核电厂应急柴油机配气机构损坏原因分析及修复技术研究

车银辉 白帆 祖帅 白宇星 初向南

摘要：某核电厂第五台应急柴油机在执行变负荷磨合试验时，其B9缸配气机构发生严重损坏，造成应急柴油机不可用。通过配气机构各故障件的损伤形貌观察，推理演绎配气机构损坏过程，锁定烧毁的凸轮轴轴瓦为肇事部件。从制造质量、运行工况、安装工艺等方面开展轴瓦烧毁原因分析，利用柴油机仿真软件验证制造安装偏差造成轴瓦烧毁的影响，明确了造成配气机构损坏的根本原因。针对损坏原因，介绍了该型号应急柴油机损坏的配气机构首次现场处理过程中修复工艺改进实施情况，为同类型应急柴油机节省检修时间提供了参考借鉴。

关键词：应急柴油机;配气机构;损坏;改进

中图分类号：TM623.9                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）10-0129-03

0  引言

核电厂第5台应急柴油发电机组（LHS）为附加后备柴油发电机组，其安全功能是替代不可用的核电厂应急发电机组LHP/LHQ，在10s内启动并达到额定电压和额定功率，向中压应急交流配电盘LHA/LHB供电，以实现LHP/LHQ的纠正性和预防性维修，提高机组可用率。LHS应急柴油机为德国MTU公司生产20V956TB33型柴油机，这是一种直喷式四冲程柴油机，共有20个气缸（A、B两列各10个气缸），成60°V形分布，额定功率为6000kW。

柴油机曲轴通过齿轮箱变速带动凸轮轴转动，当按照配气定时配置好的凸轮旋转过一定角度后，将与凸轮配合将滚子导套顶起，与下游的摇臂机构配合传动打开相对应的进、排气阀，实现气缸做功或进气冲程时的进排气功能，以保证柴油机气缸可以正常做功。配气机构主要由气阀组件、气阀传动组件及凸轮轴组件等三部分构成，见图1所示。

本文介绍了核电厂应急柴油机配气机构损坏原因分析过程，找出配气机构损坏的根本原因，提出了防止配气机构损坏重发的修复工艺措施，同时介绍了首次现场处理过程中检修工艺改进实施情况，为同类型应急柴油机节省检修时间提供了参考借鉴。

1  事件背景

核电厂执行LHS应急柴油机的变负荷磨合试验过程中，巡检发现B9缸气缸头附近冒烟，进气歧管表面油漆受热发黄，立即紧急停运柴油机。解体检查B9缸的配气机构损伤情况：①活塞顶与进气门存在磕碰痕迹;②摇臂机构的气门间隙调整螺钉锁紧螺母松动，进气门杆弯曲，其内部油道存有大量金属碎屑;③进、排气挺杆弯曲;④进、排气门的2个滚子导套卡死，破拆后导套外表面磨损严重，形成了冷焊现象;⑤凸轮轴轴瓦与轴颈抱死，破拆后轴瓦工作表面高温发黑，且金属熔化迁移。

2  肇事部件确认

由于损坏的部件众多，首先需要配气机构损坏过程。经分析，造成配气机构损坏有两种过程：①气阀间隙偏大由上往下传递热量造成轴瓦损坏;②轴瓦烧毁由下往上引起传动部件卡涩。气阀间隙，即万向节与气阀杆之间预留一个间隙，通过紧固锁紧螺母来调整，主要是防止气阀杆受热膨胀而伸长，导致气阀关闭不严。此次柴油机变负荷磨合试验前执行过气阀间隙调整工作，为锁定肇事部件开展的分析有：①根据配气机构各部件损伤的宏、微观形貌观察结果，B9缸进、排气滚子套筒卡死在行程高位是由于润滑不良产生冷焊抱死导致的;②润滑油除供B9缸的摇臂机构、挺杆、滚子导筒等部件润滑外，还为B8缸的高压油泵提供密封油。在B9/B8缸相关部件的内油道中均发现了金属碎屑，经检测均来自于B9缸凸轮轴瓦碎片;③采用AVL软件经计算，见图2，气门间隙对凸轮轴瓦不会产生额外过大的损坏冲击载荷。综上，B9缸凸轮轴轴瓦首先损坏并产生大量金属碎片，随润滑油进入B9/B8缸各部件内油道，引起润滑油流量降低，滚子导套外表面润滑不良冷焊抱死，气门定时失常，活塞顶部撞击进气门，导致配气机构其它部件承受很大的冲击力，从而产生不同程度的损伤。

3  凸轮轴轴瓦烧毁原因分析

为了确定凸轮轴轴瓦烧毁的原因，分别从轴瓦制造质量、轴瓦运行工况、轴瓦安装、安装影响仿真分析等方面开展了调查分析工作，为避免轴瓦烧毁提供理论指导与支持。

3.1 轴瓦制造质量分析

烧毁轴瓦由内外两层金属构成，其中内层金属为铸态Cu-Pb-Sn铜合金，外层金属为碳钢。轴瓦内层表面存在明显的磨损痕迹，中部导油槽附近颜色发黑，有明显氧化特征，局部油槽已被变形铜合金填充;外层表面可见磨损特征，磨损相对较为轻微，见图3。对烧毁轴瓦内表面开展扫描电镜和能谱分析，可见明显的犁沟型环向磨损特征以及氧化層形貌。轴瓦金相组织分析结果表明，铜合金层发生了局部熔化和形变，导致组织中第二相部分外溢，铸态组织已不明显;碳钢层组织则发生了局部相变，在损伤严重位置出现了显微开裂和铜金属渗入现象。轴瓦硬度检验结果表明，内层出现了硬度升高，外层出现了硬度降低的情况。综上轴瓦材料检查结果，轴瓦烧毁是在高温和应力共同作用下的结果，与制造质量本身无关。

