应急柴油机预润滑油泵压力低故障分析与处理

姜燕成

(中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 221116)

0 概述

6.0 kV应急柴油发电机组是核电厂在事故时的应急电源。每台压水堆核电机组设置2套应急柴油发电机组，用于在事故工况下为专设的安全设施和系统供电。

某核电厂3，4号压水堆核电机组各设置2套6.0 kV应急柴油发电机组，共计4台柴油机，均采用德国MTU公司生产的型号为20V956TB33的四冲程、高速、大功率柴油机。应急柴油机主要辅助系统包括进/排气系统、启动空气系统、润滑油系统、燃油系统、冷却水系统等。

1 故障描述

该核电厂3，4号机组自商运后，应急柴油机多次执行柴油发电机组低负荷试验。试验结束，柴油机停运，预润滑油泵153PO启动后，多次发生预润滑回路油压低报警，主控触发柴油发电机机械故障报警，导致柴油机不可用，机组产生第1组IO。现场在PLC上检查柴油机预润滑油泵出口压力传感器150MP，显示只有0.1—0.2 bar (1 bar=0.1 MPa，低于 0.5 bar报警)，且该压力值无上升趋势；而正常情况下，此时的压力应该在0.8 bar左右。

3，4号机组应急柴油机预润滑油泵压力低缺陷频发，严重影响了机组应急柴油机的可靠性，也对机组反应堆的安全稳定运行产生不良影响，亟需找到造成该缺陷的原因，并制定相应的纠正措施。

2 柴油机润滑油系统介绍

当柴油机热备用时，预润滑油泵从油底壳中抽出润滑油，其中一部分润滑油通过一个过滤器送至调速器的执行机构，另一部分润滑油进入柴油机润滑油循环系统。柴油机启动后(转速达到350 r/min)，预润滑油泵停运，改由柴油机自身的机带泵供油。当柴油机停运时(转速降至90 r/min)，预润滑油泵自动启动，向柴油机本体内部供润滑油。预润滑油泵入口及出口管道均设置有一道止回阀，防止在柴油机正常运行(此时预润滑油泵停运)时，机带泵产生的高压将预润滑油泵进出口管道内的润滑油反压回油底壳。预润滑回路如图1所示。

预润滑回路压力传感器150MP位于柴油机本体预润滑回路上，由于存在管阻损失，正常显示的压力为0.5—1.5 bar(根据润滑油温度变化)；若压力低于0.5 bar，则会产生压力低报警。

该核电厂3，4号机组应急柴油机配备的预润滑油泵是由德国RICKMEIER公司生产的R35型齿轮泵，额定转速1 500 r/min，最大出口压力7.5 bar，额定流量72 L/min，泵体泄压阀开启压力5.5 bar。现场安装形式如图2所示。

图1 预润滑油回路示意

图2 预润滑油泵安装形式

3 故障原因分析和确认

(1) 在排除了一些系统方面的原因后，将故障点定位到泵体上安装的泄压阀上。若预润滑油泵出口泄压阀密封不严或回座不好，当预润滑油泵启动后，泵出口的润滑油通过泵体泄压阀回流至泵入口，只有少量的润滑油进入柴油机本体，导致压力传感器150MP显示压力低。泵体泄压阀的结构如图3所示。

(2) 对发生缺陷的泵进行解体检查，检查齿轮情况良好，无明显的磨损现象。泄压阀阀芯及阀座密封面良好，弹簧弹性无明显变化；若阀门正常回座后，不会出现内漏的情况。

(3) 在将阀芯导向杆从导向套 (见图3)中取出的过程中，发现有明显的卡涩现象，阀芯导向杆很难从导向套中拔出；且将弹簧压缩后，阀芯导向杆很难恢复到正常位置。检查发现，阀芯导向杆表面有明显的磨痕(见图4左)。解体另一台同样运行了1个循环周期但未发生过压力低缺陷的泵，也在阀芯导向杆同样的位置发现了磨痕(见图4右)；但磨损程度较轻，弹簧压下后，阀芯导向杆能回到正常位置。检查新备件的情况，阀芯导向杆上并无磨痕存在(图5)，且阀芯导向杆与导向套之间动作灵活，无卡涩现象。

