核电厂应急柴油机配气机构损坏原因及修复技术分析

康勇，高山，康毅，刘超，高敏，赵梦莹

（山西柴油机工业有限责任公司，山西 大同 037036）

国内在核电生产方面，使用的应急柴油机仍然处于国产化早期，需要加强其质量控制研究，逐步缩短国家在核电设备研制方面与发达国家的差距，以推动国家核文化的健康发展。而配气机构为柴油机的重要组成部分之一，运行状态将决定了发动机能否可靠工作，因此在发生损坏时需要查找故障根源，合理应用修复工艺杜绝类似情况反复发生，从而提高核电厂设备管理水平。

1 核电厂应急柴油机质量管理要求

现阶段，国内核电厂选用的应急柴油发电机多为进口或与外方合资产品，参照EJ/T625《核电厂备用电源用柴油发电机组准则》等规范进行设计、制造和维护管理。不同于普通柴油机，核电柴油机应结合运行环境特殊性和重要性加强质量管理，如需达到核电工况下连续工350h不停机、热辐射、设备与船同寿命等多种要求，在满足核级要求的同时应满足GJB9001C等质保要求，从设计质量控制、总装质量控制、核安全资格审查等方面提出相应管理要求，建立完整的核质量体系，推动核安全文化建设。在服役期间，应急柴油发电机应具备备用电源和冗余设备工作能力，在基准事件发生前后达到EJ/T625规范的运行小时数、循环次数等要求。因此针对柴油机运行的辅助机构和各系统，要求加强冗余设计，如起动系统同时配备电启动和空气启动装置，冷却系统需要外带水泵，控制系统采用主备用设计。而在柴油机各机构发生损坏时，则要求从研制、安装、运行等多方面展开分析，确定机构损坏原因，采取有效修复工艺，杜绝类似问题再次发生，从而增强应急柴油机的可靠性。

2 核电厂应急柴油机配气机构损坏分析

2．1 故障现象

某核电厂使用的应急柴油发电机属于后备机组，要求在替代不可用发电机组时达到10s内达到6000kW额定功率运行要求。选用的设备为德国MTU生产的20V956TB33型号柴油机，拥有成60°V形分布的20个气缸，属于直喷、四冲程设备。但实际在设备变负荷试运行期间，发现A6缸出现冒烟情况，初步检查确认进气管位置发黄，立即对设备进行停机检查，发现设备进、排气门位置多处零部件发生损伤。进一步拆解检查，确认近摇臂的进气门杆弯曲变形，油道存在碎屑，气门间隙的锁紧螺母等配件松动。与此同时，进、排气门的挺杆变形，滚子导套卡死，磨损严重。此外，凸轮轴瓦抱死，表面发黑，出现金属熔化现象。

2．2 故障排查

2．2．1 损坏因素

在故障排查阶段，首先应确定各零部件损坏可能与哪些因素相关。从结构上来看，配气机构主要包含气阀组件、传动组件和凸轮轴组件。其中，气阀组件由气门、弹簧、万向节构成等构成，能够固定在气缸盖的位置。传动组件由摇臂机构、挺杆等构成，可以将曲轴输出动力通过各组件传递给气阀，实现气门开闭。凸轮轴组件包含滚子导套、轴瓦安装轴径等部分。在配气机构运行的过程中，曲轴能够通过齿轮箱带动凸轮轴转动，在转过一定角度后通过凸轮将滚子导套定期。通过与摇臂机构配合，可以将气阀打开，实现进排气功能。考虑到零部件较多，需要对可能造成机构损坏的因素展开分析。

一方面，气阀盘作为燃烧室一部分，需要承受高温高压燃气作用，导致密封面容易受到磨损。而气阀的开闭期间，将与阀座产生撞击，久而久之可能出现变形问题。气阀一旦出现粘着问题，将导致气阀杆在套管中咬死，引发活塞撞击、阀杆顶弯、摇臂断裂等危害。而在万向节和气阀杆件连接部位，存在螺母能够对二者间的间隙进行调整，以达到锁紧效果，以免杆件因受热出现伸长问题，给气阀关闭带来困难。而气阀间隙超标，在热量传递期间可能引发轴瓦烧毁，继而导致传动组件卡涩。