3.2 轴瓦运行工况调查分析

LHS应急柴油机在德国MTU厂家完成总装，运抵国内制造厂完成验收试验，至损坏前启动总次数约400次，累计运行时间约400小时。对比故障前一年内的历次试验记录，该台柴油机设备状态总体稳定，B9缸温度维持在健康水平，无恶化趋势。本次应急柴油机磨合试验过程中，润滑油进口温度为68℃，小于83℃报警值，满足设计要求。因此，可排除柴油机润滑油运行异常造成凸轮轴瓦烧毁的可能性。

3.3 轴瓦安装调查分析

本台柴油机抢修过程中，对B列12个轴瓦的进油孔安装偏差、轴颈尺寸和瓦座内径进行重点检查，除B9缸外11个轴瓦均未见异常。B9缸凸轮轴瓦座内径尺寸呈椭圆形，最小直径137.93mm位于1-2点钟方向，低于厂家设计标准0.07mm，见表1所示。根据厂家反馈，制造阶段不会对凸轮轴瓦安装后的内径进行检测要求。从34个轴瓦备件中选用了外径最小的轴瓦进行试装，安装后的轴瓦内径低于设计下限值0.03mm，与凸轮轴轴颈的运行间隙为0.085mm，低于设计要求。这表明原始装配后的B9缸凸轮轴瓦与瓦座的配合过盈会更大（超过0.20mm），会引起轴瓦的运行温度升高，降低承载性能。

3.4 轴瓦安装影响仿真分析

对轴瓦和瓦座的安装偏差情况开展仿真分析，仿真的几何模型见图4。瓦座三个面固定，一面对称约束，外端面和侧面自由，加载的环境温度为25℃，流道水温为20℃。轴瓦的温度边界加载施加为80°C。不同装配尺寸后变化情况的仿真结果见表2所示，轴瓦与瓦座装配过盈越大，瓦座内径外扩越大，轴瓦内径内缩越严重，会进一步缩小轴瓦与轴颈的运行间隙（0～0.085mm）。

应急柴油机凸轮轴设计使用了多轴承支撑轴系结构，载荷计算复杂。采用柴油机多体动力学计算软件，结合轴瓦内径定量仿真结果，从轴瓦的总载荷、最小油膜厚度、轴瓦热负荷等方面，进一步分析轴瓦安装偏差对其承载能力的影响。为加快分析计算，简化后的柴油机凸轮轴齿轮系几何模型见图5。根据LHS柴油机实际运行工况，仿真输入条件为：润滑油牌号15W40，进口油温68°C，供油压力9.69bar，柴油机转速1500rpm。多体动力学的凸轮轴瓦仿真结果见表3所示。表3中的数据表明，凸轮轴瓦安装间隙在设计范围内时，其承载能力均满足要求;当B9缸凸轮轴瓦间隙减小而其它轴瓦间隙不变时，各缸的轴瓦载荷会重新分配，B9缸凸轮轴瓦热负荷增加较快，导致轴瓦运行温度升高较大（即为稳定工况的2.23倍，即68℃*105/47=151℃），会远超出了润滑油报警温度，轴瓦内层承载区的润滑油局部氧化严重，沉积的氧化物会进一步减低摩擦热量的传导，进而降低轴瓦承载能力加速轴瓦损坏。

4  凸轮轴修复技术研究

根据上述分析，为解决凸轮轴轴瓦安装引起烧毁问题，确保轴瓦长期运行的可靠性，对凸轮轴轴瓦的修复技术进行了改进。德国MTU公司生产20V956TB33型柴油机为紧凑型柴油机，给现场拆卸、维修带来了不便。由于该型号柴油机首次在核电现场执行凸轮轴更换工作，各方的现场维修经验不足，一边抢修一边改进检修工艺，大大延长了预期的检修时间，修复工艺重点改进为：①在不拆除发电机侧的情况下，只能朝机头方向将凸轮轴抽出，受空间长度限制原抬轴工具无法使用，在原来的抬轴工具上进行改造，加工制作了分段式抬轴工具;②B9缸凸轮轴瓦座孔变形且配合间隙超过设计要求，采用自主研发的汽轮机通流间隙激光测量技术，该技术具有快速、准确等优点，应用于B列12个凸轮轴瓦座内径与对中度测量，见图6，保证了多支撑凸轮轴扩孔修理后的对中度，消除了由于间隙偏差过大引起的负荷分配不均造成的运行风险。

5  结束语

通过应急柴油机配气机构各部件的损伤形貌观察，锁定凸轮轴轴瓦烧毁是造成配气机构损坏的始发部件。经过轴瓦材料分析、运行工况核查、安装配合尺寸以及模拟验证计算等方面分析，确认导致凸轮轴瓦烧毁的根本原因为轴瓦存在原始制造安装缺陷，轴瓦与瓦座的安装配合间隙超出设计要求，引起轴瓦和轴颈间的运行间隙偏小，各轴瓦载荷分配不均，长期处于高温度下运行累积烧毁。使用内窥镜对厂内所有应急柴油机凸轮轴瓦座外表面进行扩检，同时检修文件中增加凸轮轴瓦安装后的内径检测要求。在此次检修过程中，结合现场实际情况，改进了凸轮轴抬轴工具和采用了高精度的激光测量技术，使用效果良好，为后同類型应急柴油机节省检修时间提供了重要的参考借鉴。

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