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

車銀輝 白帆 祖帥 白宇星 初向南

摘要：某核電廠第五臺應(yīng)急柴油機(jī)在執(zhí)行變負(fù)荷磨合試驗(yàn)時(shí)，其B9缸配氣機(jī)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，造成應(yīng)急柴油機(jī)不可用。通過配氣機(jī)構(gòu)各故障件的損傷形貌觀察，推理演繹配氣機(jī)構(gòu)損壞過程，鎖定燒毀的凸輪軸軸瓦為肇事部件。從制造質(zhì)量、運(yùn)行工況、安裝工藝等方面開展軸瓦燒毀原因分析，利用柴油機(jī)仿真軟件驗(yàn)證制造安裝偏差造成軸瓦燒毀的影響，明確了造成配氣機(jī)構(gòu)損壞的根本原因。針對損壞原因，介紹了該型號應(yīng)急柴油機(jī)損壞的配氣機(jī)構(gòu)首次現(xiàn)場處理過程中修復(fù)工藝改進(jìn)實(shí)施情況，為同類型應(yīng)急柴油機(jī)節(jié)省檢修時(shí)間提供了參考借鑒。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急柴油機(jī);配氣機(jī)構(gòu);損壞;改進(jìn)

中圖分類號：TM623.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0129-03

0? 引言

核電廠第5臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組（LHS）為附加后備柴油發(fā)電機(jī)組，其安全功能是替代不可用的核電廠應(yīng)急發(fā)電機(jī)組LHP/LHQ，在10s內(nèi)啟動(dòng)并達(dá)到額定電壓和額定功率，向中壓應(yīng)急交流配電盤LHA/LHB供電，以實(shí)現(xiàn)LHP/LHQ的糾正性和預(yù)防性維修，提高機(jī)組可用率。LHS應(yīng)急柴油機(jī)為德國MTU公司生產(chǎn)20V956TB33型柴油機(jī)，這是一種直噴式四沖程柴油機(jī)，共有20個(gè)氣缸（A、B兩列各10個(gè)氣缸），成60°V形分布，額定功率為6000kW。

柴油機(jī)曲軸通過齒輪箱變速帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)按照配氣定時(shí)配置好的凸輪旋轉(zhuǎn)過一定角度后，將與凸輪配合將滾子導(dǎo)套頂起，與下游的搖臂機(jī)構(gòu)配合傳動(dòng)打開相對應(yīng)的進(jìn)、排氣閥，實(shí)現(xiàn)氣缸做功或進(jìn)氣沖程時(shí)的進(jìn)排氣功能，以保證柴油機(jī)氣缸可以正常做功。配氣機(jī)構(gòu)主要由氣閥組件、氣閥傳動(dòng)組件及凸輪軸組件等三部分構(gòu)成，見圖1所示。

本文介紹了核電廠應(yīng)急柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)損壞原因分析過程，找出配氣機(jī)構(gòu)損壞的根本原因，提出了防止配氣機(jī)構(gòu)損壞重發(fā)的修復(fù)工藝措施，同時(shí)介紹了首次現(xiàn)場處理過程中檢修工藝改進(jìn)實(shí)施情況，為同類型應(yīng)急柴油機(jī)節(jié)省檢修時(shí)間提供了參考借鑒。

1? 事件背景

核電廠執(zhí)行LHS應(yīng)急柴油機(jī)的變負(fù)荷磨合試驗(yàn)過程中，巡檢發(fā)現(xiàn)B9缸氣缸頭附近冒煙，進(jìn)氣歧管表面油漆受熱發(fā)黃，立即緊急停運(yùn)柴油機(jī)。解體檢查B9缸的配氣機(jī)構(gòu)損傷情況：①活塞頂與進(jìn)氣門存在磕碰痕跡;②搖臂機(jī)構(gòu)的氣門間隙調(diào)整螺釘鎖緊螺母松動(dòng)，進(jìn)氣門桿彎曲，其內(nèi)部油道存有大量金屬碎屑;③進(jìn)、排氣挺桿彎曲;④進(jìn)、排氣門的2個(gè)滾子導(dǎo)套卡死，破拆后導(dǎo)套外表面磨損嚴(yán)重，形成了冷焊現(xiàn)象;⑤凸輪軸軸瓦與軸頸抱死，破拆后軸瓦工作表面高溫發(fā)黑，且金屬熔化遷移。

