核電廠應(yīng)急柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)損壞原因及修復(fù)技術(shù)分析

康勇，高山，康毅，劉超，高敏，趙夢瑩

（山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037036）

國內(nèi)在核電生產(chǎn)方面，使用的應(yīng)急柴油機(jī)仍然處于國產(chǎn)化早期，需要加強(qiáng)其質(zhì)量控制研究，逐步縮短國家在核電設(shè)備研制方面與發(fā)達(dá)國家的差距，以推動(dòng)國家核文化的健康發(fā)展。而配氣機(jī)構(gòu)為柴油機(jī)的重要組成部分之一，運(yùn)行狀態(tài)將決定了發(fā)動(dòng)機(jī)能否可靠工作，因此在發(fā)生損壞時(shí)需要查找故障根源，合理應(yīng)用修復(fù)工藝杜絕類似情況反復(fù)發(fā)生，從而提高核電廠設(shè)備管理水平。

1 核電廠應(yīng)急柴油機(jī)質(zhì)量管理要求

現(xiàn)階段，國內(nèi)核電廠選用的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)多為進(jìn)口或與外方合資產(chǎn)品，參照EJ/T625《核電廠備用電源用柴油發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)則》等規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)管理。不同于普通柴油機(jī)，核電柴油機(jī)應(yīng)結(jié)合運(yùn)行環(huán)境特殊性和重要性加強(qiáng)質(zhì)量管理，如需達(dá)到核電工況下連續(xù)工350h不停機(jī)、熱輻射、設(shè)備與船同壽命等多種要求，在滿足核級要求的同時(shí)應(yīng)滿足GJB9001C等質(zhì)保要求，從設(shè)計(jì)質(zhì)量控制、總裝質(zhì)量控制、核安全資格審查等方面提出相應(yīng)管理要求，建立完整的核質(zhì)量體系，推動(dòng)核安全文化建設(shè)。在服役期間，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)具備備用電源和冗余設(shè)備工作能力，在基準(zhǔn)事件發(fā)生前后達(dá)到EJ/T625規(guī)范的運(yùn)行小時(shí)數(shù)、循環(huán)次數(shù)等要求。因此針對柴油機(jī)運(yùn)行的輔助機(jī)構(gòu)和各系統(tǒng)，要求加強(qiáng)冗余設(shè)計(jì)，如起動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)配備電啟動(dòng)和空氣啟動(dòng)裝置，冷卻系統(tǒng)需要外帶水泵，控制系統(tǒng)采用主備用設(shè)計(jì)。而在柴油機(jī)各機(jī)構(gòu)發(fā)生損壞時(shí)，則要求從研制、安裝、運(yùn)行等多方面展開分析，確定機(jī)構(gòu)損壞原因，采取有效修復(fù)工藝，杜絕類似問題再次發(fā)生，從而增強(qiáng)應(yīng)急柴油機(jī)的可靠性。

2 核電廠應(yīng)急柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)損壞分析

2．1 故障現(xiàn)象

某核電廠使用的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)屬于后備機(jī)組，要求在替代不可用發(fā)電機(jī)組時(shí)達(dá)到10s內(nèi)達(dá)到6000kW額定功率運(yùn)行要求。選用的設(shè)備為德國MTU生產(chǎn)的20V956TB33型號柴油機(jī)，擁有成60°V形分布的20個(gè)氣缸，屬于直噴、四沖程設(shè)備。但實(shí)際在設(shè)備變負(fù)荷試運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)A6缸出現(xiàn)冒煙情況，初步檢查確認(rèn)進(jìn)氣管位置發(fā)黃，立即對設(shè)備進(jìn)行停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)、排氣門位置多處零部件發(fā)生損傷。進(jìn)一步拆解檢查，確認(rèn)近搖臂的進(jìn)氣門桿彎曲變形，油道存在碎屑，氣門間隙的鎖緊螺母等配件松動(dòng)。與此同時(shí)，進(jìn)、排氣門的挺桿變形，滾子導(dǎo)套卡死，磨損嚴(yán)重。此外，凸輪軸瓦抱死，表面發(fā)黑，出現(xiàn)金屬熔化現(xiàn)象。

