應急柴油機預潤滑油泵壓力低故障分析與處理

姜燕成

(中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 221116)

0 概述

6.0 kV應急柴油發電機組是核電廠在事故時的應急電源。每臺壓水堆核電機組設置2套應急柴油發電機組，用于在事故工況下為專設的安全設施和系統供電。

某核電廠3，4號壓水堆核電機組各設置2套6.0 kV應急柴油發電機組，共計4臺柴油機，均采用德國MTU公司生產的型號為20V956TB33的四沖程、高速、大功率柴油機。應急柴油機主要輔助系統包括進/排氣系統、啟動空氣系統、潤滑油系統、燃油系統、冷卻水系統等。

1 故障描述

該核電廠3，4號機組自商運后，應急柴油機多次執行柴油發電機組低負荷試驗。試驗結束，柴油機停運，預潤滑油泵153PO啟動后，多次發生預潤滑回路油壓低報警，主控觸發柴油發電機機械故障報警，導致柴油機不可用，機組產生第1組IO。現場在PLC上檢查柴油機預潤滑油泵出口壓力傳感器150MP，顯示只有0.1—0.2 bar (1 bar=0.1 MPa，低于 0.5 bar報警)，且該壓力值無上升趨勢；而正常情況下，此時的壓力應該在0.8 bar左右。

3，4號機組應急柴油機預潤滑油泵壓力低缺陷頻發，嚴重影響了機組應急柴油機的可靠性，也對機組反應堆的安全穩定運行產生不良影響，亟需找到造成該缺陷的原因，并制定相應的糾正措施。

2 柴油機潤滑油系統介紹

當柴油機熱備用時，預潤滑油泵從油底殼中抽出潤滑油，其中一部分潤滑油通過一個過濾器送至調速器的執行機構，另一部分潤滑油進入柴油機潤滑油循環系統。柴油機啟動后(轉速達到350 r/min)，預潤滑油泵停運，改由柴油機自身的機帶泵供油。當柴油機停運時(轉速降至90 r/min)，預潤滑油泵自動啟動，向柴油機本體內部供潤滑油。預潤滑油泵入口及出口管道均設置有一道止回閥，防止在柴油機正常運行(此時預潤滑油泵停運)時，機帶泵產生的高壓將預潤滑油泵進出口管道內的潤滑油反壓回油底殼。預潤滑回路如圖1所示。

預潤滑回路壓力傳感器150MP位于柴油機本體預潤滑回路上，由于存在管阻損失，正常顯示的壓力為0.5—1.5 bar(根據潤滑油溫度變化)；若壓力低于0.5 bar，則會產生壓力低報警。

該核電廠3，4號機組應急柴油機配備的預潤滑油泵是由德國RICKMEIER公司生產的R35型齒輪泵，額定轉速1 500 r/min，最大出口壓力7.5 bar，額定流量72 L/min，泵體泄壓閥開啟壓力5.5 bar。現場安裝形式如圖2所示。

圖1 預潤滑油回路示意

圖2 預潤滑油泵安裝形式

3 故障原因分析和確認

(1) 在排除了一些系統方面的原因后，將故障點定位到泵體上安裝的泄壓閥上。若預潤滑油泵出口泄壓閥密封不嚴或回座不好，當預潤滑油泵啟動后，泵出口的潤滑油通過泵體泄壓閥回流至泵入口，只有少量的潤滑油進入柴油機本體，導致壓力傳感器150MP顯示壓力低。泵體泄壓閥的結構如圖3所示。

(2) 對發生缺陷的泵進行解體檢查，檢查齒輪情況良好，無明顯的磨損現象。泄壓閥閥芯及閥座密封面良好，彈簧彈性無明顯變化；若閥門正常回座后，不會出現內漏的情況。

(3) 在將閥芯導向桿從導向套 (見圖3)中取出的過程中，發現有明顯的卡澀現象，閥芯導向桿很難從導向套中拔出；且將彈簧壓縮后，閥芯導向桿很難恢復到正常位置。檢查發現，閥芯導向桿表面有明顯的磨痕(見圖4左)。解體另一臺同樣運行了1個循環周期但未發生過壓力低缺陷的泵，也在閥芯導向桿同樣的位置發現了磨痕(見圖4右)；但磨損程度較輕，彈簧壓下后，閥芯導向桿能回到正常位置。檢查新備件的情況，閥芯導向桿上并無磨痕存在(圖5)，且閥芯導向桿與導向套之間動作靈活，無卡澀現象。

