核電廠常規(guī)島蒸汽系統(tǒng)液壓阻尼器漏油原因分析及對策

王 松,陳英杰,張 通

(中廣核核電運營有限公司,廣東 深圳518124)

液壓阻尼器作為一種管系和設(shè)備的安全部件,功能類似于汽車上的“安全帶”,在異常工況發(fā)生時起到保護(hù)管系和設(shè)備的作用。從20世紀(jì)60年代開始至今,阻尼器的發(fā)展歷經(jīng)了由液壓式阻尼器到機(jī)械式阻尼器,再到液壓式阻尼器的發(fā)展過程[1]。隨著密封材料的發(fā)展和改進(jìn),現(xiàn)在的液壓式阻尼器在密封性能、工作可靠性以及耐老化方面已經(jīng)有了穩(wěn)定的表現(xiàn)。但在核電站運行檢查及維護(hù)中,由于制造加工、安裝、運行工況等原因,仍然有一定比例的阻尼器發(fā)生了液壓油泄漏的故障。

液壓阻尼器發(fā)生工作介質(zhì)泄漏后可能影響產(chǎn)品性能,針對液壓油泄漏的阻尼器應(yīng)優(yōu)選解體維修的方案以便恢復(fù)其設(shè)計功能。在條件不具備時,可傾斜放置24 h觀察液壓油泄漏量的多少,在確認(rèn)阻尼器24 h無泄漏或微量泄漏并且當(dāng)前油位合格后,可對阻尼器進(jìn)行臺架試驗,驗證其性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對于滿足以上條件的阻尼器可認(rèn)為臨時可用,在電站日常運行期間需加強(qiáng)跟蹤檢查并制定相關(guān)更換的預(yù)案。

阻尼器液壓油泄漏有多方面的原因,本文針對當(dāng)前核電廠常規(guī)島蒸汽系統(tǒng)上頻繁發(fā)生液壓油泄漏缺陷的阻尼器進(jìn)行分析,制定出有針對性的改進(jìn)建議,以便產(chǎn)品設(shè)計及工程應(yīng)用中進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 液壓阻尼器結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)管系或設(shè)備正常熱位移時,液壓阻尼器僅表現(xiàn)出較低的摩擦阻力,根據(jù)研究表明對于額定載荷小于50 000 N的小規(guī)格液壓阻尼器的低速摩擦阻力限值采用5%的額定載荷[2],此時的阻尼器允許管系或設(shè)備自由熱位移,對管道應(yīng)力分布和不可接受載荷影響可接受。當(dāng)異常工況,例如地震、水錘等發(fā)生時,管系或設(shè)備快速甩動,阻尼器內(nèi)部的控制閥關(guān)閉,阻尼器發(fā)生閉鎖,表現(xiàn)為一個近似剛性結(jié)構(gòu),將管道或設(shè)備的載荷傳遞至土建或鋼結(jié)構(gòu)上,起到限制管道或設(shè)備位移,起到保護(hù)管道或設(shè)備的作用。

1.1 液壓阻尼器典型結(jié)構(gòu)

一種典型的液壓阻尼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。阻尼器活塞3將液壓油隔離為前后兩個腔室,兩個腔室之間的液壓油通過安裝在活塞3中的主控制閥4聯(lián)通。阻尼器設(shè)置有一個儲油腔,用來補(bǔ)充由于活塞桿工作位置的變化帶來的工作腔室體積變化。工作腔室和儲油腔通過后控制閥7聯(lián)通,并通過儲油腔的彈簧使得液壓油處于一個微正壓的狀態(tài),保證工作腔室內(nèi)始終充滿液壓油。油位視窗6用來觀察阻尼器油箱活塞5是否已經(jīng)到達(dá)最低油位位置。在阻尼器液壓油位合格時,在油位視窗6內(nèi)不能看到油箱活塞5的邊緣,否則認(rèn)為阻尼器發(fā)生了液壓油泄漏,應(yīng)做進(jìn)一步檢查。

