核電站柴油機防爆門開啟問題分析

盧少林,熊記偉,韋漢輝2 姜 燁，劉龍堃，鄒海波，趙樂艇，李改莉，蘆文斌

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

柴油機在運行中，自轉動的曲柄甩出大量的潤滑油油滴，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]。隨著機組的持續(xù)運行，曲軸箱及凸輪軸箱內(nèi)部的油氣會不斷增多，柴油機內(nèi)部的壓力也會不斷增大。當油氣壓力到達一定程度會造成曲軸箱爆炸，柴油機損毀等嚴重事故。

為了避免該事故的發(fā)生，在柴油機設計中，會在柴油機一側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，當曲軸箱中的壓力達到0.01 MPa時，防爆門安全閥自動彈開將油氣放出，待壓力降低后再自動關閉。

某核電站按照現(xiàn)場調試大綱進行TP54試驗期間，當進行到第23次時，現(xiàn)場巡視人員發(fā)現(xiàn)柴油機A 列氣缸起動空氣管表面存在明火，隨后調試人員進行緊急停車，在停車過程中柴油機5個防爆門全部動作，通過防爆門口有油霧噴出。

1 機組運行情況及故障描述

1.1 事故前機組運行情況

該機組在廠內(nèi)交貨試驗期間，總計起動33次，運行24 h 7 min，滿負載(6000 kW)運行12 h 55 min，110%負載(6600 kW)運行2 h 13 min，其余均為其它功率平臺運行。

發(fā)生事故前，檢查該機組在現(xiàn)場運行情況，發(fā)現(xiàn)該機組總計起動54次，運行36 h 52 min，其中空載運行3 h 38 min，滿負載(6000 kW)運行18 h 26 min，110%負載(6600 kW)運行3 h 47 min，其余均為其他功率平臺運行。

1.2 TP54試驗介紹

該試驗是為了驗證柴油機組的帶載和卸載能力，及柴油機組整個系統(tǒng)在長期多種工況運行條件下的可靠性，核電現(xiàn)場在應急柴油發(fā)電機組移交試驗期間，會進行TP54試驗。

根據(jù)試驗要求，需要進行26次啟動帶載，即柴油機10 s之內(nèi)啟動，達到額定電壓和頻率，同時主開關合閘，執(zhí)行并網(wǎng)操作，就地增加負載，3 min之內(nèi)達到試驗要求的功率平臺，運行試驗要求時間后，手動減少負載，卸載后運行5 min后停車。TP54試驗功率平臺及運行時間見表1。

表1 TP54試驗功率平臺及運行時間Table 1 TP54 test power platform and running time

1.3 事故現(xiàn)象描述

柴油機起動后，運行了大概3 min時，A列啟動空氣管線出現(xiàn)明火，隨后采取卸載并緊急停車。在停車過程中，出現(xiàn)曲軸箱爆炸，防爆門全部打開。

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

圖1 A2缸起動空氣進氣腔嚴重燒灼Fig.1 The air intake cavity started by A2 cylinder is severely cauterized

同時B列5個防爆門全部打開，大量潤滑油噴出(見圖2)。

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

通過對柴油機運行參數(shù)檢查，發(fā)現(xiàn)柴油機組運行3 min 2 s，轉速1000 r/min，負荷約2893.5 kW(該功率平臺應為3000 kW，負載存在200 kW的波動)，各缸排溫約400 ℃，柴油機運行參數(shù)均正常。

2 現(xiàn)場排查與分析

通過對事故現(xiàn)場進行勘探，建立故障樹，如圖3所示。

圖3 故障樹Fig.3 The fault tree

2.1 現(xiàn)場排查

通過故障樹分析，防爆門開啟的原因為曲軸箱內(nèi)壓力過大造成的，而曲軸箱內(nèi)壓力過大的原因有相關運動件磨損發(fā)熱，曲軸箱燃氣被引燃及燃燒室燃氣竄入曲軸箱。

2.1.1 相關運動件磨損發(fā)熱

打開檢查門，檢查對主軸承表面、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；打開定時齒輪端定時齒輪罩殼，檢查定時齒輪軸承及定時齒輪。

(1)主軸承表面

經(jīng)檢查，所有主軸承表面無異常。

(2)曲軸表面

經(jīng)檢查，曲軸表面無異常。

(3)連桿大端軸承

經(jīng)檢查，所有連桿大端軸承均無異常。

(4)凸輪軸軸承

經(jīng)檢查，所有凸輪軸軸承均無異常。

(5)凸輪、滾輪表面

經(jīng)檢查，所有凸輪、滾輪表面均無異常。

(6)輸出端迷宮式密封

經(jīng)檢查，輸出端迷宮式密封無異常

(7)定時齒輪軸承及定時齒輪

經(jīng)檢查，所有定時齒輪軸承及定時齒輪表面均無異常。

2.1.2 曲軸箱油氣被點燃

(1)曲軸箱明火

曲軸箱內(nèi)屬于全封閉狀態(tài)，不會出現(xiàn)明火。

因此，可以排除明火引起此次事故的可能。

(2)柴油機內(nèi)部存在起火點

根據(jù)故障現(xiàn)象A排起動空氣管線有明火，為了尋找明火源，拆下A2缸缸蓋檢查，發(fā)現(xiàn)A2缸進氣閥挺桿穿過缸蓋本體的腔道內(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缸進氣閥挺桿穿過缸蓋本體的腔道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 燃燒室燃氣竄入曲軸箱