另一方面，凸轮轴通过传动组件对气阀开闭进行控制，是重要的传动轴。而在凸轮轴运行期间，将承受气阀冲击，表面产生较大接触应力，要求避免耐磨性、抗冲击能力等较强。日常缺乏保养，造成凸轮轴轴径和轴承间隙过大或缺少润滑油，将出现无法上行至摇臂支座的情况。研制上存在缺陷，轴承油槽深度不足或各构件松脱漏油，将引发摇臂衬套烧损问题。而凸轮轴质量符合要求，也可能因日常使用润滑油质量较差或气门弹簧弹力过大引发零部件咬死问题，导致凸轮轴出现擦伤甚至变形情况，给齿轮啮合间隙的传动效果带来影响，造成配气定时有所改变。修理不规范，导致轴承与缸体座孔过盈量过小，轴承容易发生滚动情况，导致油孔与油道错位，引发缺油问题。此外，凸轮磨损严重，影响截面空气流通和配气定时，也将引发机构故障。

2．2．2 排查方法

在故障排查时，需要遵循“由表到里”的原则，将气缸盖等外部构件拆下后，对各缸组件进行检查，确认连接情况。通过手动盘车，确定各气门开闭情况，并做好气门间隙检查，确认是否达到标准要求。将摇臂拆下，检查轴、座等各部分是否损伤，并对气门推杆进行检查对比，确认是否存在变形等问题。对凸轮轴进行检查，使用扎带将连着的各缸挺杆向上绑紧，将前端止推片拆下，进行边旋转边抽拉，确认是否与挺杆脱离和表面受损情况。考虑到实际受损部件较多，需要通过进一步分析确定最初损坏部件。为此，需要对各部件进行形貌观察，确定部件损伤程度。对A6缸滚子导套卡死原因展开分析，发现与润滑不良引发的冷焊抱死问题有关。按照配气机构设计，润滑油除了为挺杆、导套等部分润滑，同时需要为A5缸提供密封油。对油道进行检查，发现来自于A6缸凸轮轴瓦掉落的金属碎屑。而气门间隙不符合规定，不会给轴瓦带来过大损伤。由此可见，最先损坏的部件为轴瓦，掉落碎片进入油道引发了润滑油流动性变差问题，导致导套卡死和气门粘滞，活塞撞入气门，给其他零部件带来了损伤。

2．3 原因确认

确定轴瓦最先损坏后，需要进一步确认其损坏原因。为满足核电站柴油机质量管理要求，从轴瓦研制、安装、运行工况等多个角度展开分析。

（1）对零部件研制质量进行分析，可知轴瓦由内层铸态金属和外层碳钢构成。拆解后发现，内层发生磨损，导油槽周围氧化、发黑，部分被铜合金填充。外层磨损较少，通过扫描电镜进行检查，发现磨损呈现环向犁沟状，存在氧化层。通过金相组织分析，可知内层的铜合金存在熔化变形情况，引发第二相外溢。对外层展开分析，发现碳钢层组织出现相变情况，受损位置渗入铜金属。通过检查结构硬度，发现内层硬度有所提升，外层有所下降，因此判断轴瓦设计和制造质量符合要求，烧损与同时承受高温和应力作用有关。

（2）对轴瓦安装情况展开分析，对A列各缸凸轮轴进行检查，确认进油孔、轴径等各部分尺寸是否符合要求。通过逐一检查后，发现A6轴瓦安装间隙超标，其他均正常。从轴瓦结构上来看，其基座为椭圆形，设计的内径为138.000mm，外径为138.135mm，偏差均在0～0.025mm范围内。在轴瓦装配过程中，安装后内径达到130.035mm，偏差在0～0.055mm之间，轴径达到130.000mm，偏差在-0.125～-0.085mm范围。但从A6缸轴瓦检查结果来看，瓦座直径达到137.93mm，比标准值要小。对备件库中轴瓦进行检查，选择外径最小轴瓦安装，发现内径仍然未能达到标准要求，与轴径间的间隙达到了0.085mm，意味着装配后与瓦座配合将出现过盈问题。而随着瓦座内容外扩，内缩日渐严重，运行间隙逐渐减小，导致结构承载力不足。