圖1 一種典型的液壓阻尼器結(jié)構(gòu)Fig.1 A typical structure of the hydraulic snubber

1.2 控制閥工作原理

控制閥為液壓阻尼器工作的關(guān)鍵部件,液壓阻尼器內(nèi)部安裝有兩處控制閥,分別為主控制閥和后控制閥。阻尼器主控制閥的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,在閥芯3的圓周方向上加工有數(shù)個供液壓油流過的小孔,在閥芯3的中間還加工有一個極小的液壓油旁路孔。閥芯3裝置在閥座1內(nèi),通過中間的復(fù)位彈簧2相連。當(dāng)閥芯3處于開啟狀態(tài)時,允許工作介質(zhì)液壓油流過,當(dāng)閥芯3向內(nèi)側(cè)滑動并最終到達(dá)關(guān)閉位置,工作介質(zhì)液壓油的主要流道被切斷,此時液壓油不能流過閥芯的主要流道,僅能極少量流過閥芯中間的旁路孔。主控制閥是對稱結(jié)構(gòu),允許液壓油雙向流過,同時也可以雙向關(guān)閉。后控制閥與主控制閥的功能類似,作用為異常工況發(fā)生時關(guān)閉儲油腔和工作腔室之間的液壓油流通。

圖2 主控制閥結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the main control valve

控制閥是根據(jù)孔板節(jié)流效應(yīng)工作的,根據(jù)節(jié)流孔板的流體特性,當(dāng)液壓油流過控制閥的閥芯時,在小孔的上游側(cè)與下游側(cè)之間產(chǎn)生一個靜壓差Δp。液壓油的體積流量qv和靜壓差Δp的關(guān)系可參考公式(1)給出[3]:

式中:qv——體積流量;

C——流出系數(shù);

β——直徑比;

ε——可膨脹系數(shù);

d——節(jié)流孔徑;

Δp——節(jié)流孔板上下游靜壓差;

ρ——流體密度。

根據(jù)公式(1)可知孔板兩側(cè)的靜壓差Δp正比于體積流量qv的平方。對于給定的液壓阻尼器,活塞缸的缸徑一定,經(jīng)過體積換算,可以將流過控制閥小孔的液壓油體積流量qv換算成活塞桿的運動速度v。對于給定的液壓阻尼器,靜壓差Δp正比于活塞桿運動速度v的平方。

在正常管道熱位移時,阻尼器活塞桿的運動速度v較小,控制閥閥芯兩側(cè)產(chǎn)生的靜壓差Δp也較小,控制閥保持開啟狀態(tài)。當(dāng)異常工況發(fā)生時,阻尼器活塞桿快速動作,當(dāng)活塞桿的運動速度v達(dá)到閉鎖速度vlockup時,控制閥兩側(cè)的液壓油靜壓差Δp和復(fù)位彈簧的力F達(dá)到平衡,控制閥閥芯朝著關(guān)閉方向運動,最終截斷液壓油的主要流動。以某進(jìn)口液壓阻尼器為例,其閉鎖速度范圍為2～6 mm/s。

閥芯中間的旁路孔允許控制閥關(guān)閉后液壓油繼續(xù)流過,以便阻尼器外部作用消除后,閥芯兩側(cè)的液壓油壓差平衡和閥芯復(fù)位。閥芯旁路孔的存在使得阻尼器閉鎖后活塞桿可以繼續(xù)以非常緩慢的速度運動,此時的運動速度為旁路速度vbypass。以某進(jìn)口液壓阻尼器為例,其旁路速度范圍為0.2～2 mm/s。

2 常規(guī)島蒸汽系統(tǒng)液壓阻尼器漏油現(xiàn)狀

以某核電機(jī)組為例,常規(guī)島蒸汽系統(tǒng)每臺機(jī)組布置有近50臺液壓阻尼器,統(tǒng)計近四輪大修期間檢查發(fā)現(xiàn)的蒸汽系統(tǒng)液壓油泄漏的阻尼器,數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 某核電機(jī)組常規(guī)島蒸汽系統(tǒng)液壓阻尼器漏油缺陷統(tǒng)計Fig.3 Statistics of hydraulic snubber oil leakage defects in the conventional island steam system of a nuclear power plant

部分位置的液壓阻尼器漏油現(xiàn)象頻發(fā),且檢修時拆下進(jìn)行性能試驗合格率低。部分位置阻尼器壽命只有2個大修循環(huán)周期就發(fā)生了液壓油泄漏。單次大修的阻尼器漏油缺陷的數(shù)量占比約為8%～16%左右。發(fā)生液壓油泄漏的阻尼器不僅為單一廠家產(chǎn)品,國外進(jìn)口和國內(nèi)生產(chǎn)的均有。

