核電廠應急柴油機配氣機構損壞原因分析及修復技術研究

車銀輝 白帆 祖帥 白宇星 初向南

摘要：某核電廠第五臺應急柴油機在執行變負荷磨合試驗時，其B9缸配氣機構發生嚴重損壞，造成應急柴油機不可用。通過配氣機構各故障件的損傷形貌觀察，推理演繹配氣機構損壞過程，鎖定燒毀的凸輪軸軸瓦為肇事部件。從制造質量、運行工況、安裝工藝等方面開展軸瓦燒毀原因分析，利用柴油機仿真軟件驗證制造安裝偏差造成軸瓦燒毀的影響，明確了造成配氣機構損壞的根本原因。針對損壞原因，介紹了該型號應急柴油機損壞的配氣機構首次現場處理過程中修復工藝改進實施情況，為同類型應急柴油機節省檢修時間提供了參考借鑒。

關鍵詞：應急柴油機;配氣機構;損壞;改進

中圖分類號：TM623.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0129-03

0? 引言

核電廠第5臺應急柴油發電機組（LHS）為附加后備柴油發電機組，其安全功能是替代不可用的核電廠應急發電機組LHP/LHQ，在10s內啟動并達到額定電壓和額定功率，向中壓應急交流配電盤LHA/LHB供電，以實現LHP/LHQ的糾正性和預防性維修，提高機組可用率。LHS應急柴油機為德國MTU公司生產20V956TB33型柴油機，這是一種直噴式四沖程柴油機，共有20個氣缸（A、B兩列各10個氣缸），成60°V形分布，額定功率為6000kW。

柴油機曲軸通過齒輪箱變速帶動凸輪軸轉動，當按照配氣定時配置好的凸輪旋轉過一定角度后，將與凸輪配合將滾子導套頂起，與下游的搖臂機構配合傳動打開相對應的進、排氣閥，實現氣缸做功或進氣沖程時的進排氣功能，以保證柴油機氣缸可以正常做功。配氣機構主要由氣閥組件、氣閥傳動組件及凸輪軸組件等三部分構成，見圖1所示。

本文介紹了核電廠應急柴油機配氣機構損壞原因分析過程，找出配氣機構損壞的根本原因，提出了防止配氣機構損壞重發的修復工藝措施，同時介紹了首次現場處理過程中檢修工藝改進實施情況，為同類型應急柴油機節省檢修時間提供了參考借鑒。

1? 事件背景

核電廠執行LHS應急柴油機的變負荷磨合試驗過程中，巡檢發現B9缸氣缸頭附近冒煙，進氣歧管表面油漆受熱發黃，立即緊急停運柴油機。解體檢查B9缸的配氣機構損傷情況：①活塞頂與進氣門存在磕碰痕跡;②搖臂機構的氣門間隙調整螺釘鎖緊螺母松動，進氣門桿彎曲，其內部油道存有大量金屬碎屑;③進、排氣挺桿彎曲;④進、排氣門的2個滾子導套卡死，破拆后導套外表面磨損嚴重，形成了冷焊現象;⑤凸輪軸軸瓦與軸頸抱死，破拆后軸瓦工作表面高溫發黑，且金屬熔化遷移。

2? 肇事部件確認

由于損壞的部件眾多，首先需要配氣機構損壞過程。經分析，造成配氣機構損壞有兩種過程：①氣閥間隙偏大由上往下傳遞熱量造成軸瓦損壞;②軸瓦燒毀由下往上引起傳動部件卡澀。氣閥間隙，即萬向節與氣閥桿之間預留一個間隙，通過緊固鎖緊螺母來調整，主要是防止氣閥桿受熱膨脹而伸長，導致氣閥關閉不嚴。此次柴油機變負荷磨合試驗前執行過氣閥間隙調整工作，為鎖定肇事部件開展的分析有：①根據配氣機構各部件損傷的宏、微觀形貌觀察結果，B9缸進、排氣滾子套筒卡死在行程高位是由于潤滑不良產生冷焊抱死導致的;②潤滑油除供B9缸的搖臂機構、挺桿、滾子導筒等部件潤滑外，還為B8缸的高壓油泵提供密封油。在B9/B8缸相關部件的內油道中均發現了金屬碎屑，經檢測均來自于B9缸凸輪軸瓦碎片;③采用AVL軟件經計算，見圖2，氣門間隙對凸輪軸瓦不會產生額外過大的損壞沖擊載荷。綜上，B9缸凸輪軸軸瓦首先損壞并產生大量金屬碎片，隨潤滑油進入B9/B8缸各部件內油道，引起潤滑油流量降低，滾子導套外表面潤滑不良冷焊抱死，氣門定時失常，活塞頂部撞擊進氣門，導致配氣機構其它部件承受很大的沖擊力，從而產生不同程度的損傷。