2? 肇事部件確認(rèn)

由于損壞的部件眾多，首先需要配氣機(jī)構(gòu)損壞過程。經(jīng)分析，造成配氣機(jī)構(gòu)損壞有兩種過程：①氣閥間隙偏大由上往下傳遞熱量造成軸瓦損壞;②軸瓦燒毀由下往上引起傳動(dòng)部件卡澀。氣閥間隙，即萬向節(jié)與氣閥桿之間預(yù)留一個(gè)間隙，通過緊固鎖緊螺母來調(diào)整，主要是防止氣閥桿受熱膨脹而伸長，導(dǎo)致氣閥關(guān)閉不嚴(yán)。此次柴油機(jī)變負(fù)荷磨合試驗(yàn)前執(zhí)行過氣閥間隙調(diào)整工作，為鎖定肇事部件開展的分析有：①根據(jù)配氣機(jī)構(gòu)各部件損傷的宏、微觀形貌觀察結(jié)果，B9缸進(jìn)、排氣滾子套筒卡死在行程高位是由于潤滑不良產(chǎn)生冷焊抱死導(dǎo)致的;②潤滑油除供B9缸的搖臂機(jī)構(gòu)、挺桿、滾子導(dǎo)筒等部件潤滑外，還為B8缸的高壓油泵提供密封油。在B9/B8缸相關(guān)部件的內(nèi)油道中均發(fā)現(xiàn)了金屬碎屑，經(jīng)檢測均來自于B9缸凸輪軸瓦碎片;③采用AVL軟件經(jīng)計(jì)算，見圖2，氣門間隙對凸輪軸瓦不會產(chǎn)生額外過大的損壞沖擊載荷。綜上，B9缸凸輪軸軸瓦首先損壞并產(chǎn)生大量金屬碎片，隨潤滑油進(jìn)入B9/B8缸各部件內(nèi)油道，引起潤滑油流量降低，滾子導(dǎo)套外表面潤滑不良冷焊抱死，氣門定時(shí)失常，活塞頂部撞擊進(jìn)氣門，導(dǎo)致配氣機(jī)構(gòu)其它部件承受很大的沖擊力，從而產(chǎn)生不同程度的損傷。

3? 凸輪軸軸瓦燒毀原因分析

為了確定凸輪軸軸瓦燒毀的原因，分別從軸瓦制造質(zhì)量、軸瓦運(yùn)行工況、軸瓦安裝、安裝影響仿真分析等方面開展了調(diào)查分析工作，為避免軸瓦燒毀提供理論指導(dǎo)與支持。

3.1 軸瓦制造質(zhì)量分析

燒毀軸瓦由內(nèi)外兩層金屬構(gòu)成，其中內(nèi)層金屬為鑄態(tài)Cu-Pb-Sn銅合金，外層金屬為碳鋼。軸瓦內(nèi)層表面存在明顯的磨損痕跡，中部導(dǎo)油槽附近顏色發(fā)黑，有明顯氧化特征，局部油槽已被變形銅合金填充;外層表面可見磨損特征，磨損相對較為輕微，見圖3。對燒毀軸瓦內(nèi)表面開展掃描電鏡和能譜分析，可見明顯的犁溝型環(huán)向磨損特征以及氧化層形貌。軸瓦金相組織分析結(jié)果表明，銅合金層發(fā)生了局部熔化和形變，導(dǎo)致組織中第二相部分外溢，鑄態(tài)組織已不明顯;碳鋼層組織則發(fā)生了局部相變，在損傷嚴(yán)重位置出現(xiàn)了顯微開裂和銅金屬滲入現(xiàn)象。軸瓦硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)層出現(xiàn)了硬度升高，外層出現(xiàn)了硬度降低的情況。綜上軸瓦材料檢查結(jié)果，軸瓦燒毀是在高溫和應(yīng)力共同作用下的結(jié)果，與制造質(zhì)量本身無關(guān)。