3 原因分析

為了分析阻尼器液壓油泄漏的原因,對發(fā)生液壓油泄漏的多個阻尼器解體維修,檢查發(fā)現(xiàn)活塞桿密封部位的缺陷類似,均為兩處溝槽狀磨損痕跡,深度約為0.1～0.2 mm,如圖4所示。

圖4 阻尼器活塞桿溝槽狀磨損缺陷Fig.4 The wear defect of the snubber piston rod

檢查阻尼器活塞桿處的橡膠密封件并未發(fā)生老化或破損的缺陷,也未見明顯的磨損。阻尼器活塞桿處液壓油泄漏的主要原因為活塞桿密封部位的磨損溝槽引起。在機(jī)組啟停機(jī)冷熱工況切換時,阻尼器活塞桿運動至此磨損處造成液壓油密封效果降低或完全失效。

3.1 阻尼器活塞桿結(jié)構(gòu)分析

阻尼器缸蓋和活塞桿之間的密封結(jié)構(gòu)如圖5所示,有一處防塵環(huán)2,兩處密封環(huán)5和一處導(dǎo)向環(huán)4。正常設(shè)計工況下,活塞桿和缸蓋之間被導(dǎo)向環(huán)4隔離,不會發(fā)生金屬之間的直接碰觸。在系統(tǒng)振動過大時,阻尼器活塞桿1和缸蓋3之間的振動作用力超過導(dǎo)向環(huán)4所能承受的最大支撐力度,造成活塞桿1和缸蓋3之間直接接觸撞擊。

同時在機(jī)組穩(wěn)態(tài)運行時,阻尼器工作行程幾乎不發(fā)生變化,活塞桿和缸蓋持續(xù)在某一固定位置發(fā)生碰撞磨損,行成溝槽缺陷。

通過對解體維修的阻尼器活塞桿檢查,統(tǒng)計發(fā)生磨損的活塞桿約有80%以上的磨損位置位于行程的2/3以上位置,接近圖5所示的示例位置,說明阻尼器工作于長行程位置時更易發(fā)生活塞桿的磨損。造成此現(xiàn)象的原因為活塞桿處在接近最大行程時,阻尼器長度接近最長,活塞桿的甩擊慣量最大,振動作用力更易超過導(dǎo)向環(huán)的支撐力度,進(jìn)而發(fā)生活塞桿的磨損。

圖5 阻尼器活塞桿密封結(jié)構(gòu)Fig.5 The sealing structure of the snubber piston rod

3.2 密封部位材質(zhì)分析

通過活塞桿和缸蓋的材料性能和硬度數(shù)值,可以比較兩者發(fā)生摩擦?xí)r的消耗速率。在兩種材料接觸摩擦?xí)r,硬度較高的材料表面磨損速率較低。因活塞桿和缸蓋均為機(jī)械加工產(chǎn)品,無表面處理,可以用材料硬度數(shù)值表征其耐磨性能。

以下對比某進(jìn)口品牌液壓阻尼器和某國產(chǎn)品牌液壓阻尼器的活塞桿和缸蓋的材質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)耐磨性分析。

以某進(jìn)口品牌液壓阻尼器材料為例,活塞桿和缸蓋的材質(zhì)均為Z12C13鍛造馬氏體不銹鋼,其材質(zhì)信息如表1所示。

表1 某進(jìn)口品牌液壓阻尼器部件材質(zhì)Table 1 Material of an imported hydraulic snubber

活塞桿和缸蓋的硬度值如表2所示,布式硬度值在縱向和橫向上均為201～285 HB,兩部件硬度相當(dāng),在相互接觸磨損時接近同一速率。

表2 Z12C13材質(zhì)性能[4]Table 2 Material performance of Z12C13

以某國產(chǎn)液壓阻尼器材料為例,活塞桿材質(zhì)為42Cr Mo合金鋼,缸蓋材質(zhì)為20Cr13馬氏體耐熱鋼,兩部件材質(zhì)信息如表3所示。