3? 凸輪軸軸瓦燒毀原因分析

為了確定凸輪軸軸瓦燒毀的原因，分別從軸瓦制造質量、軸瓦運行工況、軸瓦安裝、安裝影響仿真分析等方面開展了調查分析工作，為避免軸瓦燒毀提供理論指導與支持。

3.1 軸瓦制造質量分析

燒毀軸瓦由內外兩層金屬構成，其中內層金屬為鑄態Cu-Pb-Sn銅合金，外層金屬為碳鋼。軸瓦內層表面存在明顯的磨損痕跡，中部導油槽附近顏色發黑，有明顯氧化特征，局部油槽已被變形銅合金填充;外層表面可見磨損特征，磨損相對較為輕微，見圖3。對燒毀軸瓦內表面開展掃描電鏡和能譜分析，可見明顯的犁溝型環向磨損特征以及氧化層形貌。軸瓦金相組織分析結果表明，銅合金層發生了局部熔化和形變，導致組織中第二相部分外溢，鑄態組織已不明顯;碳鋼層組織則發生了局部相變，在損傷嚴重位置出現了顯微開裂和銅金屬滲入現象。軸瓦硬度檢驗結果表明，內層出現了硬度升高，外層出現了硬度降低的情況。綜上軸瓦材料檢查結果，軸瓦燒毀是在高溫和應力共同作用下的結果，與制造質量本身無關。

3.2 軸瓦運行工況調查分析

LHS應急柴油機在德國MTU廠家完成總裝，運抵國內制造廠完成驗收試驗，至損壞前啟動總次數約400次，累計運行時間約400小時。對比故障前一年內的歷次試驗記錄，該臺柴油機設備狀態總體穩定，B9缸溫度維持在健康水平，無惡化趨勢。本次應急柴油機磨合試驗過程中，潤滑油進口溫度為68℃，小于83℃報警值，滿足設計要求。因此，可排除柴油機潤滑油運行異常造成凸輪軸瓦燒毀的可能性。

3.3 軸瓦安裝調查分析

本臺柴油機搶修過程中，對B列12個軸瓦的進油孔安裝偏差、軸頸尺寸和瓦座內徑進行重點檢查，除B9缸外11個軸瓦均未見異常。B9缸凸輪軸瓦座內徑尺寸呈橢圓形，最小直徑137.93mm位于1-2點鐘方向，低于廠家設計標準0.07mm，見表1所示。根據廠家反饋，制造階段不會對凸輪軸瓦安裝后的內徑進行檢測要求。從34個軸瓦備件中選用了外徑最小的軸瓦進行試裝，安裝后的軸瓦內徑低于設計下限值0.03mm，與凸輪軸軸頸的運行間隙為0.085mm，低于設計要求。這表明原始裝配后的B9缸凸輪軸瓦與瓦座的配合過盈會更大（超過0.20mm），會引起軸瓦的運行溫度升高，降低承載性能。

3.4 軸瓦安裝影響仿真分析

對軸瓦和瓦座的安裝偏差情況開展仿真分析，仿真的幾何模型見圖4。瓦座三個面固定，一面對稱約束，外端面和側面自由，加載的環境溫度為25℃，流道水溫為20℃。軸瓦的溫度邊界加載施加為80°C。不同裝配尺寸后變化情況的仿真結果見表2所示，軸瓦與瓦座裝配過盈越大，瓦座內徑外擴越大，軸瓦內徑內縮越嚴重，會進一步縮小軸瓦與軸頸的運行間隙（0～0.085mm）。

