汽輪機調(diào)節(jié)汽門油動機漏油原因分析及處理

張仁水ZHANG Ren-shui

（中廣核核電運營有限公司，深圳 518120）

0 引言

A 核電站汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)汽機進汽閥對機組進行功率、頻率、壓力和應(yīng)力控制，并對機組的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速實施超速、超加速、負(fù)荷速降和蒸汽需求限制，使機組安全和經(jīng)濟地運行于各種工況，滿足供電的頻率和功率的要求。汽機進汽閥由驅(qū)動機構(gòu)控制，驅(qū)動機構(gòu)由柱形體、重型復(fù)位彈簧和油動機組成，通過油動機內(nèi)部油壓克服彈簧力開啟閥門，失去動力油時依靠彈簧力使閥門關(guān)閉。

油動機泄漏有導(dǎo)致汽門關(guān)閉的風(fēng)險，汽門正常關(guān)閉會影響汽輪機功率，汽門突然關(guān)閉會導(dǎo)致汽輪機出現(xiàn)機組瞬態(tài)甩負(fù)荷，如果出現(xiàn)共模故障，四個高壓缸進汽通道關(guān)閉，則會違背最小系統(tǒng)原則，產(chǎn)生汽輪機脫扣保護信號導(dǎo)致機組跳閘。

油動機泄漏還會對系統(tǒng)油壓、油箱液位產(chǎn)生影響，油壓低、液位低均有相應(yīng)的跳機保護信號。

為了確保汽輪機長期在某一閥位運行后，各調(diào)節(jié)閥在其它閥位均能夠活動靈活，從而確保在汽機發(fā)生甩負(fù)荷或跳閘情況能迅速響應(yīng)，汽機不會發(fā)生超速，及時發(fā)現(xiàn)閥門存在的問題，機組會定期執(zhí)行閥門帶負(fù)荷試驗，當(dāng)油動機發(fā)生泄漏時，還需考慮對閥門帶負(fù)荷試驗的影響，避免試驗過程中出現(xiàn)機組瞬態(tài)。

油動機端蓋泄漏故障在機組運行期間無法檢修，需要充分論證是否需要停機檢修，還是采取其他措施維持運行。

1 油動機密封結(jié)構(gòu)

汽輪機調(diào)節(jié)汽門驅(qū)動機構(gòu)如圖1 所示，油動機如圖2所示。油動機主要由活塞缸、活塞、大端蓋、小端蓋等組成，水平布置。大端蓋內(nèi)部設(shè)計有導(dǎo)向銅套，主要為油動機活塞桿提供導(dǎo)向作用，小端蓋內(nèi)部設(shè)計有復(fù)合密封和刮油環(huán)，主要起密封作用。

圖1 汽輪機調(diào)節(jié)汽門驅(qū)動機構(gòu)

圖2 油動機結(jié)構(gòu)

小端蓋密封結(jié)構(gòu)如圖3，復(fù)合密封（composite seal）由橡膠圈和聚四氟乙烯環(huán)組成，兩部分都有密封作用，橡膠圈對聚四氟乙烯環(huán)有補償作用，聚四氟乙烯環(huán)對橡膠圈起支撐作用并兼有軸承和導(dǎo)向功能。正常情況下復(fù)合密封和活塞桿之間有一層油膜起密封和潤滑作用。

圖3 小端蓋密封結(jié)構(gòu)

刮油環(huán)（wiper）主要作用是清潔暴露在外部的活塞桿，阻止污泥、大顆粒雜質(zhì)、灰塵和水分等異物進入，保護復(fù)合密封；另外還能阻止越過復(fù)合密封的油外漏。油動機以抗燃油為工作介質(zhì)，復(fù)合密封橡膠圈和刮油環(huán)設(shè)計上采用氟橡膠材質(zhì)，避免腐蝕。

