備用柴油機(jī)渦輪增壓器潤(rùn)滑油壓力異常故障診斷及處理

沈 杰

（中核核電運(yùn)行管理有限公司三廠維修五處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

中核集團(tuán)重水堆核電廠 （以下簡(jiǎn)稱重水堆核電廠） 兩臺(tái)重水堆機(jī)組共安裝4 臺(tái)備用柴油發(fā)電機(jī)（Standby Diesel Generator,以下簡(jiǎn)稱SDG）。 SDG 是核電廠的廠用Ⅲ類電源系統(tǒng)的備用電源。 在廠外電源及廠內(nèi)電源同時(shí)失電的情況下，SDG 向核電廠安全設(shè)施提供可靠的、獨(dú)立的應(yīng)急備用電源，其作用相當(dāng)于壓水堆核電站的廠用應(yīng)急電源 （Emergency Diesel Generator，即EDG）。 SDG 直接與核安全相關(guān)，其設(shè)備狀態(tài)影響電廠的“應(yīng)急交流電系統(tǒng)性能（SP5）”WANO性能指標(biāo)。

每臺(tái)SDG 配置2 臺(tái)渦輪增壓器。在重水堆核電廠1 號(hào)機(jī)組第8 次大修時(shí)， 首次采用備件輪換方式對(duì)其1#SDG 2 臺(tái)渦輪增壓器進(jìn)行了整體更換。 在更換后的試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)2 臺(tái)渦輪增壓器潤(rùn)滑油入口壓力低，無(wú)法達(dá)到130～150 kPa 的設(shè)計(jì)要求值。

渦輪增壓器作為SDG 重要部件，其潤(rùn)滑油主要用于渦輪增壓器軸承潤(rùn)滑及冷卻。 渦輪增壓器潤(rùn)滑油壓力異?？赡軐?dǎo)致渦輪增壓器軸承潤(rùn)滑、 冷卻不足，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致渦輪增壓器軸承異常磨損、損壞，進(jìn)而影響渦輪增壓器及柴油機(jī)的正常運(yùn)行；甚至可能在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下造成設(shè)備損壞。 因此，需要快速、準(zhǔn)確進(jìn)行故障原因定位及處理。

渦輪增壓器潤(rùn)滑油回路結(jié)構(gòu)：重水堆核電廠SDG安裝的是德國(guó)曼（MAN）公司生產(chǎn)的NA 40/T 型渦輪增壓器，其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速0～25 000 rpm。 如圖1 所示，渦輪增壓器與備用柴油機(jī)共用一個(gè)潤(rùn)滑油系統(tǒng)，由備用柴油機(jī)潤(rùn)滑油入口總管分流后經(jīng)潤(rùn)滑油入口減壓閥，減壓后潤(rùn)滑油流至潤(rùn)滑油管三通分別流向A、B 兩列的渦輪增壓器；經(jīng)分流后單列的潤(rùn)滑油首先流經(jīng)潤(rùn)滑油單向閥，經(jīng)三通管線分流后，其中一路流入渦輪增壓器軸承室， 另一路經(jīng)單向節(jié)流閥流入潤(rùn)滑油高位油箱；最后潤(rùn)滑油由渦輪增壓器潤(rùn)滑油出口和高位油箱出口管回流至備用柴油機(jī)潤(rùn)滑油油底殼。

圖1 渦輪增壓器潤(rùn)滑油回路結(jié)構(gòu)圖

1 故障分析與處理

1.1 故障分析方法簡(jiǎn)要介紹

重水堆核電廠備用柴油發(fā)電機(jī)渦輪增壓器與備用柴油機(jī)共用一路潤(rùn)滑油系統(tǒng)，潤(rùn)滑油壓力一方面受自身系統(tǒng)設(shè)備的影響，另一方面受柴油機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的影響。 如果對(duì)故障原因一一進(jìn)行詳細(xì)列舉排查，耗時(shí)將會(huì)很長(zhǎng)。 但由于渦輪增壓器的高速運(yùn)轉(zhuǎn)特性，出于安全性的考慮，又必須要進(jìn)行全面的故障排查。

