應(yīng)急柴油機空氣分配器端蓋脫離分析與處理

余 浩，文棟棟

（1.江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042；2.中國核電工程有限公司華東分公司，浙江海鹽 314303）

0 引言

空氣分配器是應(yīng)急柴油機（簡稱柴油機）啟動系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，作用是通過控制壓縮空氣的通斷進控制氣缸啟動閥的啟閉，繼而控制起動用壓縮空氣按照發(fā)火順序依次進入氣缸，最終推動活塞運動，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)并達到起動轉(zhuǎn)速。

運營既定柴油機型號18PA6B 型，V 型18 缸，額定功率6100 kW，額定轉(zhuǎn)速1000 r/min，直接空氣起動，選用分配盤式空氣分配器，沿分配器體外圓加工有與起動氣缸數(shù)相等的出氣孔，通過壓縮空氣管與相應(yīng)氣缸的起動空氣閥相連，分配器體前端面處對應(yīng)各出氣孔位置加工有軸向孔，分配盤安裝在轉(zhuǎn)軸上，由襯套支撐，通過聯(lián)軸節(jié)與凸輪軸相連。

1 故障現(xiàn)象

在柴油機調(diào)試期間首啟前起動吹車過程中，手動開啟啟動電磁閥繼電器，A 列各缸示功閥出口排氣正常，B 列5 個氣缸相繼排氣后發(fā)出“砰”的一聲巨響，操作人員立即手動關(guān)閉起動電磁閥繼電器，柴油機起動吹車被迫中斷。

檢查發(fā)現(xiàn)B 列空氣分配器端蓋及連接螺栓整體脫離，控制用壓縮空氣管系嚴重變形，分配器體端蓋連接螺栓內(nèi)螺紋孔螺紋脫離，端蓋連接螺栓未發(fā)現(xiàn)斷裂、變形等異常現(xiàn)象。

2 故障分析

2.1 原因分析

當分配器體、分配盤和端蓋的技術(shù)狀態(tài)與專利方不一致、螺栓選型不符合專利方配套的要求時，分配器體、分配盤、端蓋或螺栓可能在使用過程中發(fā)生損傷，造成空氣分配器端蓋在使用過程中脫離。

2.1.2 空氣管系堵塞或臟堵

當吹車前空氣分配器前壓縮空氣管系存在堵塞或臟堵等異常時，異物有可能進入空氣分配器后起動用壓縮空氣管系，或當空氣分配器后啟動用壓縮空氣管系存在堵塞或臟堵等異常時，可能造成端蓋與分配盤之間的氣室超壓，造成空氣分配器端蓋在使用過程中脫離。

2.1.3 裝配問題核查

當分配盤裝配質(zhì)量存在問題，如卡滯、移位等，可能造成端蓋與分配盤之間的氣室超壓，進而造成空氣分配器端蓋在使用過程中脫離。

當端蓋連接螺栓緊固力矩過大時，可能造成分配器體上端蓋連接螺栓內(nèi)螺紋孔內(nèi)螺紋拉傷，進而造成空氣分配器端蓋在使用過程中脫離。

2.1.4 零件質(zhì)量問題

當B 列各缸氣缸啟動閥動作不靈活或卡死時，可能造成端蓋與分配盤之間的氣室超壓，進而造成空氣分配器端蓋在使用過程中脫離。

中國對于環(huán)保要求日趨嚴格，特別是2016年開始實行的排放控制區(qū)要求以及清潔能源替代，顯著改善了排放控制區(qū)內(nèi)主要沿海、沿江港口的空氣質(zhì)量，中國推出的排放控制區(qū)等清潔環(huán)保政策取得顯著成效。

當分配器體的化學(xué)成分、硬度或金相組織不滿足標準時，如硬度偏低、組織中含有大量鐵素體相，性能下降、強度降低，分配器體端蓋連接螺栓內(nèi)螺紋孔內(nèi)螺紋可能發(fā)生斷裂、磨損，進而造成空氣分配器端蓋在使用過程中脫離。

2.2 故障樹

根據(jù)故障現(xiàn)象、柴油機工作原理和結(jié)構(gòu)，從技術(shù)狀態(tài)、操作、裝配和零部件質(zhì)量4 個方面逐項分析，建立圖1 所示故障樹。

圖1 故障樹

2.3 故障原因排查

2.3.1 技術(shù)狀態(tài)核查

核查專利方配套及圖紙，分配器體、分配盤和端蓋技術(shù)狀態(tài)與專利方一致，螺栓選型符合專利方配套的要求，因此可排除分配器體、分配盤和端蓋技術(shù)狀態(tài)不滿足設(shè)計要求的可能性。

2.3.2 空氣管系核查

查閱柴油機調(diào)試記錄，在吹車前，已按照要求對空氣分配器前的壓縮空氣管系進行了吹掃，吹掃結(jié)果滿足驗收要求，因此可排除空氣分配器前壓縮空氣管系堵塞、臟堵的可能性。

檢查空氣分配器后的啟動用壓縮空氣管系，未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，因此可排除空氣分配器后的啟動用壓縮空氣管系堵塞、臟堵的可能性。

