區(qū)掃描的方法，使用TESCAN VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡配合EDAX ENESIS2000X-Ray能譜儀對(duì)斷口區(qū)域進(jìn)行微觀掃描與能譜分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 A1-2號(hào)連桿大端螺栓掃描電鏡檢測(cè)Fig.6 Scanning electron microscope test result of A1-2# con-rod bolt

根據(jù)斷口形貌分析[3]，A1-2號(hào)連桿大端螺栓為首斷件，斷面宏觀可見纖維狀條帶特征，源區(qū)微觀呈現(xiàn)臺(tái)階狀磨損特征，可見疲勞條帶，未發(fā)現(xiàn)夾雜物顆粒及機(jī)加工刀痕等異常，源區(qū)附近擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶、二次裂紋及韌窩混合特征，快速擴(kuò)展區(qū)為韌窩形貌，斷口附近牙底均可見周向連續(xù)的整圈裂紋，裂紋內(nèi)存在較多的二次裂紋，診斷該斷口為典型的低周疲勞斷裂。A1-1號(hào)連桿大端螺栓隨后斷裂，斷口有明顯的塑性變形，斷面凹凸不平，邊緣小范圍區(qū)域宏觀上可見纖維狀條帶特征，微觀上源區(qū)呈現(xiàn)為臺(tái)階狀磨損特征，可見疲勞條帶，未發(fā)現(xiàn)夾雜物顆粒及機(jī)加工刀痕等異常，源區(qū)附近擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶、二次裂紋及韌窩混合特征，終斷區(qū)面積較大，為韌窩形貌特征。可見該斷口為低周疲勞疊加韌性過載混合型斷裂。A1-3號(hào)、A1-4號(hào)、B1-3號(hào)、B1-4號(hào)連桿大端螺栓均為韌性過載斷裂，宏觀可見塑性變形特征，微觀上各區(qū)域均為韌窩形貌，源區(qū)未發(fā)現(xiàn)夾雜物顆粒及機(jī)加工刀痕等異常。B1-1號(hào)、B1-2號(hào)螺栓因承受氣缸工作時(shí)的交變應(yīng)力產(chǎn)生塑性變形損傷，螺桿縮頸并從螺栓孔內(nèi)松脫。而平衡重螺栓斷裂發(fā)生在連桿大端螺栓斷裂之后，斷裂性質(zhì)均為韌性過載斷裂。

查詢連桿大端螺栓與平衡重螺栓裝配記錄，確認(rèn)連桿大端螺栓在裝配時(shí)嚴(yán)格按照文件規(guī)定的方法進(jìn)行安裝，并經(jīng)QC雙重驗(yàn)證刻線到位，螺栓質(zhì)量、組裝工藝均無異常，說明螺栓斷裂非本次事件原發(fā)故障點(diǎn)，是由于連桿大端瓦燒毀后，連桿大端孔與曲軸曲柄間的間隙增大，柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)氣缸的爆燃?jí)毫?duì)連桿大端螺栓產(chǎn)生交變沖擊應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。

3.3 連桿大端瓦檢測(cè)分析

油底殼清理檢查過程中，僅找到連桿大端瓦的剝落狀碎片，未發(fā)現(xiàn)完整的A1-B1缸連桿大端瓦殘片。目視檢查發(fā)現(xiàn)連桿大端瓦座和對(duì)應(yīng)的曲柄銷表面有過熱發(fā)黑現(xiàn)象。根據(jù)金屬回火后表面顏色判斷，連桿大端瓦與曲柄銷接觸位置產(chǎn)生約300～500 ℃的高溫，超出連桿大端瓦巴氏合金工作溫度(約160 ℃)，導(dǎo)致連桿大端瓦燒毀。

拆卸剩余18個(gè)氣缸的連桿大端瓦，進(jìn)行著色探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)瓦面有脫胎、氣孔等制造缺陷。取B2缸連桿大端瓦送德國MIBA軸瓦生產(chǎn)廠家進(jìn)行專業(yè)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。結(jié)果顯示該連桿大端瓦工作面光潔如新，化學(xué)成分、硬度、幾何尺寸均符合軸瓦廠家標(biāo)準(zhǔn)，同批次連桿大端瓦存在初始質(zhì)量缺陷而導(dǎo)致軸瓦燒毀為小概率事件。

表6 連桿大端瓦檢測(cè)結(jié)果Table 6 Inspection result of con-rod bearings

3.4 主軸瓦檢測(cè)分析

為查找連桿大端瓦燒毀的原因，將位于A1-B1缸連桿大端瓦潤滑油路上下游最近的2號(hào)、3號(hào)主軸瓦進(jìn)行了拆檢，其中在2號(hào)主軸瓦下瓦工作面的中間部位發(fā)現(xiàn)一條寬約1.32 mm的較深劃痕[見圖7(a)]，劃痕邊緣有凸起，屬硬質(zhì)顆粒異物造成，下瓦瓦角處存在多條密集劃痕；將2號(hào)主軸瓦送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，分析上下瓦劃痕的成因，在多處月牙形的異物壓痕，壓痕表面呈現(xiàn)機(jī)加工碎屑形貌[見圖7(b)]，在其中一處月牙形壓痕中找到少量異物的殘留碎屑，經(jīng)光譜分析確認(rèn)，殘留異物的材質(zhì)為Cr/Ni合金鋼，化學(xué)成分與曲軸制造材料34CrNiMo6相符[5]。