在小端蓋復(fù)合密封和刮油環(huán)之間設(shè)計有檢漏油孔，與油動機缸體檢漏孔相通，如果復(fù)合密封不嚴(yán)則抗燃油經(jīng)過小端蓋檢漏油孔從油動機缸體的檢漏孔流出，經(jīng)過引漏油管至廢液收集箱。

2 油動機泄漏分析及處理

2.1 故障現(xiàn)象

A2 機組正常期間，一臺汽輪機調(diào)節(jié)汽門驅(qū)動機構(gòu)油動機高壓端出現(xiàn)漏油，油動機缸體檢漏孔接頭下方堆積有黑色粉末狀排出物，疑似油動機端蓋密封的磨損產(chǎn)物。進一步檢查發(fā)現(xiàn)另外兩臺汽輪機調(diào)節(jié)汽門驅(qū)動機構(gòu)油動機也存在不同程度泄漏。每天在廢液收集箱引漏油管處收集并測量泄漏量，發(fā)現(xiàn)泄漏趨勢不穩(wěn)定，最小時幾乎沒有泄漏，最大時三個汽門油動機總計泄漏率約16L/天。

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和故障現(xiàn)象分析，導(dǎo)致油動機高壓端小端蓋發(fā)生泄漏的原因是復(fù)合密封異常磨損，油缸內(nèi)壓力油從復(fù)合密封向外側(cè)泄漏，從檢漏孔處排出。造成復(fù)合密封磨損的原因可能有以下幾個方面：

①當(dāng)活塞桿往復(fù)運動時將雜質(zhì)帶入復(fù)合密封與活塞桿相對運動的密封面，導(dǎo)致復(fù)合密封面產(chǎn)生刮痕或磨損，設(shè)備長時間運行，磨損量逐步增大，發(fā)生泄漏。

②活塞桿表面損傷、活塞桿與端蓋不同心導(dǎo)致復(fù)合密封出現(xiàn)不正常的磨損而壽命減短。

③復(fù)合密封加工尺寸偏差，內(nèi)徑尺寸偏小會導(dǎo)致密封配合過盈量過大，加速復(fù)合密封的磨損。

2.2 泄漏量分析

為了評估油動機泄漏對機組的影響，需分析能夠滿足機組運行的最大允許泄漏率。

2.2.1 理論計算

在高壓端端蓋復(fù)合密封完全失效的條件下，活塞桿與端蓋導(dǎo)向銅套的圓環(huán)間隙決定了油動機的最大泄漏率。泄漏的流體在一維軸對稱同軸圓形環(huán)間隙中流動。

參考《過程裝備密封技術(shù)》圓環(huán)間隙流動計算方法，計算過程如下：

流體在圓環(huán)間隙的流動泄漏率方程為：

圖4 同軸圓環(huán)間隙泄漏模型

沿軸向方向產(chǎn)生的壓力梯度為：

將（2）式帶入（1）式可得體積流率為：

固定開度下活塞桿與導(dǎo)向銅套相對靜止不動，邊界面相對速度U=0。閥門行程111.76mm，開關(guān)時間沒有明確要求，帶負(fù)荷試驗時約為5s 左右，閥門開關(guān)過程中活塞桿運動速度很低，可以忽略不計，則體積泄漏率為：

油系統(tǒng)主油泵出口壓力為138bar，根據(jù)閥門油壓和閥位特性曲線對應(yīng)關(guān)系，機組滿功率時調(diào)節(jié)汽門開度為39%~42%，油動機對應(yīng)油壓P1約為50bar，圓環(huán)間隙泄漏出口與大氣相通，Δp=50bar。

環(huán)形間隙高度h0在軸向和周向均保持不變?；钊麠U與銅套間隙設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為0.045~0.054mm，取上限0.054mm，則間隙高度h0=0.027mm。