應急柴油機凸輪軸設計使用了多軸承支撐軸系結構，載荷計算復雜。采用柴油機多體動力學計算軟件，結合軸瓦內徑定量仿真結果，從軸瓦的總載荷、最小油膜厚度、軸瓦熱負荷等方面，進一步分析軸瓦安裝偏差對其承載能力的影響。為加快分析計算，簡化后的柴油機凸輪軸齒輪系幾何模型見圖5。根據LHS柴油機實際運行工況，仿真輸入條件為：潤滑油牌號15W40，進口油溫68°C，供油壓力9.69bar，柴油機轉速1500rpm。多體動力學的凸輪軸瓦仿真結果見表3所示。表3中的數據表明，凸輪軸瓦安裝間隙在設計范圍內時，其承載能力均滿足要求;當B9缸凸輪軸瓦間隙減小而其它軸瓦間隙不變時，各缸的軸瓦載荷會重新分配，B9缸凸輪軸瓦熱負荷增加較快，導致軸瓦運行溫度升高較大（即為穩定工況的2.23倍，即68℃*105/47=151℃），會遠超出了潤滑油報警溫度，軸瓦內層承載區的潤滑油局部氧化嚴重，沉積的氧化物會進一步減低摩擦熱量的傳導，進而降低軸瓦承載能力加速軸瓦損壞。

4? 凸輪軸修復技術研究

根據上述分析，為解決凸輪軸軸瓦安裝引起燒毀問題，確保軸瓦長期運行的可靠性，對凸輪軸軸瓦的修復技術進行了改進。德國MTU公司生產20V956TB33型柴油機為緊湊型柴油機，給現場拆卸、維修帶來了不便。由于該型號柴油機首次在核電現場執行凸輪軸更換工作，各方的現場維修經驗不足，一邊搶修一邊改進檢修工藝，大大延長了預期的檢修時間，修復工藝重點改進為：①在不拆除發電機側的情況下，只能朝機頭方向將凸輪軸抽出，受空間長度限制原抬軸工具無法使用，在原來的抬軸工具上進行改造，加工制作了分段式抬軸工具;②B9缸凸輪軸瓦座孔變形且配合間隙超過設計要求，采用自主研發的汽輪機通流間隙激光測量技術，該技術具有快速、準確等優點，應用于B列12個凸輪軸瓦座內徑與對中度測量，見圖6，保證了多支撐凸輪軸擴孔修理后的對中度，消除了由于間隙偏差過大引起的負荷分配不均造成的運行風險。

5? 結束語

通過應急柴油機配氣機構各部件的損傷形貌觀察，鎖定凸輪軸軸瓦燒毀是造成配氣機構損壞的始發部件。經過軸瓦材料分析、運行工況核查、安裝配合尺寸以及模擬驗證計算等方面分析，確認導致凸輪軸瓦燒毀的根本原因為軸瓦存在原始制造安裝缺陷，軸瓦與瓦座的安裝配合間隙超出設計要求，引起軸瓦和軸頸間的運行間隙偏小，各軸瓦載荷分配不均，長期處于高溫度下運行累積燒毀。使用內窺鏡對廠內所有應急柴油機凸輪軸瓦座外表面進行擴檢，同時檢修文件中增加凸輪軸瓦安裝后的內徑檢測要求。在此次檢修過程中，結合現場實際情況，改進了凸輪軸抬軸工具和采用了高精度的激光測量技術，使用效果良好，為后同類型應急柴油機節省檢修時間提供了重要的參考借鑒。

參考文獻：

[1]符興勝.某型柴油機挺柱改進及配氣機構優化仿真[J].柴油機設計與制造，2013（3）：23-28.

[2]王小勛，鄧少鵬.V型柴油機凸輪軸軸承孔鏜孔研究[J].廣東造船，2020（1）：78-83.

[3]高志清，楊宇，屠攀，等.基于激光干涉原理的AP1000汽輪機通流間隙控制研究[J].汽輪機技術，2015（6）：41-43.

[4]冀潤景.汽機通流間隙控制技術在全實缸下的應用分析[J]. 熱力透平，2015（1）：20-23.