圖7 2號(hào)主軸瓦下瓦劃痕分析Fig.7 Analysis of the scratches on the lower 2# main bearing

掃描電鏡下觀察2號(hào)主軸瓦上瓦，發(fā)現(xiàn)上瓦邊緣處存在密集劃痕，形貌為金屬刷狀，劃痕中找到少量殘留異物，光譜分析確認(rèn)異物主要成分為Al/Cu合金，該材質(zhì)未使用在柴油機(jī)設(shè)備上，為外部引入異物，異物形貌及成分如圖8所示。

圖8 2號(hào)主軸瓦上瓦劃痕分析Fig.8 Analysis of the scratches on the upper 2# main bearing

檢查結(jié)果表明主軸瓦潤滑油回路中存在異物，異物造成2號(hào)主軸瓦劃痕但未留在主軸瓦表面，根據(jù)潤滑油流程可知，異物隨潤滑油流入下游A1-B1缸連桿大端瓦與曲軸配合的工作面，并造成連桿大端瓦燒毀。

3.5 潤滑油過濾器檢查分析

為查找異物進(jìn)入潤滑油系統(tǒng)的原因，現(xiàn)場拆檢了柴油機(jī)主潤滑油過濾器，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)潤滑油過濾器為雙重過濾結(jié)構(gòu)，首層濾芯為紙質(zhì)，二層濾芯為免維護(hù)金屬縫隙濾，雙重濾芯均完整，過濾精度為微米級(jí)，異物無法通過濾芯進(jìn)入潤滑油系統(tǒng)。切割紙質(zhì)濾芯，取濾芯表面金屬殘留物進(jìn)行微觀檢測(cè)[9]與光譜分析，分析結(jié)果如圖9所示。根據(jù)分析結(jié)果，確認(rèn)濾芯表面金屬均為軸瓦、曲軸磨損后的產(chǎn)物，無其他特征成分，由此推斷潤滑油系統(tǒng)內(nèi)異物應(yīng)為曲軸制造或裝配階段殘留。

圖9 濾芯殘留物分析Fig.9 Analysis of residue on oil filters

綜合上述各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果分析，曲軸在機(jī)加工階段產(chǎn)生的金屬殘余碎屑與清潔金屬刷殘留在曲軸潤滑油道中，在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)異物隨潤滑油進(jìn)入2號(hào)主軸瓦工作面，劃傷2號(hào)主軸瓦繼而產(chǎn)生新的巴氏合金碎屑，新舊異物繼續(xù)隨潤滑油進(jìn)入A1-B1缸連桿大端瓦工作面，因連桿大端瓦與曲柄銷配合間隙較主軸瓦與曲軸軸頸的間隙小，且柴油機(jī)運(yùn)行中連桿大端瓦承受來自氣缸內(nèi)爆燃產(chǎn)生的、沿連桿軸向作用的交變沖擊，導(dǎo)致新舊異物殘留在A1-B1缸連桿大端瓦表面，造成連桿大端瓦磨損，瓦面巴氏合金層逐步變薄，連桿大端孔與曲柄銷的配合間隙逐漸增大，氣缸爆燃時(shí)連桿大端孔與曲柄銷產(chǎn)生撞擊，導(dǎo)致A1-1號(hào)/2號(hào)連桿大端螺栓疲勞斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致其他螺栓過載斷裂，連桿失去定位開始在曲軸箱內(nèi)掃膛，擊碎缸套與活塞裙，擊穿機(jī)身V形夾角內(nèi)的潤滑油管，造成潤滑油壓力保護(hù)動(dòng)作，連桿失穩(wěn)后，曲軸失去動(dòng)平衡，平衡重螺栓在離心力作用與連桿的撞擊下過載斷裂，進(jìn)而造成柴油機(jī)動(dòng)力單元組件損壞。

4 結(jié)論

經(jīng)對(duì)損壞的MTU956柴油機(jī)全面拆檢及檢測(cè)可知，導(dǎo)致柴油機(jī)A1-B1缸動(dòng)力單元組件損壞故障的最可能原因?yàn)榍S制造階段的機(jī)加工碎屑、簇狀金屬刷異物殘留在潤滑油回路，隨潤滑油進(jìn)入A1-B1連桿大端瓦燒毀連桿大端瓦，最終導(dǎo)致A1-B1缸動(dòng)力單元組件損壞。

縱觀此次事件，根本原因?yàn)閺S家曲軸制造或裝配階段的清潔度把控不嚴(yán)，核心部件內(nèi)存在異物未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，后續(xù)廠家需要進(jìn)一步規(guī)范防異物質(zhì)量控制，提升設(shè)備清潔方法，從根本上杜絕事件重發(fā)。除此以外，目前國際上知名應(yīng)急柴油機(jī)廠家均已開發(fā)并應(yīng)用在線軸瓦溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在主軸瓦瓦座、曲軸箱觀察孔門等位置安裝高精度溫度傳感器感知流經(jīng)軸瓦的潤滑油溫度變化，進(jìn)而判斷軸瓦的工作狀態(tài)，捕捉軸瓦異常磨損的先兆信息[7]，可提早發(fā)現(xiàn)故障隱患，及時(shí)干預(yù)停機(jī)，避免設(shè)備損壞。

未來隨著計(jì)算機(jī)革命的深入推進(jìn)，大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的應(yīng)用，振動(dòng)分析能力將不斷加強(qiáng)，通過對(duì)振動(dòng)幅值、加速度的變化分析典型異常振動(dòng)來源將會(huì)更加有效的提升故障感知水平，提高核電廠應(yīng)急柴油機(jī)可靠性。