图3 泵体泄压阀结构

图4 阀芯导向杆磨损情况对比

图5 新阀芯

(4) 通过观察安装在泵本体上的出口压力表可知，在柴油机试验结束停运瞬间，预润滑油泵出口的压力最高达到8.5 bar，超过了泄压阀的开启压力(5.5 bar)。所以当每次执行柴油机试验后，已开启的泄压阀由于阀芯导向杆磨损卡涩而不能正常回座，导致油泵出口的大部分润滑油通过泄压阀回流至泵入口，只有少量的润滑油进入了柴油机本体，造成了预润滑油泵出口压力低故障。

(5) 根据试验现象可以判断，在每次柴油机低负荷运行试验过程中，预润滑油泵泄压阀都会动作。为确认导致阀芯导向杆磨损的根本原因，模拟柴油机预润滑油泵的现场实际布置，制作了试验装置，如图6所示。

图6 预润滑油泵试验装置

将该核电厂大修期间柴油机检修时更换下来的旧润滑油作为传输介质，启泵后多次手动关闭出口止回阀160VH，人为迫使泵出口超压泄压阀动作。试验结束后检查泄压阀阀芯导向杆，未发现磨损的痕迹(见图7)。泄压阀频繁动作导致磨损的可能性被排除。

图7 模拟试验前后阀芯导向杆对比

(6) 在将阀芯导向杆从导向套中拔出检查过程中，发现导向杆表面附着有少量磨损产生的金属屑，卡在导向杆和导向套之间，造成阀芯卡涩，阀门动作后无法正常回座。

(7) 根据导向杆上2个磨损点的位置，结合阀芯的结构形式(见图8)。查询相关文献资料，分析了导致磨损的根本原因。

由于导向杆和导向套之间的间隙很小(约0.1 mm)，受弹簧力影响，2个部件之间有2个位置始终紧密接触，且预润滑油泵常年运转，受振动影响，接触面上会发生微动磨损。

微动是指机械零部件中紧密配合的接触表面在机械振动等交变载荷作用下产生微米量级振幅的微小相对运动。微动磨损是指承受局部接触载荷或固定作用力的接触副因外界振动引起的微小相对移动而使接触表面产生的磨损。磨损产生的金属屑仍附着在导向杆表面，卡在导向杆与导向套之间，无法排出。在柴油机停运的瞬间，泵出口压力高于泄压阀开启压力，泄压阀动作后，由于导向杆卡涩，且此时泵出口压力较大，抵消了部分弹簧力，导致阀芯无法正常回座，一直卡在一个小开度状态。大部分的润滑油通过泄压阀回流至泵入口，致使柴油机停运后出现预润滑油泵压力低缺陷。

图8 阀芯结构

4 处理方案

经过分析、试验并与柴油机厂家反复沟通，制定了如下处理方案。由于泄压阀阀芯上的插接结构始终存在磨损卡涩的风险，结合阀芯密封面结构为锥形、自带导向作用，并参考其他厂家的齿轮泵结构，提出了阀芯的改进方案——取消阀芯上的插接结构，将弹簧直接套在导向杆与导向套上，如图9所示。

图9 改进后的阀芯结构

将改进后的阀芯安装到试验台架上进行试验，启泵后多次手动关闭预润滑油泵出口止回阀，迫使泄压阀多次动作，运行均正常。该改进方案也得到柴油机厂家的认可。2017年6月，该核电厂大修时，在每次均发生油压低缺陷的3LHQ153PO泵上安装了改进型的阀芯，经过了柴油机大修后再鉴定的多次空载启动运行、4 h满负荷运行试验及低负荷运行试验，预润滑油泵均工作正常。随后，由柴油机厂家提供备件并在各核电厂进行推广。

5 结束语

自2016年8月首次发生预润滑油泵油压低缺陷，历时2年时间，维修人员通过对柴油机润滑油系统及预润滑油泵的结构进行不断分析、试验，最终确认了故障原因，制定了处理方案，并在实际中成功应用，确保了该核电厂3，4号机组应急柴油机的可靠性。该改进方案为后续其他核电机组应急柴油机的设计、改进及维修提供了经验。