而故障樹分析法是一種從系統(tǒng)到部件， 到零件“下降型”分析方法，可以清晰列出故障原因，事故層次，有效避免所有故障原因橫向列舉造成的混雜和耗時(shí)長(zhǎng)的問題。 故此次決定采用故障樹分析法（FTA）對(duì)渦輪增壓器潤(rùn)滑油壓力異常原因自上而下逐層進(jìn)行定性分析和排查。

1.2 潤(rùn)滑油壓力異常原因分析與處理

1.2.1 原因分析

重水堆核電廠1#機(jī)組1#SDG 在渦輪增壓器更換后，試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：在SDG 升功率期間，渦輪增壓器潤(rùn)滑油入口壓力隨SDG 功率上升而下降；經(jīng)調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油減壓閥后壓力仍無(wú)法上升； 潤(rùn)滑油壓力始終低于130～150 kPa 的設(shè)計(jì)值。

如圖2 所示，根據(jù)故障樹分析法，分析能造成渦輪增壓器潤(rùn)滑油入口壓力異常，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求值的原因如下：

圖2 渦輪增壓器潤(rùn)滑油壓力異常原因分析

（1）潤(rùn)滑油系統(tǒng)存在泄漏。 首先檢查渦輪增壓器各潤(rùn)滑油各管路無(wú)異常泄漏，排除了潤(rùn)滑油泄漏造成潤(rùn)滑油壓力下降的可能。

（2）潤(rùn)滑油減壓閥壓力調(diào)節(jié)作用異常。 由于渦輪增壓器潤(rùn)滑油系統(tǒng)壓力由柴油機(jī)潤(rùn)滑油入口壓力經(jīng)減壓閥減壓后形成，其壓力與減壓閥的調(diào)節(jié)作用有最直接的聯(lián)系。

渦輪增壓器潤(rùn)滑油減壓閥為德國(guó)曼（MAN）公司生產(chǎn)的自動(dòng)式減壓閥，其額定出口壓力范圍80～250 kPa。其閥門可通過上部的調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)彈簧來(lái)控制閉件（閥瓣）的節(jié)流作用，將閥門進(jìn)口端的壓力降至某一個(gè)需要的出口壓力，并在閥門進(jìn)口端壓力及流量發(fā)生變化時(shí)，能利用閥門后端的介質(zhì)壓力，自動(dòng)調(diào)節(jié)流量保持出口端壓力基本穩(wěn)定。

對(duì)減壓閥的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行故障分析，分析能造成減壓閥調(diào)節(jié)作用異常的原因如下：

第一，柴油機(jī)潤(rùn)滑油入口壓力異常。

分析柴油機(jī)入口壓力雖然隨著功率上升而有所下降，但進(jìn)口壓力最小仍有591 kPa（要求值：610±50 kPa），進(jìn)而排除潤(rùn)滑油入口壓力值低造成的減壓閥壓力調(diào)節(jié)作用異常的可能。

第二，減壓閥壓力調(diào)節(jié)不到位。

在試驗(yàn)過程中已將減壓閥調(diào)節(jié)螺釘由59 mm 調(diào)節(jié)至42 mm，期間渦輪增壓器入口壓力始終無(wú)變化，排除減壓閥調(diào)節(jié)不到位引起的潤(rùn)滑油壓力異常的可能。

第三，減壓閥故障。

減壓閥故障分析： 分析減壓閥在閥瓣卡澀或彈簧永久變形等故障情況下， 有概率會(huì)造成閥后壓力偏低的情況。由于此次檢修不包含減壓閥解體工作，不能確定減壓閥是否故障，進(jìn)而無(wú)法排除減壓閥故障可能。

（3）潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度異常。 根據(jù)潤(rùn)滑油特性，潤(rùn)滑油系統(tǒng)中，在其他條件不變的情況下，潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度會(huì)隨溫度上升而下降，隨溫度下降而上升；潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度上升，潤(rùn)滑油壓力隨之上升；潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度下降，潤(rùn)滑油壓力隨之下降。 判斷在潤(rùn)滑油自身運(yùn)動(dòng)粘度不符合標(biāo)準(zhǔn)或是系統(tǒng)中潤(rùn)滑油溫度過高的情況下，會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑油壓力過低的情況。 分析能造潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度異常的原因如下：

