應(yīng)急柴油機(jī)預(yù)潤滑油泵壓力低故障分析與處理

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臺柴油機(jī)，均采用德國MTU公司生產(chǎn)的型號為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)、啟動空氣系統(tǒng)、潤滑油系統(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)潤滑油泵153PO啟動后，多次發(fā)生預(yù)潤滑回路油壓低報(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)場在PLC上檢查柴油機(jī)預(yù)潤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；而正常情況下，此時(shí)的壓力應(yīng)該在0.8 bar左右。

3，4號機(jī)組應(yīng)急柴油機(jī)預(yù)潤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)潤滑油系統(tǒng)介紹

當(dāng)柴油機(jī)熱備用時(shí)，預(yù)潤滑油泵從油底殼中抽出潤滑油，其中一部分潤滑油通過一個(gè)過濾器送至調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另一部分潤滑油進(jìn)入柴油機(jī)潤滑油循環(huán)系統(tǒng)。柴油機(jī)啟動后(轉(zhuǎn)速達(dá)到350 r/min)，預(yù)潤滑油泵停運(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)潤滑油泵自動啟動，向柴油機(jī)本體內(nèi)部供潤滑油。預(yù)潤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)潤滑油泵停運(yùn))時(shí)，機(jī)帶泵產(chǎn)生的高壓將預(yù)潤滑油泵進(jìn)出口管道內(nèi)的潤滑油反壓回油底殼。預(yù)潤滑回路如圖1所示。

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

該核電廠3，4號機(jī)組應(yīng)急柴油機(jī)配備的預(yù)潤滑油泵是由德國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)場安裝形式如圖2所示。

圖1 預(yù)潤滑油回路示意

圖2 預(yù)潤滑油泵安裝形式

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)潤滑油泵出口泄壓閥密封不嚴(yán)或回座不好，當(dāng)預(yù)潤滑油泵啟動后，泵出口的潤滑油通過泵體泄壓閥回流至泵入口，只有少量的潤滑油進(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?；刈瑢?dǎo)致油泵出口的大部分潤滑油通過泄壓閥回流至泵入口，只有少量的潤滑油進(jìn)入了柴油機(jī)本體，造成了預(yù)潤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)潤滑油泵泄壓閥都會動作。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)潤滑油泵的現(xiàn)場實(shí)際布置，制作了試驗(yàn)裝置，如圖6所示。

圖6 預(yù)潤滑油泵試驗(yàn)裝置

將該核電廠大修期間柴油機(jī)檢修時(shí)更換下來的舊潤滑油作為傳輸介質(zhì)，啟泵后多次手動關(guān)閉出口止回閥160VH，人為迫使泵出口超壓泄壓閥動作。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，閥門動作后無法正?；刈?。

(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)潤滑油泵常年運(yùn)轉(zhuǎn)，受振動影響，接觸面上會發(fā)生微動磨損。

微動是指機(jī)械零部件中緊密配合的接觸表面在機(jī)械振動等交變載荷作用下產(chǎn)生微米量級振幅的微小相對運(yùn)動。微動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引起的微小相對移動而使接觸表面產(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?；刈恢笨ㄔ谝粋€(gè)小開度狀態(tài)。大部分的潤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)臺架上進(jìn)行試驗(yàn)，啟泵后多次手動關(guān)閉預(yù)潤滑油泵出口止回閥，迫使泄壓閥多次動作，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

自2016年8月首次發(fā)生預(yù)潤滑油泵油壓低缺陷，歷時(shí)2年時(shí)間，維修人員通過對柴油機(jī)潤滑油系統(tǒng)及預(yù)潤滑油泵的結(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)。