圖3 泵體泄壓閥結構

圖4 閥芯導向桿磨損情況對比

圖5 新閥芯

(4) 通過觀察安裝在泵本體上的出口壓力表可知，在柴油機試驗結束停運瞬間，預潤滑油泵出口的壓力最高達到8.5 bar，超過了泄壓閥的開啟壓力(5.5 bar)。所以當每次執行柴油機試驗后，已開啟的泄壓閥由于閥芯導向桿磨損卡澀而不能正常回座，導致油泵出口的大部分潤滑油通過泄壓閥回流至泵入口，只有少量的潤滑油進入了柴油機本體，造成了預潤滑油泵出口壓力低故障。

(5) 根據試驗現象可以判斷，在每次柴油機低負荷運行試驗過程中，預潤滑油泵泄壓閥都會動作。為確認導致閥芯導向桿磨損的根本原因，模擬柴油機預潤滑油泵的現場實際布置，制作了試驗裝置，如圖6所示。

圖6 預潤滑油泵試驗裝置

將該核電廠大修期間柴油機檢修時更換下來的舊潤滑油作為傳輸介質，啟泵后多次手動關閉出口止回閥160VH，人為迫使泵出口超壓泄壓閥動作。試驗結束后檢查泄壓閥閥芯導向桿，未發現磨損的痕跡(見圖7)。泄壓閥頻繁動作導致磨損的可能性被排除。

圖7 模擬試驗前后閥芯導向桿對比

(6) 在將閥芯導向桿從導向套中拔出檢查過程中，發現導向桿表面附著有少量磨損產生的金屬屑，卡在導向桿和導向套之間，造成閥芯卡澀，閥門動作后無法正常回座。

(7) 根據導向桿上2個磨損點的位置，結合閥芯的結構形式(見圖8)。查詢相關文獻資料，分析了導致磨損的根本原因。

由于導向桿和導向套之間的間隙很小(約0.1 mm)，受彈簧力影響，2個部件之間有2個位置始終緊密接觸，且預潤滑油泵常年運轉，受振動影響，接觸面上會發生微動磨損。

微動是指機械零部件中緊密配合的接觸表面在機械振動等交變載荷作用下產生微米量級振幅的微小相對運動。微動磨損是指承受局部接觸載荷或固定作用力的接觸副因外界振動引起的微小相對移動而使接觸表面產生的磨損。磨損產生的金屬屑仍附著在導向桿表面，卡在導向桿與導向套之間，無法排出。在柴油機停運的瞬間，泵出口壓力高于泄壓閥開啟壓力，泄壓閥動作后，由于導向桿卡澀，且此時泵出口壓力較大，抵消了部分彈簧力，導致閥芯無法正常回座，一直卡在一個小開度狀態。大部分的潤滑油通過泄壓閥回流至泵入口，致使柴油機停運后出現預潤滑油泵壓力低缺陷。

圖8 閥芯結構

4 處理方案

經過分析、試驗并與柴油機廠家反復溝通，制定了如下處理方案。由于泄壓閥閥芯上的插接結構始終存在磨損卡澀的風險，結合閥芯密封面結構為錐形、自帶導向作用，并參考其他廠家的齒輪泵結構，提出了閥芯的改進方案——取消閥芯上的插接結構，將彈簧直接套在導向桿與導向套上，如圖9所示。

圖9 改進后的閥芯結構

將改進后的閥芯安裝到試驗臺架上進行試驗，啟泵后多次手動關閉預潤滑油泵出口止回閥，迫使泄壓閥多次動作，運行均正常。該改進方案也得到柴油機廠家的認可。2017年6月，該核電廠大修時，在每次均發生油壓低缺陷的3LHQ153PO泵上安裝了改進型的閥芯，經過了柴油機大修后再鑒定的多次空載啟動運行、4 h滿負荷運行試驗及低負荷運行試驗，預潤滑油泵均工作正常。隨后，由柴油機廠家提供備件并在各核電廠進行推廣。

5 結束語

自2016年8月首次發生預潤滑油泵油壓低缺陷，歷時2年時間，維修人員通過對柴油機潤滑油系統及預潤滑油泵的結構進行不斷分析、試驗，最終確認了故障原因，制定了處理方案，并在實際中成功應用，確保了該核電廠3，4號機組應急柴油機的可靠性。該改進方案為后續其他核電機組應急柴油機的設計、改進及維修提供了經驗。