銅套直徑為D=101.6mm，銅套長度即間隙流動方向上的長度為L=75mm，間隙寬度為b=πD。

實測抗燃油運動黏度ν=42mm2/s、密度為ρ=1150kg/m3

動力黏度η=ν·ρ=42×10-6×1150=4.83×10-2pa·s

帶入（4）計算可得：

則一天24 小時內(nèi)泄漏總量約為：7.2226×10-4×24×3600=62.403L

圖5 軸線平行的不同軸圓形環(huán)隙的流動

當(dāng)間隙較小時，孔和軸是不完全同心的，假設(shè)其為軸線平行的不同軸圓形環(huán)間隙中的流動，間隙沿著軸線不變而圓周方向是不斷改變的，需對計算結(jié)果進行修正。

此時，如果孔和軸的相對偏心率為ε，則相應(yīng)的體積泄漏率為：Qe=Q0（1+1.5ε2）

在軸完全靠在孔上時的偏心率，則此時體積泄漏率為：Qe=2.5Q0=156.01L/天

另外，考慮汽門開關(guān)過程中的油壓變化，以正常情況下系統(tǒng)可能達到的最大油壓138bar 代入以上計算過程，得出相應(yīng)的泄漏率為172.23L/天~430.58L/天。

2.2.2 模擬試驗

將油動機備件拆除高壓端端蓋的復(fù)合密封，在試驗臺上模擬汽門運行狀態(tài)，油壓50bar 時進行泄漏量檢測，實測泄漏率為83.28L/天。油壓為138bar 時，實測泄漏率為185.81L/天。實測值在理論計算最小值與最大值之間，影響結(jié)果的主要原因是泄漏不完全為層流，試驗油動機環(huán)形間隙為0.05mm，小于設(shè)計值上限，另外一般情況下活塞桿與銅套同心度較好，偏心率較小。

表1 密封完全失效情況泄漏率計算和試驗結(jié)果

油動機試驗臺上齒輪泵的流量為20L/min，試驗過程中，試驗壓力為50bar 或138bar 時持續(xù)監(jiān)測，都未出現(xiàn)油泵供油壓力下降或波動的現(xiàn)象?，F(xiàn)場主油泵的實際流量為196L/min，遠大于試驗臺油泵，可靠性更高。

2.2.3 處理措施

根據(jù)汽門的結(jié)構(gòu)特點、主油泵流量以及在試驗臺上進行的模擬試驗等綜合分析，單個油動機泄漏量難以達到理論計算極限，一般不會造成系統(tǒng)壓力下降進而導(dǎo)致汽門關(guān)閉，機組的正常運行風(fēng)險可控，也不影響閥門帶負(fù)荷試驗的執(zhí)行。

油系統(tǒng)主油箱最大容積1.64m3，工作容量約為1.23m3，當(dāng)液位低于0.56m 對應(yīng)油量約0.59m3時會觸發(fā)主油泵停運，油壓下降，汽輪機跳閘。油動機持續(xù)泄漏會影響液位，是影響機組安全運行的最大風(fēng)險，每天需跟蹤泄漏量及液位變化，及時采取補油等措施。

故障處理項目組保守決定當(dāng)達到線狀泄漏即泄漏率約43.2 升/天時，需要啟動應(yīng)急預(yù)案。預(yù)案主要內(nèi)容包括通過油動機的引漏管取樣，對漏油進行分析化驗，確定油質(zhì)狀況滿足系統(tǒng)正常使用后將油動機的引漏管接頭與集管塊上的回油盒上的接頭用軟管相連，將漏油引入到回油管內(nèi)排回油箱?；蛘邔⑴R時濾油機放置油室中，將漏油接入到臨時濾油機中，濾油機進行自循環(huán)，化驗合格后再倒回備用油箱中。因泄漏率未達到標(biāo)準(zhǔn)，回收泄漏油的方案未啟動，在風(fēng)險可控的情況下保持正常運行至大修。