表3 某國產(chǎn)液壓阻尼器部件材質(zhì)Table 3 Material of a domestic hydraulic snubber

活塞桿和缸蓋的硬度數(shù)值如表4、表5所示?；钊麠U的布氏硬度為不大于229 HBW,缸蓋的布氏硬度退火后為不大于223 HBW,兩部件的布式硬度數(shù)值接近,活塞桿的布氏硬度比缸蓋略高。從耐磨損角度分析,國產(chǎn)液壓阻尼器在活塞桿和缸蓋材料選型時其磨損設(shè)計較為合理。

但在實際設(shè)備檢修維護(hù)過程中,國產(chǎn)液壓阻尼器發(fā)生泄漏的幾率要高于進(jìn)口液壓阻尼器,其耐用性也較進(jìn)口液壓阻尼器低。原因更多在于密封件的性能和整體設(shè)計、制造加工和裝配工藝。材質(zhì)耐磨性的設(shè)計優(yōu)勢不足以影響最終產(chǎn)品的實際性能。

表4 42Cr Mo材質(zhì)性能[5]Table 4 Material performance of 42Cr Mo

表5 20Cr13材質(zhì)性能[6]Table 5 Material performance of 20Cr13

3.3 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)分析

阻尼器活塞桿和缸套之間的導(dǎo)向環(huán)如圖6所示,為有一定柔性支撐性能的橡膠部件,以某品牌國產(chǎn)阻尼器為例,該導(dǎo)向環(huán)材質(zhì)標(biāo)示為QT500-7。導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計作用為隔離活塞桿和缸蓋間運動副的機(jī)械接觸,使得正常設(shè)計工況下,兩部件之間不會發(fā)生直接碰觸摩擦。導(dǎo)向環(huán)的存在同時使起液壓油密封作用的橡膠部件四周的壓縮率處于均勻的狀態(tài),保證活塞桿圓周方向均勻的密封效果。

如果導(dǎo)向環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸不合理或者硬度不足,則無法起到應(yīng)有的隔離支撐效果。在系統(tǒng)振動作用力較大的情況下,需要導(dǎo)向環(huán)具備更大的支撐力度。

圖6 阻尼器活塞桿導(dǎo)向環(huán)Fig.6 The guide ring of the snubber piston rod

3.4 密封失效分析結(jié)論

通過以上分析可以得知,阻尼器活塞桿處液壓油泄漏主要原因為活塞桿和缸蓋之間發(fā)生了持續(xù)的接觸磨損,導(dǎo)致活塞桿密封部位產(chǎn)生了溝槽狀缺陷,在機(jī)組冷熱工況切換時,密封效果降低或失效造成液壓油的泄漏。

4 改進(jìn)方向

對阻尼器活塞桿磨損的主要原因及相應(yīng)改進(jìn)方向歸類如下。

4.1 振動超設(shè)計

阻尼器工作在超過設(shè)計振動值或振動方向的系統(tǒng)上,或者采用不合理的功能設(shè)計來降低系統(tǒng)的振動。正常運行工況下蒸汽管道內(nèi)介質(zhì)常處于高速流動的狀態(tài),管道處于持續(xù)穩(wěn)態(tài)振動。液壓式阻尼器對管道熱脹冷縮的緩慢移動幾乎沒有阻尼,而且它對低幅高頻振動也不起作用[7]。阻尼器設(shè)計用來阻止異常工況,例如地震、水錘等管系瞬態(tài)位移,用來限制和保護(hù)管道。周期穩(wěn)態(tài)振動工況下,不適宜采用液壓阻尼器來降低系統(tǒng)振動水平。

改進(jìn)方向可以考慮采用其他減振設(shè)備來降低系統(tǒng)整體振動水平。研究及試驗表明,粘滯阻尼器在化工管道上的減振效果進(jìn)行對比,管道系統(tǒng)振幅降幅較為明顯[8]。采用粘滯阻尼器、支架約束等其他綜合管系治理手段,可以使管系的振動降至一個合理的水平。一種典型的粘滯阻尼器如圖7所示。

圖7 一種典型粘滯阻尼器Fig.7 A typical viscous damper

某核電基地目前正在對頻繁泄漏的蒸汽系統(tǒng)液壓阻尼器進(jìn)行替代換型,由液壓阻尼器改造為粘滯阻尼器。根據(jù)測算,采用液壓阻尼器的振動控制方案需要定期維護(hù)及性能試驗,每輪大修需投入費用15萬元左右且需要頻繁維護(hù)。采用粘滯阻尼器改造換型后為一次性投入,單臺機(jī)組成本約30萬元,后續(xù)可實現(xiàn)終身免維護(hù)。