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

通過對所有缸套內(nèi)表面及活塞環(huán)進行檢查，存在以下問題：

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微劃痕，無觸感，珩磨網(wǎng)清晰可見。

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

其余缸套無異常。

B9、A4、A2缸缸套屬于輕微磨損，不會造成燃燒室燃氣竄入曲軸箱，加之檢查過程中未發(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)的燃氣竄入曲軸箱，導致曲軸箱壓力過大的可能。

2.2 A列空氣起動管線燒灼問題排查

檢查A2缸缸蓋起動閥，發(fā)現(xiàn)起動閥自鎖螺母已經(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)反竄到起動空氣管內(nèi)，缸蓋起動空氣腔內(nèi)有熔融物殘留。

2.2.1 起動閥零部件質量問題

由于A2缸起動閥已經(jīng)損壞，無法檢測。因此，對廠內(nèi)起動閥的檢驗記錄進行了復查。

(1)閥體、閥芯、彈簧材料不符合圖紙要求

復查廠內(nèi)閥體、閥芯、彈簧材料檢驗記錄，符合圖紙要求。

(2)閥體、閥芯、彈簧尺寸不符合圖紙要求

復查廠內(nèi)閥體、閥芯、彈簧尺寸檢驗記錄，符合圖紙要求

2.2.2 自鎖螺母松動

(1)設計選型問題

復查設計圖紙及更改單，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。確認設計選型符合要求。

(2)裝配質量問題

1)自鎖螺母緊固力矩不足

復查螺母的緊固力矩(60 N·m)，滿足工藝要求。

2)起動閥密封性不符合要求

復查起動閥密封性實驗記錄，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缸缸蓋起動閥的檢查情況，現(xiàn)場擴檢了A3缸缸蓋及缸蓋起動閥，缸蓋無異常。缸蓋起動閥上的自鎖螺母為尼龍自鎖螺母并且該螺母已經(jīng)松動。A2、A3缸起動閥均為尼龍自鎖螺母。前期其他項目出現(xiàn)過由于尼龍自鎖螺母問題導致起動閥密封失效問題，工廠設計部門根據(jù)經(jīng)驗反饋已經(jīng)將尼龍自鎖螺母耐高溫開槽自鎖螺母。

空氣起動閥自鎖螺母為尼龍自鎖螺母，不符合設計文件要求。

因此，不排除由于自鎖螺母松動起動閥無法密封，燃氣倒串，造成A排起動管線燒灼。

3 原因分析

3.1 A排起動管線燒灼

在柴油機每次起動過程中，起動閥(結構見圖6)均需進行開關動作會對螺母的鎖緊產(chǎn)生一定的影響，加之尼龍自鎖螺母的鎖緊性相對較差，長期使用就會造成鎖緊失效問題。由于自鎖螺母松動造成起動閥無法密封，燃氣倒串，導致A2缸阻火器(阻火器的材料為鋁，鋁的熔點約660 ℃)被燒掉、缸蓋起動空氣腔道外側油漆變色(油漆燃點約170 ℃)及A列起動空氣管線油漆燃燒。

圖6 單缸啟動閥結構圖Fig.6 Structure of single cylinder start valve

因此，此次起動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閥失效。

3.2 曲軸箱防爆門開啟

PA6B柴油機缸蓋及缸蓋與機身的連接結構如圖7、圖8。

圖7 缸蓋結構圖Fig.7 Cylinder head structure drawing

圖8 缸蓋與機身的連接處結構圖Fig.8 Structure of the connection between the cylinder head and the fuselage

圖片中紅色標識為熱傳導方向，黃色為曲軸箱及凸輪軸箱內(nèi)油氣方向，橘色為作功時燃氣方向。從第一張缸蓋的結構圖可以看出：缸蓋起動閥閥腔與主起動空氣管路是連通的，查閱圖紙缸蓋起動閥閥腔與缸蓋外壁的厚度為33.25 mm，進氣挺桿孔與起動閥閥腔的厚度7.75 mm，缸蓋起動閥閥腔與缸蓋外壁的厚度要比進氣閥挺桿孔與起動閥閥腔的厚度小的多。

從第二張缸蓋的結構圖可以看出：進氣閥挺桿孔是與機身凸輪軸安裝型腔是相通的，也就是說缸蓋進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，結合該型柴油機缸蓋及缸蓋與機身連接的結構，分析如下：

A2氣動閥閥芯與放閥體密封失效，缸內(nèi)燃氣(在這種情況下，燃氣既有缸內(nèi)需要排出的廢氣也有正在燃燒的油氣)進入缸蓋與主起動管路相連接的氣道內(nèi)，發(fā)生故障時柴油機轉速為1000 r/min，負荷為2893.5 kW，各缸排溫約400 ℃，柴油機大概運行3 min 2 s。燃燒室在燃油燃燒(作功沖程)時溫度大于800 ℃，高溫廢氣和燃燒的油氣，使缸蓋進氣道周圍的溫度急劇上升，達到曲軸箱內(nèi)的油氣閃點，引起爆燃，缸蓋進氣挺桿孔壁上存在滑油燃燒痕跡。缸蓋挺桿孔壁的高溫導致由曲軸箱進入此處的油氣瞬間點燃(新滑油的閃點為230～240 ℃，此時該處的溫度遠遠高于該值)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(防爆門開啟壓力設計值為0.1 bar±20%)。

4 結 論

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