3 最終解體檢查情況

大修期間對三臺調(diào)節(jié)汽門進行解體檢修，發(fā)現(xiàn)油動機高壓端小端蓋復(fù)合密封磨損嚴(yán)重，刮油環(huán)嚴(yán)重腐蝕，并在端蓋上分布大量磨損產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物，低壓端情況較好，符合預(yù)期。通過檢查也排除了復(fù)合密封尺寸偏差問題。

對拆下的復(fù)合密封和刮油環(huán)進行檢驗分析。復(fù)合密封材質(zhì)為氟橡膠和聚四氟乙烯，模擬試驗結(jié)果表明這兩種材質(zhì)在磷酸酯抗燃油中性質(zhì)穩(wěn)定，過濾分離的雜質(zhì)顆粒中墊圈碎片和油品氧化生成的顆粒均獨立存在。刮油環(huán)材質(zhì)錯誤，非氟橡膠材質(zhì)，模擬試驗結(jié)果表明其在磷酸酯抗燃油中會受到腐蝕影響，形成橡膠碎片和油品變質(zhì)物的復(fù)合顆粒。

高壓調(diào)節(jié)汽門穩(wěn)定保持在40%左右的開度，在復(fù)合密封作用下抗燃油不會泄漏，刮油環(huán)接觸不到抗燃油，當(dāng)閥門進行開關(guān)動作，活塞桿通過復(fù)合密封時會有微量抗燃油附著，當(dāng)帶油的活塞桿通過刮油環(huán)時會使刮油環(huán)接觸抗燃油，產(chǎn)生一定腐蝕。

油動機水平布置，在重力作用下活塞桿與復(fù)合密封下半部分偏磨，檢修時發(fā)現(xiàn)高壓調(diào)節(jié)汽門油動機活塞桿在40%開度左右普遍存在鍍鉻層輕微磨損，活塞桿缺陷也會加速復(fù)合密封的磨損，增加抗燃油泄漏量。

現(xiàn)場測量溫度對比，油動機高壓端小端蓋溫度高于低壓端端蓋溫度而且高壓端沒有防塵罩，活塞桿裸露在外，容易積聚雜質(zhì)，部分硬質(zhì)顆?？赡軙ㄟ^刮油環(huán)，日積月累雜質(zhì)不僅傷害復(fù)合密封還會在端蓋引漏孔處堆積，導(dǎo)致排油不暢，產(chǎn)生積油進而腐蝕刮油環(huán)。

綜合分析，非氟橡膠的刮油環(huán)接觸到較多抗燃油后發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)生的顆粒又隨活塞桿運動進入到復(fù)合密封中，破壞密封油膜，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致刮油環(huán)和復(fù)合密封發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕和磨損。

B 核電站油動機的端蓋密封為斯特封（step seal）形式，與A 核電站完全不同，斯特封具有摩擦力低、無爬行、啟動力小、耐高壓、不易磨損等優(yōu)點，可靠性更高。從檢修歷史看，B 核電站油動機未發(fā)現(xiàn)端蓋密封磨損和漏油的情況。

根據(jù)分析結(jié)果維修人員采取了更換氟橡膠材質(zhì)刮油環(huán)的措施解決了端蓋泄漏問題，并推動油動機替代改造，消除了重大設(shè)備隱患。

4 結(jié)束語

本文針對油動機漏油異常進行了根本原因分析，通過現(xiàn)場跟蹤排查、分析計算泄漏率對機組造成的影響以及離線試驗驗證保證了機組安全穩(wěn)定運行。在大修時對油動機進行全檢，鎖定了造成油動機泄漏的根本原因是刮油環(huán)材質(zhì)錯誤。后續(xù)電廠采購了密度儀輔助判斷密封件材質(zhì)，加強了備件驗收管理，取得了良好效果。最終通過更換油動機端蓋的密封形式，徹底解決重大設(shè)備隱患，也為處理類似設(shè)備故障提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。