4.2 活塞桿運動副導(dǎo)向隔離結(jié)構(gòu)支撐不足

阻尼器活塞桿導(dǎo)向環(huán)采用彈性橡膠材質(zhì),在活塞桿沿垂直軸線方向振動時不能提供有效的隔離支撐,造成活塞桿和缸蓋直接接觸。

改進(jìn)方向可以是改善導(dǎo)向環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸或增加導(dǎo)向環(huán)的硬度,以便提供足夠的隔離支撐。本項改進(jìn)方向需要聯(lián)合液壓阻尼器產(chǎn)品制造廠家,進(jìn)行相應(yīng)的測試及型式試驗。

4.3 磨損部件硬度不匹配

阻尼器活塞桿和缸蓋的材質(zhì)硬度相當(dāng)或活塞桿材質(zhì)硬度高于缸蓋,在發(fā)生摩擦?xí)r,活塞桿的密封位置未得到有效保護(hù),更易發(fā)生磨損。

對活塞桿和缸蓋密封部位的結(jié)構(gòu)分析可知,缸蓋部位是通過柔性密封環(huán)進(jìn)行密封,缸蓋密封部位金屬的磨損對液壓油密封的影響較小?？梢酝ㄟ^提高活塞桿密封部位的硬度或采用耐磨涂層等方式,降低活塞桿部位的磨損?；钊麠U硬度及耐磨性提高后,在發(fā)生摩擦?xí)r將優(yōu)先消耗缸蓋接觸部位的金屬,密封效果得以保持,可以獲得更長的使用壽命。國內(nèi)采用PVD物理氣相沉積技術(shù),對柴油機(jī)軸瓦進(jìn)行耐磨涂層噴涂,可以得到良好的附著強(qiáng)度和維氏硬度等性能[9]。

4.4 阻尼器工作行程不合理

對多個解體拆卸的阻尼器對比分析,發(fā)生泄漏的液壓阻尼器大部分磨損位置位于接近活塞桿最大行程處,此時活塞桿的甩動慣量大,甩擊作用力也較大,這種情況下更易超過導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的支撐力而發(fā)生磨損。

改進(jìn)方向可以在阻尼器冷、熱態(tài)工作位置均未超過允許行程的情況下,使熱態(tài)運行位置接近阻尼器工作的小行程位置,減小活塞桿的伸出長度,降低甩擊慣量?？赏ㄟ^在阻尼器的連接耳處增加延長桿等方法調(diào)節(jié)阻尼器的工作行程。

4.5 改進(jìn)方向小結(jié)

在以上所列的原因分析和改進(jìn)方向中,4.1項措施可以從根本上解決蒸汽系統(tǒng)液壓阻尼器的液壓油泄漏問題。節(jié)4.2、節(jié)4.3、節(jié)4.4中措施為產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)改進(jìn),可部分解決或延緩阻尼器發(fā)生液壓油泄漏故障的概率。

5 結(jié)論

本文對核電廠常規(guī)島蒸汽管道系統(tǒng)上頻繁發(fā)生泄漏的液壓阻尼器運行工況進(jìn)行了分析,結(jié)合多個阻尼器解體檢查的缺陷現(xiàn)象進(jìn)行了歸納總結(jié)。高速流動的蒸汽介質(zhì)系統(tǒng),管系處于穩(wěn)態(tài)高周低幅振動狀態(tài),采用液壓阻尼器降低系統(tǒng)振動的效果有限,應(yīng)優(yōu)先考慮選用粘滯阻尼器或支架約束等綜合手段,改善管系的振動水平。同時對阻尼器活塞桿密封支撐部位的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和活塞桿材質(zhì)的表面處理等手段,也是后續(xù)阻尼器治理改進(jìn)可實施參考的方向。針對活塞桿磨損引起的阻尼器液壓油介質(zhì)泄漏的原因及對策建議如表6所示。

表6 活塞桿磨損的原因及對策建議Table 6 Cause analysis and countermeasures for piston rod defect