第一，潤(rùn)滑油品質(zhì)異常。

根據(jù)潤(rùn)滑油化驗(yàn)報(bào)告，確認(rèn)潤(rùn)滑油在40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度等各項(xiàng)指標(biāo)正常，排除潤(rùn)滑油本身品質(zhì)異常造成的潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度異常。

第二，潤(rùn)滑油溫度異常。

檢查潤(rùn)滑油入口溫度始終保持在48℃～53℃的正常溫度范圍內(nèi)（要求值：40℃～63℃），排除潤(rùn)滑油溫度異常造成潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度異常的可能。

（4）潤(rùn)滑油流量異常。 所以經(jīng)過分析和排除后，可能造成渦輪增壓器入口潤(rùn)滑油壓力低的原因如下：第一，潤(rùn)滑油減壓閥故障。第二，潤(rùn)滑油流量異常。

1.2.2 故障處理及結(jié)果

根據(jù)1.2.1原因分析結(jié)果，制定故障處理措施：

（1）更換潤(rùn)滑油減壓閥。

（2）在試驗(yàn)時(shí)檢查潤(rùn)滑油流量情況。

對(duì)渦輪增壓器減壓閥使用合格備件進(jìn)行更換，排除潤(rùn)滑油減壓閥故障造成渦輪增壓器入口潤(rùn)滑油壓力低的可能。

啟動(dòng)潤(rùn)滑油備用泵將渦輪增壓器潤(rùn)滑油入口壓力分別調(diào)整至A 列140 kPa 和B 列145 kPa 的壓力值。啟動(dòng)備用柴油機(jī)進(jìn)行升功率試驗(yàn)后， 發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油壓力仍隨著柴油機(jī)功率上升而下降， 低于130～150 kPa 的設(shè)計(jì)值。

同時(shí)對(duì)潤(rùn)滑油回油情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油回油視窗中兩臺(tái)渦輪增壓器的回油情況存在差異：B 列潤(rùn)滑油回油連續(xù)，A 列潤(rùn)滑油回油呈一股一股的非連續(xù)狀態(tài)。 對(duì)A、B 兩列的潤(rùn)滑油回油溫度進(jìn)行測(cè)溫：A、B 兩列潤(rùn)滑油回油溫度存在10℃的溫差，A 列回油溫度為77℃（回油溫度限值為85℃），B 列回油溫度為67℃。 根據(jù)檢查結(jié)果，分析渦輪增壓器潤(rùn)滑油系統(tǒng)流量異常，導(dǎo)致A 列潤(rùn)滑油流量不足，引起軸承部件發(fā)熱，造成A 列潤(rùn)滑油回油溫度上升。

1.3 潤(rùn)滑油流量異常原因分析與處理

1.3.1 原因分析

如圖圖3 所示，根據(jù)渦輪增壓器潤(rùn)滑油系統(tǒng)的構(gòu)成，分析造成輪增壓器潤(rùn)滑油流量異常的原因如下：

圖3 渦輪增壓器潤(rùn)滑油流量異常分析

（1）潤(rùn)滑油單向閥安裝錯(cuò)誤或故障關(guān)閉引起的流量整個(gè)管線內(nèi)壓力無(wú)法建立。

潤(rùn)滑油單向閥為立式單向閥，設(shè)置于渦輪增壓器和高位油箱潤(rùn)滑油入口之前。 它的作用是阻止介質(zhì)的倒流，同時(shí)在管道的流量不足時(shí)單向閥依靠介質(zhì)及彈簧的力量自動(dòng)關(guān)閉， 保證潤(rùn)滑油能流入渦輪增壓器內(nèi)。 但在單向閥倒裝或故障關(guān)閉情況下，流量應(yīng)完全消失，同時(shí)在更換時(shí)曾檢查單向閥，排除單向閥故障和安裝錯(cuò)誤的可能。

