柴油機燃油輸送泵葉片磨損與彎曲的故障分析及處理

□鐘俊良 邵家泉 董玉領 傅仁浦 李開盈 王亞芳

一、概述

在核電廠中，柴油機是廠內應急交流電源系統的重要組成部分，分別為帶應急廠用設備的6kV交流應急配電系統LHA/LHB配電盤供電，在廠外主電源和廠外備用電源均失去的情況下，兩個機組的每臺柴油發電機組都有能力滿足應急廠用設備用電要求，確保反應堆安全停堆并防止由于正常的外部電源系統失電而導致重要設備的損壞。在正常工作時，燃油的工作流程大致為：主油箱(1)—燃油輸送泵(2)—日用油箱(3)—機帶燃油泵(4)—氣缸(5)。其中燃油輸送泵的作用為將燃油從主油箱輸送到日用油箱，從而給柴油機提供正常運轉所需的燃油。

圖1 應急柴油機燃油系統工作流程圖

從設計圖(圖2)中可以看出，該泵的工作原理為電機通過聯軸器(42)與燃油輸送泵的泵軸(6)相連，并通過滑動軸承(21)與深溝球軸承(9)進行旋轉，帶動葉輪(7)旋轉，而從主油箱輸出的燃油按順序從入口進入，經過腔室(2)和前端蓋(5)、葉輪(7)、后端蓋(4)與腔室(3)最終離開燃油輸送泵進入管道。在燃油輸送泵中和葉輪臨近的部件為前端蓋、后端蓋、密封墊片(12)。

圖2 燃油輸送泵設計圖

燃油輸送泵在柴油機系統中為一用一備，且在正常狀態下只在柴油機運轉時才投入使用，葉輪即使出現葉片磨損、彎曲等缺陷，絕大多數情況下也只會使燃油輸送速度有一定幅度地降低，并不會使燃油完全停止供應，所以在進行帶負荷試驗等工作時并不一定能及時發現該缺陷。

圖3 在現場布置的燃油輸送泵

二、葉輪故障情況介紹

在電廠大修期間，燃油泵的解體檢修PM正常觸發，檢修時發現葉輪出現了葉片彎曲缺陷(如圖4、圖5所示)。

圖4 發生缺陷的葉輪正面圖5 發生缺陷的葉輪背面

圖6 正常葉輪的正面圖7 正常葉輪的背面

在拆除舊葉輪后，將其與新葉輪表面情況進行對比，可以看出原燃油輸送泵內的葉輪磨損情況已比較嚴重，泵內的葉輪有部分葉片有發生彎曲(彎曲方向與轉速方向一致)，且葉輪所有葉片兩側均有磨損，7個葉片前后中段出現凹坑。其中葉輪葉片的前端受到的磨損較小，僅有輕微的磨擦痕跡；后端尤其是葉片中部受到的磨損較為嚴重。

三、葉輪缺陷原因的分析及后續處理

通過對該葉輪葉片與正常葉輪葉片測量對比，可以發現缺陷葉輪彎曲較為嚴重的葉片斜角變小，即葉片后端受到較大的磨擦而導致葉片彎曲，可以認為該燃油輸送泵主要是與后端蓋發生磨擦，即發生葉輪葉片彎曲的直接原因是葉輪后端與后端蓋的間隙不足，導致燃油輸送泵在運行時與后端蓋發生磨擦，同時結合現場葉輪前后均受到磨損的情況，可以認為導致葉輪與端蓋發生碰撞的促成原因可能是泵在運行時發生了較大的竄動，導致其竄動量超過設計標準。

由于泵在裝配時需要考慮到加工工藝限制、部件受熱膨脹等情況，各部件之間的間隙并不能完全消除，而燃油輸送泵在運行時葉輪前后的燃油速度并不相等，從而導致葉輪前后產生壓差，泵軸就會在間隙范圍內進行一定范圍內地竄動，通常這個竄動量是非常小的，且可以通過一定的措施來降低竄動帶來的影響，故只要對泵的尺寸鏈進行合理設計，就可以將其影響降至最小，所以在大部分情況下這種竄動都是可以接受的，但是如果尺寸鏈設計不合理或現場運行時泵的內部發生微小改變，使得竄動量大于葉輪與臨近的部件的間隙，就會導致葉輪的前后端與對應的端蓋發生磨擦，從而導致葉片出現磨損、彎曲等情況，影響泵的正常運行。

在得出了直接原因后，通過四個方面對該泵的葉輪進行根本原因分析。

(一)備件方面。葉輪庫存核實新備件的葉片角度一致，無彎曲情況；前后泵蓋間的密封墊片與庫存一致且沒有其他對葉輪間隙進行調整的型號的墊片，測量墊片厚度為0.15mm，該墊片厚度也是調整葉輪與前后泵蓋間隙的關鍵參數之一。

(二)歷史檢修記錄方面。該燃油輸送泵在回裝時會先進行手動盤車測試是否有卡澀等情況來判斷端蓋與葉輪之間的間隙是否合適，而通過查詢2015/9/26對該泵進行解體檢修的歷史工單可以得知在前一次維修時該泵并無卡澀或葉輪損壞的現象，領料記錄顯示密封墊片也是原廠備件，領用數量為1個。在本次故障發生后，維修人員安裝了新葉輪，但在葉輪安裝完成后使用原廠密封墊片時手動盤車發現葉輪與泵殼出現卡澀，工作負責人通過更換其他規格的墊片逐步增加墊片厚度，最終增加到0.4mm時不再有卡澀現象。