2．2 故障排查

2．2．1 損壞因素

在故障排查階段，首先應(yīng)確定各零部件損壞可能與哪些因素相關(guān)。從結(jié)構(gòu)上來看，配氣機(jī)構(gòu)主要包含氣閥組件、傳動(dòng)組件和凸輪軸組件。其中，氣閥組件由氣門、彈簧、萬向節(jié)構(gòu)成等構(gòu)成，能夠固定在氣缸蓋的位置。傳動(dòng)組件由搖臂機(jī)構(gòu)、挺桿等構(gòu)成，可以將曲軸輸出動(dòng)力通過各組件傳遞給氣閥，實(shí)現(xiàn)氣門開閉。凸輪軸組件包含滾子導(dǎo)套、軸瓦安裝軸徑等部分。在配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)行的過程中，曲軸能夠通過齒輪箱帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)過一定角度后通過凸輪將滾子導(dǎo)套定期。通過與搖臂機(jī)構(gòu)配合，可以將氣閥打開，實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣功能?？紤]到零部件較多，需要對可能造成機(jī)構(gòu)損壞的因素展開分析。

一方面，氣閥盤作為燃燒室一部分，需要承受高溫高壓燃?xì)庾饔?，?dǎo)致密封面容易受到磨損。而氣閥的開閉期間，將與閥座產(chǎn)生撞擊，久而久之可能出現(xiàn)變形問題。氣閥一旦出現(xiàn)粘著問題，將導(dǎo)致氣閥桿在套管中咬死，引發(fā)活塞撞擊、閥桿頂彎、搖臂斷裂等危害。而在萬向節(jié)和氣閥桿件連接部位，存在螺母能夠?qū)Χ唛g的間隙進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到鎖緊效果，以免桿件因受熱出現(xiàn)伸長問題，給氣閥關(guān)閉帶來困難。而氣閥間隙超標(biāo)，在熱量傳遞期間可能引發(fā)軸瓦燒毀，繼而導(dǎo)致傳動(dòng)組件卡澀。

另一方面，凸輪軸通過傳動(dòng)組件對氣閥開閉進(jìn)行控制，是重要的傳動(dòng)軸。而在凸輪軸運(yùn)行期間，將承受氣閥沖擊，表面產(chǎn)生較大接觸應(yīng)力，要求避免耐磨性、抗沖擊能力等較強(qiáng)。日常缺乏保養(yǎng)，造成凸輪軸軸徑和軸承間隙過大或缺少潤滑油，將出現(xiàn)無法上行至搖臂支座的情況。研制上存在缺陷，軸承油槽深度不足或各構(gòu)件松脫漏油，將引發(fā)搖臂襯套燒損問題。而凸輪軸質(zhì)量符合要求，也可能因日常使用潤滑油質(zhì)量較差或氣門彈簧彈力過大引發(fā)零部件咬死問題，導(dǎo)致凸輪軸出現(xiàn)擦傷甚至變形情況，給齒輪嚙合間隙的傳動(dòng)效果帶來影響，造成配氣定時(shí)有所改變。修理不規(guī)范，導(dǎo)致軸承與缸體座孔過盈量過小，軸承容易發(fā)生滾動(dòng)情況，導(dǎo)致油孔與油道錯(cuò)位，引發(fā)缺油問題。此外，凸輪磨損嚴(yán)重，影響截面空氣流通和配氣定時(shí)，也將引發(fā)機(jī)構(gòu)故障。

2．2．2 排查方法

在故障排查時(shí)，需要遵循“由表到里”的原則，將氣缸蓋等外部構(gòu)件拆下后，對各缸組件進(jìn)行檢查，確認(rèn)連接情況。通過手動(dòng)盤車，確定各氣門開閉情況，并做好氣門間隙檢查，確認(rèn)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。將搖臂拆下，檢查軸、座等各部分是否損傷，并對氣門推桿進(jìn)行檢查對比，確認(rèn)是否存在變形等問題。對凸輪軸進(jìn)行檢查，使用扎帶將連著的各缸挺桿向上綁緊，將前端止推片拆下，進(jìn)行邊旋轉(zhuǎn)邊抽拉，確認(rèn)是否與挺桿脫離和表面受損情況?？紤]到實(shí)際受損部件較多，需要通過進(jìn)一步分析確定最初損壞部件。為此，需要對各部件進(jìn)行形貌觀察，確定部件損傷程度。對A6缸滾子導(dǎo)套卡死原因展開分析，發(fā)現(xiàn)與潤滑不良引發(fā)的冷焊抱死問題有關(guān)。按照配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，潤滑油除了為挺桿、導(dǎo)套等部分潤滑，同時(shí)需要為A5缸提供密封油。對油道進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)來自于A6缸凸輪軸瓦掉落的金屬碎屑。而氣門間隙不符合規(guī)定，不會給軸瓦帶來過大損傷。由此可見，最先損壞的部件為軸瓦，掉落碎片進(jìn)入油道引發(fā)了潤滑油流動(dòng)性變差問題，導(dǎo)致導(dǎo)套卡死和氣門粘滯，活塞撞入氣門，給其他零部件帶來了損傷。