（2）管線存在堵塞。

在備用柴油機(jī)渦輪增壓器安裝前曾經(jīng)使用壓縮空氣吹掃潤(rùn)滑油管線，排除潤(rùn)滑油管線堵塞的可能。

（3）潤(rùn)滑油高位油箱入口單向節(jié)流閥安裝異常或損壞，造成液體大量流入高位油箱，導(dǎo)致渦輪增壓器入口流量過小。

如圖4 所示，單向節(jié)流閥位于潤(rùn)滑油高位油箱入口處，在流量正常工況下，閥芯與閥門上閥蓋貼合，潤(rùn)滑油僅能通過閥芯中間的小孔通過進(jìn)入高位油箱，起到單向限流的作用。 而在潤(rùn)滑油流量不足的情況下，潤(rùn)滑油能通過閥芯中間和旁邊的孔，從高位油箱流入渦輪增壓器內(nèi)。 單向限流閥只能起到從潤(rùn)滑油入口側(cè)至高位油箱單向限流作用，若單向限流閥倒裝、閥芯未安裝或閥門損壞等異常會(huì)導(dǎo)致單向節(jié)流閥節(jié)流功能失去，造成渦輪增壓器潤(rùn)滑油流量異常。

圖4 高位油箱入口單向節(jié)流閥原理及結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 故障處理及結(jié)果

按照1.3.1 原因分析的結(jié)果， 安排對(duì)單向節(jié)流閥進(jìn)行故障排查。

首先檢查潤(rùn)滑油單向節(jié)流閥的閥體方向安裝正確。 但在解體單向節(jié)流閥時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)：A、B 兩列安裝在閥體與閥蓋之間墊片的中間孔與閥芯的尺寸幾乎一致，而四周的螺栓孔存在較大余量，若墊片安裝有偏差，則會(huì)造成閥芯無(wú)法與上蓋貼合，阻礙了單向節(jié)流閥的節(jié)流作用，從而導(dǎo)致進(jìn)行高位油箱的潤(rùn)滑油流量增大， 造成渦輪增壓器入口潤(rùn)滑油系統(tǒng)流量減小，引起壓力下降。

如圖5 所示，核對(duì)圖紙發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)蜗蚬?jié)流閥的閥體與蓋板之間按照設(shè)計(jì)未使用墊片。

圖5 單向節(jié)流閥結(jié)構(gòu)說明

隨后去除了A、B 兩列單向節(jié)流閥閥體與閥蓋之間的墊片，進(jìn)行維修后試驗(yàn)。 如圖6 所示，渦輪增壓器潤(rùn)滑油入口壓力始終能保持130～150 kPa 的設(shè)計(jì)值；在潤(rùn)滑油回油視窗中觀察A、B 兩列回油連續(xù)； 測(cè)量A、B 兩列潤(rùn)滑油回油溫度均保持在66℃～67℃。

圖6 渦輪增壓器潤(rùn)滑油入口壓力隨功率變化表

根據(jù)檢查及處理情況，參考圖7 所示，最終確認(rèn)、并消除了因?yàn)闇u輪增壓器高位油箱入口單向節(jié)流閥閥體安裝有多余墊片，從而導(dǎo)致單向節(jié)流閥節(jié)流功能失去，引起潤(rùn)滑油流量異常，造成的A、B 兩列渦輪增壓器入口壓力無(wú)法建立和A 列渦輪增壓器回油不足、回油溫度上升的故障現(xiàn)象。

圖7 高位油箱入口單向節(jié)流閥異常工況示意圖

2 故障分析及處理后續(xù)運(yùn)用

為便于完善渦輪增壓器更換的檢查內(nèi)容和進(jìn)行潤(rùn)滑油壓力異常故障排查，根據(jù)故障樹原因分析圖，列舉造成潤(rùn)滑油壓力異常的所有最小割集， 進(jìn)行制作渦輪增壓器潤(rùn)滑油壓力異常故障原因?qū)φ毡?，如? 所示。

表1 渦輪增壓器潤(rùn)滑油壓力異常故障原因?qū)φ毡?/p>

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)此次在備用柴油機(jī)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的渦輪增壓器入口壓力不滿足設(shè)計(jì)值的問題；采用故障樹分析的方法， 分層次較為全面地對(duì)故障原因進(jìn)行排查，較為快速、精準(zhǔn)定位了缺陷原因，處理了設(shè)備缺陷，消除了設(shè)備隱患。 后續(xù)根據(jù)制作的渦輪增壓器潤(rùn)滑油壓力異常故障原因?qū)φ毡?，完善SDG 渦輪增壓器更換的設(shè)備檢查內(nèi)容，以減小此類情況再次發(fā)生的概率和便于后續(xù)渦輪增壓器潤(rùn)滑油壓力故障診斷及處理。