(三)檢修方法方面。查詢檢修規程，規程中無葉輪位置定位方法的步驟，也無葉輪與前后泵蓋間隙的標準；查詢泵廠家提供的技術資料，上述相關參數的調整也無任何說明；咨詢柴油機廠家售后，泵廠未給出相關標準，國內其它電廠的通型泵的間隙值確定方法均為在泵裝配后進行盤車，通過調整密封墊片12厚度，當葉輪不再與泵殼有碰磨即可。該泵按照此方法進行盤車，最終確認的密封墊片的厚度為0.4mm。

(四)外部經驗反饋。通過廠家中國區售后獲知，其它電廠的該型泵也多次出現了類似故障，即葉輪出現的故障為該型號葉片式泵的共性問題。

在對這4點原因調查完畢后，對該柴油機的生產廠家提供的圖紙進行查詢并確定裝配尺寸鏈以確定該泵是否有設計缺陷從而導致葉輪出現竄動從而使葉輪出現磨損等情況。

圖8 葉輪配合位置局部示意圖

裝配尺寸鏈的涉及的相關數據：

h1+h2+δ=A1+A2+B+L

L：泵安裝后的總軸竄量；

B：葉輪寬度(本葉輪的葉片和輪轂同寬)；

h1：前泵蓋深度(墊片12安裝面與安放葉輪葉片及前輪轂位置的高度差)；

h2：后泵蓋深度(墊片12安裝面與安放葉輪葉片及后輪轂位置的高度差)；

δ：泵蓋調整的密封墊片厚度；

A1：前泵蓋與葉輪輪轂的間隙標準；

A2：后泵蓋與葉輪輪轂的間隙標準。

從裝配尺寸鏈公式中可知，要確認最終密封的厚度，首先需要明確葉輪與前后泵蓋的間隙值標準A1和A2。這兩個間隙值是十分關鍵的，間隙過大會導致泵的性能嚴重下降，間隙過小就會導致葉輪與泵殼碰磨。

在該泵正常運行時，尺寸鏈左右兩側的數值應該相等，此時即使葉輪在運行時前后竄動，與前后端蓋之間也會留有一定的間隙從而避免發生磨擦。然而從發生缺陷的葉輪狀況可以看出，該泵葉輪的裝配尺寸鏈公式左側值小于右側，導致葉輪前后均有磨損，而經過對備件的查詢，可以發現目前燃油輸送泵的密封墊片厚度δ=0.15mm，而根據葉輪裝配手冊，對于半開式葉輪和開式葉輪，該值一般為0.25～0.75mm，考慮到該泵較小，把范圍縮減為0.25～0.5mm。

從圖2中可以看到，通過調整密封墊片，可以使葉輪的前端蓋向左移動，從而調整前后端蓋之間的間距，但由于葉輪是固定在軸上的，所以該方法并不能調整葉輪和后端蓋之間的間隙。查詢該燃油輸送泵的解體檢修規程，在泵體回裝時只手動盤動轉動部件，若卡澀再調整密封墊片的步驟，而該燃油輸送泵的工作轉速為1,400r/min，由于在手動盤車時葉輪并不會進行竄動，高速轉動下產生的泵軸竄動很可能會導致葉輪與前后端蓋之間間隙減小，若只以手動盤動時的燃油輸送泵轉動情況調整密封墊片，在軸承工作時就有可能導致葉輪葉片與端蓋產生磨擦。而通過之前的調查可以發現，對于葉輪與后端蓋之間的間隙，既沒有步驟進行調整，廠家也沒有給出有效的調整方式。

圖9 新增墊片位置

通過對缺陷的分析，可以得出兩個葉輪葉片發生彎曲與磨損的原因，即既沒有葉輪與前端蓋確切的間隙標準，也沒有葉輪與后端蓋的調整方式，針對這兩種原因，應采取的措施有：一是在葉輪與后端蓋的軸套(8)之間新增墊片，調整葉輪葉片與后端蓋之間的間隙，使泵軸在竄動時不會與后端蓋發生磨擦；二是將葉輪葉片與前后端蓋的間隙范圍確定，并寫入燃油輸送泵的解體檢修規程中，避免現場工作人員在根據現場經驗調整密封時出現預留間隙不夠以及尺寸鏈不合等情況。

四、結語

該類燃油輸送泵葉片磨損及彎曲的主要原因是由于該泵沒有對尺寸鏈做出明確要求，維修部門亦未在維修規程中明確泵裝配過程中的間隙參數，最終導致燃油輸送泵在運行過程中發生缺陷。

尺寸鏈在泵的裝配及運行過程中有著極為重要的作用，但是目前在電廠的實際應用中還未完全使用，很多時候還是憑借維修人員(包括外單位售后人員)的經驗來確保檢修質量，當檢修人員經驗不足時就容易出現設備檢修后出現異常的情況。而通過完善規程、明確標準的方式可以減小人員因素的干擾，更能保證檢修質量的穩定性。