（3）对零部件运行情况进行调查，确认在柴油机完成装配后运输到国内进行验收测试，自投入使用以来经历了300多次启动，运行时间总计不超380h。根据数据记录，可知在此次故障发生前柴油机运行状态稳定，A9缸并未出现异常报警。此次对设备进行磨合试验，润滑油进口温度未能达到规定值，继而发出报警。根据平时运行工况和设备保养记录等各方面数据可知，日常落实了润滑工作，因此轴瓦损伤与工况无关。

综上所述，可知轴瓦率先发生损伤，与安装间隙不符合设计标准有关。为确定故障原因，采用动力学软件进行仿真分析，对轴瓦内径进行定量分析，确定偏差存在给结构总载荷、热负荷等各方面带来的影响。结合正常工况条件，设定配气机构供油压力达到9.69Bar，柴油机以1500rpm的速度运行，进口油温设定为试验时的温度。在试验过程中，使轴瓦间隙分别达到0.08、0.05、0.03、0.01mm，能够得到A6缸热负荷分别为47、44、68和105N/mm·s。由此可见，随着间隙的减少，轴瓦运行温度经历先减小后增大趋势，最后远超85℃的报警温度。而热负荷过大，将导致轴瓦内层加速氧化，产生沉积物给结构传热带来阻碍，最终导致轴瓦烧损。

3 核电厂应急柴油机配气机构修复技术

3．1 修复措施

对凸轮轴瓦进行修复，可知由于设备内部结构空间较为紧凑，给拆卸、检修等作业开展带来了较多困难。在检修经验不足的情况下，现场开展作业将耗费较长时间。为提高设备修复效率，决定在不对发电机侧进行拆卸的基础上将凸轮轴抽出，然后进行凸轮轴修复。具体来讲，就是在机头方向将轴抬起、抽出，为此需要结合作业空间大小完成专用工具的制作。该工具由多个节段构成，现场可以灵活组装，配合人员顺利将凸轮轴抬起。将凸轮轴拆下后，针对轴瓦座孔配合间隙超标准的问题，在使用激光测量技术完成间隙高精度测量后，对轴瓦座内径和对中度进行测量，选用适合的轴瓦备件安装，做好相关尺寸测量。在安装过程中，为避免间隙偏差过大引发受力不均问题，需要指导和监督检修技术人员规范作业，做到准确测量各部件结构尺寸，最终成功消除故障。为杜绝类似问题再次发生，主动与柴油机厂家沟通，确认凸轮轴在制造阶段不会在安装后进行内径检测。通过将相关问题反馈厂家，督促厂家进行工艺流程改进，能够有效提高柴油机配气机构装配质量，降低柴油机运行风险。

3．2 使用管理

从加强核电厂应急柴油机研制质量、安装质量等各方面质量工作角度进行考量，在引进进口设备进行生产管理的过程中，还应重视设备使用管理问题，通过反复研究提出有效质量控制措施，保证柴油机能够可靠运行。针对配气机构，在使用过程中应加强对各零部件的检修、保养，并结合实际使用情况进行适当改进和调整，确保机构始终处于良好运行状态。首先，针对气阀组件，还应做好冷态间隙、配气定时等参数检查。确保间隙适中，不会因过小引发气阀密闭不严的问题，也不会因为过大造成气阀粘滞，引发燃烧工况恶化情况。对配气定时进行调整，应结合定时齿轮、挺杆等结果磨损情况进行确认。在日常完成检修后，应利用百分表加强测量，保证定时准确。其次，针对凸轮轴等容易受损的零部件，应定期进行检查和修理，确保可以恢复到正常状态。如对摇臂圆弧面进行修正，并及时进行挺杆盘面凹坑和凸轮曲面修正等。此外，日常应做好各种间隙和接触位置的润滑，减少磨损的发生。定期对各部件润滑情况进行检查，及时更换或添加润滑油，保证油路畅通，油液充足，并使压力润滑部位保持良好密封状态。

4 结语

对应急柴油机配气机构损坏现象展开分析，可知故障发生可能与设备研制质量、安装质量等各方面因素有关。而核电厂在柴油机使用方面提出了较高质量管理要求，因此应通过逐一排查导致设备受损因素确定故障发生的根本原因。根据分析结果来看，凸轮轴瓦在安装期间出现了偏差过大问题，在修复过程中应对原本安装工艺进行改造，并引进有效测量技术，日常则应加强设备使用管理，达到降低柴油机运行风险的目标。