核電廠柴油機(jī)渦輪增壓器無法投運(yùn)故障分析

王 佳，陳錦裕，趙 亮

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

柴油機(jī)配套多種電磁閥，近年因電磁閥老化、漏氣等原因，柴油機(jī)多次出現(xiàn)無法運(yùn)行的情況。

目前，國內(nèi)對核電廠[1]柴油機(jī)電磁閥故障研究的論文較少。寧德核電鄧信浩等[2]主要對18PA6B 型應(yīng)急柴油機(jī)頂桿碎裂原因進(jìn)行研究，海南核電劉康等[3]主要對核電廠柴油機(jī)中冷器螺栓斷裂的原因進(jìn)行分析，中核遼寧核電劉躍[4]主要對核電廠柴油機(jī)的繼電保護(hù)進(jìn)行研究，遼寧紅沿河核電肖志慧等[5]主要對柴油機(jī)振動故障進(jìn)行研究，南京航空大學(xué)胡樂等主要對柴油機(jī)冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，中國核電工程公司侯繼夫等[6]主要對柴油機(jī)高壓油泵安全閥噴油故障進(jìn)行研究，中核核電運(yùn)行管理有限公司姜燕成[7-8]主要對柴油機(jī)與潤滑油泵壓力低進(jìn)行研究。國外學(xué)者Lim[9]主要對柴油機(jī)的啟動時間延遲造成的風(fēng)險進(jìn)行分析，Mochizuki[10]對熱管對柴油機(jī)的影響進(jìn)行研究。

本文介紹柴油機(jī)基本原理，分析柴油發(fā)電機(jī)故障原因，總結(jié)現(xiàn)場故障處理經(jīng)驗。為后續(xù)柴油機(jī)的預(yù)防性維修提供建議，提供后續(xù)缺陷處理的方向。對柴油機(jī)備用電磁閥的安裝方式提出優(yōu)化，有效提高電磁閥備用閥的安全可靠性。

1 柴油機(jī)渦輪增壓器原理

渦輪增壓器是利用柴油機(jī)排出的高能廢氣來驅(qū)動渦輪，通過渦輪壓縮進(jìn)氣，增加柴油機(jī)的進(jìn)氣量，從而提高柴油機(jī)的有效功率。福清核電柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)由A1、A2、B1、B2 和B3 等5 組增壓機(jī)組成，其是否投運(yùn)取決于柴油機(jī)的功率。渦輪增壓機(jī)組裝備有一組進(jìn)氣控制閥，用以控制相應(yīng)渦輪增壓器的運(yùn)行和停止。蓄能器控制進(jìn)排氣閥，二位五通電磁閥組（350UC）控制蓄能器，電磁閥接受來自ECS 的調(diào)速控制命令，如圖1 所示。

圖1 渦輪增壓器控制原理

如果B2 電磁閥得電后不能正常工作，將導(dǎo)致B2 渦輪增壓器不能正常投運(yùn)。渦輪增壓器的投運(yùn)受350UC 電磁閥組控制，該閥組由5 個平行布置在連接孔板上的二位五通電磁閥組成，每個二位五通閥由電磁驅(qū)動的先導(dǎo)閥和氣壓驅(qū)動的主閥組成。閥體內(nèi)包含一控制閥桿，控制活塞，如圖2 所示。電磁閥在不通電情況下處于自然位置，此時閥體控制閥桿，使壓縮空氣從閥組入口1 經(jīng)接口2 流入蓄能器的下游管線，蓄能器的上游管線從接口4 至接口5 后經(jīng)閥組的消聲器R 排氣。如果電磁閥通電，先導(dǎo)閥被激勵，它將釋放先導(dǎo)空氣進(jìn)入主閥。先導(dǎo)空氣進(jìn)入主閥的控制活塞腔室并作用在活塞上，克服彈簧壓力使控制閥桿向下運(yùn)動，使主閥閥瓣發(fā)生改變。從而使壓縮空氣從閥組入口1 經(jīng)接口4 流入蓄能器的上游管線，蓄能器動作，使得渦輪增壓器進(jìn)排氣閥打開，渦輪增壓器投入運(yùn)行。同時蓄能器下游管線內(nèi)的空氣得以從接頭2 至接口3 后經(jīng)消聲器S 排氣。

圖2 電磁閥原理

2 故障案例分析

2.1 故障現(xiàn)象

執(zhí)行柴油發(fā)電機(jī)組（B 列）低功率試驗過程中觸發(fā)ECS 500UC5 異常報警，觀察到渦輪增壓器B2 組未能正常投運(yùn)。該故障不影響柴油機(jī)低功率試驗及結(jié)果評價，但可能造成B 列柴油機(jī)2LHQ001GE 無法達(dá)到滿功率運(yùn)行，嚴(yán)重影響核安全設(shè)備柴油機(jī)可用性，降低核電廠的供電冗余。

2.2 初步原因分析

ECS 500UC 綜合報警觸發(fā)，涉及調(diào)速器內(nèi)部故障類型約367 條，主要包含轉(zhuǎn)速傳感器故障、測量模塊故障和執(zhí)行器故障等。檢查調(diào)速器、供氣管線、蓄能器和進(jìn)排氣閥，未發(fā)現(xiàn)異常。因此定位在350UC 電磁閥組故障。電磁閥組350UC 為德國力士樂制造，每個電磁閥上設(shè)有手動按鈕，確保電磁閥在不帶電的情況下可以手動操作。初步分析可能原因如下：