2．3 原因確認(rèn)

確定軸瓦最先損壞后，需要進(jìn)一步確認(rèn)其損壞原因。為滿足核電站柴油機(jī)質(zhì)量管理要求，從軸瓦研制、安裝、運(yùn)行工況等多個(gè)角度展開分析。

（1）對零部件研制質(zhì)量進(jìn)行分析，可知軸瓦由內(nèi)層鑄態(tài)金屬和外層碳鋼構(gòu)成。拆解后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層發(fā)生磨損，導(dǎo)油槽周圍氧化、發(fā)黑，部分被銅合金填充。外層磨損較少，通過掃描電鏡進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)磨損呈現(xiàn)環(huán)向犁溝狀，存在氧化層。通過金相組織分析，可知內(nèi)層的銅合金存在熔化變形情況，引發(fā)第二相外溢。對外層展開分析，發(fā)現(xiàn)碳鋼層組織出現(xiàn)相變情況，受損位置滲入銅金屬。通過檢查結(jié)構(gòu)硬度，發(fā)現(xiàn)內(nèi)層硬度有所提升，外層有所下降，因此判斷軸瓦設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量符合要求，燒損與同時(shí)承受高溫和應(yīng)力作用有關(guān)。

（2）對軸瓦安裝情況展開分析，對A列各缸凸輪軸進(jìn)行檢查，確認(rèn)進(jìn)油孔、軸徑等各部分尺寸是否符合要求。通過逐一檢查后，發(fā)現(xiàn)A6軸瓦安裝間隙超標(biāo)，其他均正常。從軸瓦結(jié)構(gòu)上來看，其基座為橢圓形，設(shè)計(jì)的內(nèi)徑為138.000mm，外徑為138.135mm，偏差均在0～0.025mm范圍內(nèi)。在軸瓦裝配過程中，安裝后內(nèi)徑達(dá)到130.035mm，偏差在0～0.055mm之間，軸徑達(dá)到130.000mm，偏差在-0.125～-0.085mm范圍。但從A6缸軸瓦檢查結(jié)果來看，瓦座直徑達(dá)到137.93mm，比標(biāo)準(zhǔn)值要小。對備件庫中軸瓦進(jìn)行檢查，選擇外徑最小軸瓦安裝，發(fā)現(xiàn)內(nèi)徑仍然未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，與軸徑間的間隙達(dá)到了0.085mm，意味著裝配后與瓦座配合將出現(xiàn)過盈問題。而隨著瓦座內(nèi)容外擴(kuò)，內(nèi)縮日漸嚴(yán)重，運(yùn)行間隙逐漸減小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力不足。

（3）對零部件運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)查，確認(rèn)在柴油機(jī)完成裝配后運(yùn)輸?shù)絿鴥?nèi)進(jìn)行驗(yàn)收測試，自投入使用以來經(jīng)歷了300多次啟動(dòng)，運(yùn)行時(shí)間總計(jì)不超380h。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄，可知在此次故障發(fā)生前柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，A9缸并未出現(xiàn)異常報(bào)警。此次對設(shè)備進(jìn)行磨合試驗(yàn)，潤滑油進(jìn)口溫度未能達(dá)到規(guī)定值，繼而發(fā)出報(bào)警。根據(jù)平時(shí)運(yùn)行工況和設(shè)備保養(yǎng)記錄等各方面數(shù)據(jù)可知，日常落實(shí)了潤滑工作，因此軸瓦損傷與工況無關(guān)。

綜上所述，可知軸瓦率先發(fā)生損傷，與安裝間隙不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。為確定故障原因，采用動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行仿真分析，對軸瓦內(nèi)徑進(jìn)行定量分析，確定偏差存在給結(jié)構(gòu)總載荷、熱負(fù)荷等各方面帶來的影響。結(jié)合正常工況條件，設(shè)定配氣機(jī)構(gòu)供油壓力達(dá)到9.69Bar，柴油機(jī)以1500rpm的速度運(yùn)行，進(jìn)口油溫設(shè)定為試驗(yàn)時(shí)的溫度。在試驗(yàn)過程中，使軸瓦間隙分別達(dá)到0.08、0.05、0.03、0.01mm，能夠得到A6缸熱負(fù)荷分別為47、44、68和105N/mm·s。由此可見，隨著間隙的減少，軸瓦運(yùn)行溫度經(jīng)歷先減小后增大趨勢，最后遠(yuǎn)超85℃的報(bào)警溫度。而熱負(fù)荷過大，將導(dǎo)致軸瓦內(nèi)層加速氧化，產(chǎn)生沉積物給結(jié)構(gòu)傳熱帶來阻礙，最終導(dǎo)致軸瓦燒損。