3.2 軸瓦運(yùn)行工況調(diào)查分析

LHS應(yīng)急柴油機(jī)在德國MTU廠家完成總裝，運(yùn)抵國內(nèi)制造廠完成驗(yàn)收試驗(yàn)，至損壞前啟動(dòng)總次數(shù)約400次，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約400小時(shí)。對比故障前一年內(nèi)的歷次試驗(yàn)記錄，該臺柴油機(jī)設(shè)備狀態(tài)總體穩(wěn)定，B9缸溫度維持在健康水平，無惡化趨勢。本次應(yīng)急柴油機(jī)磨合試驗(yàn)過程中，潤滑油進(jìn)口溫度為68℃，小于83℃報(bào)警值，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，可排除柴油機(jī)潤滑油運(yùn)行異常造成凸輪軸瓦燒毀的可能性。

3.3 軸瓦安裝調(diào)查分析

本臺柴油機(jī)搶修過程中，對B列12個(gè)軸瓦的進(jìn)油孔安裝偏差、軸頸尺寸和瓦座內(nèi)徑進(jìn)行重點(diǎn)檢查，除B9缸外11個(gè)軸瓦均未見異常。B9缸凸輪軸瓦座內(nèi)徑尺寸呈橢圓形，最小直徑137.93mm位于1-2點(diǎn)鐘方向，低于廠家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)0.07mm，見表1所示。根據(jù)廠家反饋，制造階段不會對凸輪軸瓦安裝后的內(nèi)徑進(jìn)行檢測要求。從34個(gè)軸瓦備件中選用了外徑最小的軸瓦進(jìn)行試裝，安裝后的軸瓦內(nèi)徑低于設(shè)計(jì)下限值0.03mm，與凸輪軸軸頸的運(yùn)行間隙為0.085mm，低于設(shè)計(jì)要求。這表明原始裝配后的B9缸凸輪軸瓦與瓦座的配合過盈會更大（超過0.20mm），會引起軸瓦的運(yùn)行溫度升高，降低承載性能。

3.4 軸瓦安裝影響仿真分析

對軸瓦和瓦座的安裝偏差情況開展仿真分析，仿真的幾何模型見圖4。瓦座三個(gè)面固定，一面對稱約束，外端面和側(cè)面自由，加載的環(huán)境溫度為25℃，流道水溫為20℃。軸瓦的溫度邊界加載施加為80°C。不同裝配尺寸后變化情況的仿真結(jié)果見表2所示，軸瓦與瓦座裝配過盈越大，瓦座內(nèi)徑外擴(kuò)越大，軸瓦內(nèi)徑內(nèi)縮越嚴(yán)重，會進(jìn)一步縮小軸瓦與軸頸的運(yùn)行間隙（0～0.085mm）。