（1）電磁閥氣源壓力不足或漏氣。電磁閥閥組入口P 處壓縮空氣壓力不足或管線存在漏氣，都將影響電磁閥的功能，導(dǎo)致電磁閥不能切換或不能切換到位。

（2）電磁閥電子線圈損壞。電磁閥電子線圈出現(xiàn)短路、燒毀或絕緣下降等，電磁閥將不能正確執(zhí)行調(diào)速器下發(fā)的命令，影響電磁閥主閥的正確切換，導(dǎo)致壓力空氣無法為下游蓄能器供氣，造成渦輪增壓器進(jìn)排氣閥不能打開，影響渦輪增壓器投運(yùn)。

（3）電磁閥先導(dǎo)閥卡澀。電磁閥先導(dǎo)閥閥桿卡阻、排氣孔堵塞、彈簧變形等將導(dǎo)致電磁閥得電后，先導(dǎo)氣體無法進(jìn)入主閥推動閥桿完成切換動作，影響電磁閥正常切換。

（4）電磁閥主閥閥桿卡澀。異物進(jìn)入電磁閥的主閥閥桿，導(dǎo)致閥桿卡澀或者受環(huán)境等因素影響發(fā)生形變，造成電磁閥不能正常切換。

（5）電磁閥主閥密封圈老化。電磁閥密封圈由于發(fā)生降解反應(yīng)或結(jié)構(gòu)化反應(yīng)，導(dǎo)致密封圈發(fā)生硬化、發(fā)脆和龜裂而失去密封功能。先導(dǎo)氣體進(jìn)入活塞腔室，通過開裂的密封環(huán)縫隙直接從主閥排氣旁路泄漏，無法推動主閥閥桿完成切換動作。

2.3 故障處理

拆檢故障B2 電磁閥，目視發(fā)現(xiàn)電磁閥只有一個故障點(diǎn)，位于活塞上的非金屬密封圈，有明顯的老化破損跡象（圖3）。正是由于密封圈失效，導(dǎo)致電磁閥不能動作，最終使B2 渦輪增壓器未投運(yùn)。

圖3 電磁閥現(xiàn)場拆解照片

2.4 失效原因分析

更換合格備件，檢查驗證電磁閥組動作正常，漏氣現(xiàn)象消失，定期試驗驗證渦輪增壓器投運(yùn)正常。經(jīng)過現(xiàn)場檢查及分析，造成電磁閥故障的主要原因如下：

（1）設(shè)備安裝位置不便維修。由于350UC 安裝位置較高，空間狹小，環(huán)境溫度高（旁邊的預(yù)熱水管段長期處于60 ℃以上），柴油機(jī)本體振動較大，加速了設(shè)備老化。

（2）電磁閥組有5 個二位五通電磁閥組成，但只有前4 個實(shí)際使用，第五個電磁閥A、B 出口都被堵頭封住，也無電源進(jìn)線。雖然安裝在閥組上，卻沒有實(shí)現(xiàn)任何功能。這就容易造成其他電磁閥發(fā)生老化故障時，備用電磁閥也可能同時故障，不能起到備用功能。

（3）基于當(dāng)前電磁閥架構(gòu)，備用電磁閥不具備在線投用改造可行性。因為電磁閥組共用一個入口氣源P，電磁閥的接口A、B 在電磁閥得電、失電時均會分別承擔(dān)對空排氣功能。備用電磁閥強(qiáng)行介入將導(dǎo)致接口功能發(fā)生紊亂，反而影響正常電磁閥的工作。

3 后續(xù)提升優(yōu)化

電磁閥在整個壽期內(nèi)失效率[3]的變化曲線形如“浴盆”（圖4），在壽期的初期較高，中期則相對較低，末期又快速上升。電磁閥的維修時點(diǎn)，如果選在其壽期中期，不但浪費(fèi)資源，而且可能降低其可靠性；如果選在其壽期末期，電磁閥失效的概率大大增加，可能影響系統(tǒng)安全。因此，選擇電磁閥的維修時點(diǎn)既不能超前，也不能落后，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)保守，選擇其壽期中期與末期的臨界點(diǎn)較好。尋找臨界點(diǎn)主要采取5 種方法：①測量線圈的絕緣電阻；②測量線圈的啟動電壓和返回電壓；③測量線圈溫度；④測量電磁閥的內(nèi)部泄漏量；⑤電磁閥控制介質(zhì)的流量試驗。目前，制定電磁閥維修周期通常采用2 種方法。

圖4 電磁閥故障率“浴盆”曲線

（1）在電磁閥的壽期接近臨界點(diǎn)A 時，可以進(jìn)行一些預(yù)防性檢查，比較當(dāng)前一些參數(shù)與可以接受的初始參數(shù)值是否存在微小差別。這些差別可能預(yù)示電磁閥的失效率將要快速上升，應(yīng)立即啟動電磁閥的首次維修活動。

（2）確定1 個時間周期（如5 a）或者運(yùn)行時間（如10 000 h），到時就對電磁閥進(jìn)行翻新或更換。確定該時間周期時，必須參考核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗、廠家設(shè)計要求和電磁閥實(shí)際使用情況。

針對備用電磁閥不能起到備用功能，建議將備用電磁閥和B1 電磁閥并聯(lián)使用。B1 電磁閥和備用電磁閥的A、B 接口分別接到蓄能器的同一端。另外，如果備用電磁閥和B1 電磁閥串聯(lián)使用，由于管路必須導(dǎo)通，串聯(lián)使用的電磁閥反而降低了可用性。如果在備用電磁閥和B1 電磁閥出口分別增加截止閥，雖然可以達(dá)到手動切換電磁閥的目的，但是手動切換備用電磁閥，依然存在柴油機(jī)不可用的可能性，而且增加的隔離閥會增大管路漏氣和故障率。

4 結(jié)語

介紹核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)基本控制流程和運(yùn)行原理，根據(jù)現(xiàn)場故障現(xiàn)象，分析導(dǎo)致電磁閥故障的可能原因。