2.3.3 裝配問題核查

檢查分配盤裝配質(zhì)量，未發(fā)現(xiàn)卡滯、移位等異常現(xiàn)象，因此可排除分配盤裝配質(zhì)量問題的可能性。

檢查控制用壓縮空氣和啟動用壓縮空氣管系，未發(fā)現(xiàn)安裝錯誤、管線變形、堵塞、臟堵等異常現(xiàn)象，因此可排除壓縮空氣管系問題的可能性。

查閱磨合試驗、出廠試驗等工廠試驗記錄，未發(fā)現(xiàn)分配器存在漏油、漏氣等異常情況的記錄，因此可排除端蓋連接螺栓松動的可能性，但查閱柴油機裝配記錄，未能找到端蓋連接螺栓緊固力矩記錄，故不能排除緊固力矩過大造成分配器體上端蓋連接螺栓內(nèi)螺紋孔內(nèi)螺紋拉傷的可能性。

2.3.4 零件質(zhì)量問題

檢查B 列各缸氣缸起動閥，未發(fā)現(xiàn)動作不靈活、卡死等異常現(xiàn)象，因此可排除B 列各缸氣缸起動閥問題的可能性。

檢查配器體端蓋和連接螺栓尺寸，確認分配器體端蓋尺寸滿足圖紙要求，連接螺栓長度滿足圖紙要求，因此可排除分配器體端蓋和連接螺栓尺寸問題的可能性。

解剖分配器體，檢查發(fā)現(xiàn)分配器體連接螺栓內(nèi)螺紋孔內(nèi)前6 扣螺紋脫落，測量端蓋尺寸及端蓋連接螺栓旋入長度，計算發(fā)現(xiàn)端蓋連接螺栓與分配器體連接的有效螺紋為6 扣，檢查結(jié)果表明分配器體與端蓋連接螺栓相配合的螺紋已全部損壞。對分配器體進行化學(xué)成分、硬度及金相檢查，結(jié)果顯示：分配器體硬度（HBW）為160，低于國標GB/T 9439—2010 灰鑄鐵件中硬度要求值（170HB）；分配器體基體為珠光體+30%鐵素體（圖2），基體組織含有大量鐵素體（圖3），低于國標標準GB/T 9439—2010 灰鑄鐵件中基體要求（珠光體）。

2.4 故障成因

（1）分配器體硬度及金相組織不符合國家標準GB/T 9439—2010 灰鑄鐵件的要求，硬度偏低，組織中含有大量鐵素體相，弱化了材料性能，強度降低，在外力作用下螺紋發(fā)生磨損、斷裂。

（2）可能存在端蓋連接螺栓緊固力矩過大問題：高壓空氣（最大壓力4 MPa（40 bar））流入分配器時對分配器體和端蓋的連接螺栓有著很大的沖擊力，分配器體螺紋孔基體機械性能不滿足國家標準GB/T 9439—2010 灰鑄鐵件的要求，柴油機在磨合試驗、出廠試驗等工廠試驗期間柴油機多次啟動可能使不合格分配器體內(nèi)螺紋孔的螺紋出現(xiàn)損傷，如果端蓋連接螺栓緊固力矩過大，將進一步加劇螺紋的損壞，最終導(dǎo)致分配器體螺紋脫落，端蓋連接失效，端蓋脫離。

圖2 分配器體基體

圖3 分配器體基體組織

3 處理措施

拆除空氣分配器，更換滿足專利方配套及圖紙和國家標準GB/T 9439—2010 灰鑄鐵件要求的空氣分配器，同時更換控制用壓縮空氣管系，按照裝配工藝要求回裝空氣分配器和控制用壓縮空氣管系，重新調(diào)整啟動空氣進氣相位，按照標準IEEE Std 387TM—1995（R2007）Diesel-Generator Units Applied as Standby Power Supplies for Nuclear Power Generating Stations 完成柴油機現(xiàn)場調(diào)試，檢查端蓋連接螺栓，未發(fā)現(xiàn)松動跡象，拆除端蓋連接螺栓，取下端蓋，檢查分配器體上的內(nèi)螺紋孔未發(fā)現(xiàn)螺紋損傷、脫離等異常現(xiàn)象，柴油機空氣分配器端蓋脫離故障排除。

4 結(jié)語

本次故障是一起典型的由設(shè)備制造缺陷導(dǎo)致的故障，根本原因為分配器體硬度及金相組織不符合標準GB/T 9439—2010灰鑄鐵件的要求，硬度偏低、組織中含有大量鐵素體相，促成原因為端蓋連接螺栓緊固力矩過大。

建議在柴油機制造和檢修過程中注意以下2 點：

（1）在后續(xù)空氣分配器體制造過程中，強化空氣分配器體坯件抽樣檢查，檢查項目包括化學(xué)成分分析、硬度及金相檢查，驗收標準為化學(xué)成分、硬度和金相滿足國家標準GB/T 9439—2010 灰鑄鐵件中相關(guān)要求。

（2）完善柴油機裝配工藝和維修要求，新增空氣分配器端蓋連接螺栓緊固力矩要求記錄并存檔。