應(yīng)急柴油機(jī)凸輪軸設(shè)計(jì)使用了多軸承支撐軸系結(jié)構(gòu)，載荷計(jì)算復(fù)雜。采用柴油機(jī)多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，結(jié)合軸瓦內(nèi)徑定量仿真結(jié)果，從軸瓦的總載荷、最小油膜厚度、軸瓦熱負(fù)荷等方面，進(jìn)一步分析軸瓦安裝偏差對其承載能力的影響。為加快分析計(jì)算，簡化后的柴油機(jī)凸輪軸齒輪系幾何模型見圖5。根據(jù)LHS柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，仿真輸入條件為：潤滑油牌號15W40，進(jìn)口油溫68°C，供油壓力9.69bar，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1500rpm。多體動(dòng)力學(xué)的凸輪軸瓦仿真結(jié)果見表3所示。表3中的數(shù)據(jù)表明，凸輪軸瓦安裝間隙在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí)，其承載能力均滿足要求;當(dāng)B9缸凸輪軸瓦間隙減小而其它軸瓦間隙不變時(shí)，各缸的軸瓦載荷會重新分配，B9缸凸輪軸瓦熱負(fù)荷增加較快，導(dǎo)致軸瓦運(yùn)行溫度升高較大（即為穩(wěn)定工況的2.23倍，即68℃*105/47=151℃），會遠(yuǎn)超出了潤滑油報(bào)警溫度，軸瓦內(nèi)層承載區(qū)的潤滑油局部氧化嚴(yán)重，沉積的氧化物會進(jìn)一步減低摩擦熱量的傳導(dǎo)，進(jìn)而降低軸瓦承載能力加速軸瓦損壞。

4? 凸輪軸修復(fù)技術(shù)研究

根據(jù)上述分析，為解決凸輪軸軸瓦安裝引起燒毀問題，確保軸瓦長期運(yùn)行的可靠性，對凸輪軸軸瓦的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。德國MTU公司生產(chǎn)20V956TB33型柴油機(jī)為緊湊型柴油機(jī)，給現(xiàn)場拆卸、維修帶來了不便。由于該型號柴油機(jī)首次在核電現(xiàn)場執(zhí)行凸輪軸更換工作，各方的現(xiàn)場維修經(jīng)驗(yàn)不足，一邊搶修一邊改進(jìn)檢修工藝，大大延長了預(yù)期的檢修時(shí)間，修復(fù)工藝重點(diǎn)改進(jìn)為：①在不拆除發(fā)電機(jī)側(cè)的情況下，只能朝機(jī)頭方向?qū)⑼馆嗇S抽出，受空間長度限制原抬軸工具無法使用，在原來的抬軸工具上進(jìn)行改造，加工制作了分段式抬軸工具;②B9缸凸輪軸瓦座孔變形且配合間隙超過設(shè)計(jì)要求，采用自主研發(fā)的汽輪機(jī)通流間隙激光測量技術(shù)，該技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于B列12個(gè)凸輪軸瓦座內(nèi)徑與對中度測量，見圖6，保證了多支撐凸輪軸擴(kuò)孔修理后的對中度，消除了由于間隙偏差過大引起的負(fù)荷分配不均造成的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

5? 結(jié)束語

通過應(yīng)急柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)各部件的損傷形貌觀察，鎖定凸輪軸軸瓦燒毀是造成配氣機(jī)構(gòu)損壞的始發(fā)部件。經(jīng)過軸瓦材料分析、運(yùn)行工況核查、安裝配合尺寸以及模擬驗(yàn)證計(jì)算等方面分析，確認(rèn)導(dǎo)致凸輪軸瓦燒毀的根本原因?yàn)檩S瓦存在原始制造安裝缺陷，軸瓦與瓦座的安裝配合間隙超出設(shè)計(jì)要求，引起軸瓦和軸頸間的運(yùn)行間隙偏小，各軸瓦載荷分配不均，長期處于高溫度下運(yùn)行累積燒毀。使用內(nèi)窺鏡對廠內(nèi)所有應(yīng)急柴油機(jī)凸輪軸瓦座外表面進(jìn)行擴(kuò)檢，同時(shí)檢修文件中增加凸輪軸瓦安裝后的內(nèi)徑檢測要求。在此次檢修過程中，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，改進(jìn)了凸輪軸抬軸工具和采用了高精度的激光測量技術(shù)，使用效果良好，為后同類型應(yīng)急柴油機(jī)節(jié)省檢修時(shí)間提供了重要的參考借鑒。

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