3 核電廠應(yīng)急柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)修復(fù)技術(shù)

3．1 修復(fù)措施

對凸輪軸瓦進(jìn)行修復(fù)，可知由于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間較為緊湊，給拆卸、檢修等作業(yè)開展帶來了較多困難。在檢修經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，現(xiàn)場開展作業(yè)將耗費(fèi)較長時(shí)間。為提高設(shè)備修復(fù)效率，決定在不對發(fā)電機(jī)側(cè)進(jìn)行拆卸的基礎(chǔ)上將凸輪軸抽出，然后進(jìn)行凸輪軸修復(fù)。具體來講，就是在機(jī)頭方向?qū)⑤S抬起、抽出，為此需要結(jié)合作業(yè)空間大小完成專用工具的制作。該工具由多個(gè)節(jié)段構(gòu)成，現(xiàn)場可以靈活組裝，配合人員順利將凸輪軸抬起。將凸輪軸拆下后，針對軸瓦座孔配合間隙超標(biāo)準(zhǔn)的問題，在使用激光測量技術(shù)完成間隙高精度測量后，對軸瓦座內(nèi)徑和對中度進(jìn)行測量，選用適合的軸瓦備件安裝，做好相關(guān)尺寸測量。在安裝過程中，為避免間隙偏差過大引發(fā)受力不均問題，需要指導(dǎo)和監(jiān)督檢修技術(shù)人員規(guī)范作業(yè)，做到準(zhǔn)確測量各部件結(jié)構(gòu)尺寸，最終成功消除故障。為杜絕類似問題再次發(fā)生，主動(dòng)與柴油機(jī)廠家溝通，確認(rèn)凸輪軸在制造階段不會在安裝后進(jìn)行內(nèi)徑檢測。通過將相關(guān)問題反饋廠家，督促廠家進(jìn)行工藝流程改進(jìn)，能夠有效提高柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)裝配質(zhì)量，降低柴油機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3．2 使用管理

從加強(qiáng)核電廠應(yīng)急柴油機(jī)研制質(zhì)量、安裝質(zhì)量等各方面質(zhì)量工作角度進(jìn)行考量，在引進(jìn)進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)管理的過程中，還應(yīng)重視設(shè)備使用管理問題，通過反復(fù)研究提出有效質(zhì)量控制措施，保證柴油機(jī)能夠可靠運(yùn)行。針對配氣機(jī)構(gòu)，在使用過程中應(yīng)加強(qiáng)對各零部件的檢修、保養(yǎng)，并結(jié)合實(shí)際使用情況進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)和調(diào)整，確保機(jī)構(gòu)始終處于良好運(yùn)行狀態(tài)。首先，針對氣閥組件，還應(yīng)做好冷態(tài)間隙、配氣定時(shí)等參數(shù)檢查。確保間隙適中，不會因過小引發(fā)氣閥密閉不嚴(yán)的問題，也不會因?yàn)檫^大造成氣閥粘滯，引發(fā)燃燒工況惡化情況。對配氣定時(shí)進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)結(jié)合定時(shí)齒輪、挺桿等結(jié)果磨損情況進(jìn)行確認(rèn)。在日常完成檢修后，應(yīng)利用百分表加強(qiáng)測量，保證定時(shí)準(zhǔn)確。其次，針對凸輪軸等容易受損的零部件，應(yīng)定期進(jìn)行檢查和修理，確?？梢曰謴?fù)到正常狀態(tài)。如對搖臂圓弧面進(jìn)行修正，并及時(shí)進(jìn)行挺桿盤面凹坑和凸輪曲面修正等。此外，日常應(yīng)做好各種間隙和接觸位置的潤滑，減少磨損的發(fā)生。定期對各部件潤滑情況進(jìn)行檢查，及時(shí)更換或添加潤滑油，保證油路暢通，油液充足，并使壓力潤滑部位保持良好密封狀態(tài)。

4 結(jié)語

對應(yīng)急柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)損壞現(xiàn)象展開分析，可知故障發(fā)生可能與設(shè)備研制質(zhì)量、安裝質(zhì)量等各方面因素有關(guān)。而核電廠在柴油機(jī)使用方面提出了較高質(zhì)量管理要求，因此應(yīng)通過逐一排查導(dǎo)致設(shè)備受損因素確定故障發(fā)生的根本原因。根據(jù)分析結(jié)果來看，凸輪軸瓦在安裝期間出現(xiàn)了偏差過大問題，在修復(fù)過程中應(yīng)對原本安裝工藝進(jìn)行改造，并引進(jìn)有效測量技術(shù)，日常則應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備使用管理，達(dá)到降低柴油機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。