應(yīng)急柴油機(jī)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(guó)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(jī)（簡(jiǎn)稱柴油機(jī)）啟動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，作用是通過(guò)控制壓縮空氣的通斷進(jìn)控制氣缸啟動(dòng)閥的啟閉，繼而控制起動(dòng)用壓縮空氣按照發(fā)火順序依次進(jìn)入氣缸，最終推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)并達(dá)到起動(dòng)轉(zhuǎn)速。

運(yùn)營(yíng)既定柴油機(jī)型號(hào)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(dòng)，選用分配盤(pán)式空氣分配器，沿分配器體外圓加工有與起動(dòng)氣缸數(shù)相等的出氣孔，通過(guò)壓縮空氣管與相應(yīng)氣缸的起動(dòng)空氣閥相連，分配器體前端面處對(duì)應(yīng)各出氣孔位置加工有軸向孔，分配盤(pán)安裝在轉(zhuǎn)軸上，由襯套支撐，通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與凸輪軸相連。

1 故障現(xiàn)象

在柴油機(jī)調(diào)試期間首啟前起動(dòng)吹車過(guò)程中，手動(dòng)開(kāi)啟啟動(dòng)電磁閥繼電器，A列各缸示功閥出口排氣正常，B列5個(gè)氣缸相繼排氣后發(fā)出“砰”的一聲巨響，操作人員立即手動(dòng)關(guān)閉起動(dòng)電磁閥繼電器，柴油機(jī)起動(dòng)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(yán)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

2.1.1 技術(shù)狀態(tài)問(wèn)題

當(dāng)分配器體、分配盤(pán)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(shí)，分配器體、分配盤(pán)、端蓋或螺栓可能在使用過(guò)程中發(fā)生損傷，造成空氣分配器端蓋在使用過(guò)程中脫離。

2.1.2 空氣管系堵塞或臟堵

當(dāng)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(shí)，異物有可能進(jìn)入空氣分配器后起動(dòng)用壓縮空氣管系，或當(dāng)空氣分配器后啟動(dòng)用壓縮空氣管系存在堵塞或臟堵等異常時(shí)，可能造成端蓋與分配盤(pán)之間的氣室超壓，造成空氣分配器端蓋在使用過(guò)程中脫離。

2.1.3 裝配問(wèn)題核查

當(dāng)分配盤(pán)裝配質(zhì)量存在問(wèn)題，如卡滯、移位等，可能造成端蓋與分配盤(pán)之間的氣室超壓，進(jìn)而造成空氣分配器端蓋在使用過(guò)程中脫離。

當(dāng)端蓋連接螺栓緊固力矩過(guò)大時(shí)，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(jìn)而造成空氣分配器端蓋在使用過(guò)程中脫離。

2.1.4 零件質(zhì)量問(wèn)題

當(dāng)B列各缸氣缸啟動(dòng)閥動(dòng)作不靈活或卡死時(shí)，可能造成端蓋與分配盤(pán)之間的氣室超壓，進(jìn)而造成空氣分配器端蓋在使用過(guò)程中脫離。

當(dāng)分配器體的化學(xué)成分、硬度或金相組織不滿足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，如硬度偏低、組織中含有大量鐵素體相，性能下降、強(qiáng)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(jìn)而造成空氣分配器端蓋在使用過(guò)程中脫離。

2.2 故障樹(shù)

根據(jù)故障現(xiàn)象、柴油機(jī)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(gè)方面逐項(xiàng)分析，建立圖1所示故障樹(shù)。

圖1 故障樹(shù)

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(pán)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(pán)和端蓋技術(shù)狀態(tài)不滿足設(shè)計(jì)要求的可能性。

2.3.2 空氣管系核查

查閱柴油機(jī)調(diào)試記錄，在吹車前，已按照要求對(duì)空氣分配器前的壓縮空氣管系進(jìn)行了吹掃，吹掃結(jié)果滿足驗(yàn)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(dòng)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(dòng)用壓縮空氣管系堵塞、臟堵的可能性。

2.3.3 裝配問(wèn)題核查

檢查分配盤(pán)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(pán)裝配質(zhì)量問(wèn)題的可能性。

檢查控制用壓縮空氣和啟動(dòng)用壓縮空氣管系，未發(fā)現(xiàn)安裝錯(cuò)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(wèn)題的可能性。

查閱磨合試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)等工廠試驗(yàn)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(dòng)的可能性，但查閱柴油機(jī)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(guò)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(wèn)題

檢查B列各缸氣缸起動(dòng)閥，未發(fā)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)閥問(wèn)題的可能性。

檢查配器體端蓋和連接螺栓尺寸，確認(rèn)分配器體端蓋尺寸滿足圖紙要求，連接螺栓長(zhǎng)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(wèn)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(cè)量端蓋尺寸及端蓋連接螺栓旋入長(zhǎng)度，計(jì)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(duì)分配器體進(jìn)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(guó)標(biāo)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(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(guò)大問(wèn)題：高壓空氣（最大壓力 4 MPa（40 bar））流入分配器時(shí)對(duì)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(jī)械性能不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9439—2010灰鑄鐵件的要求，柴油機(jī)在磨合試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)等工廠試驗(yàn)期間柴油機(jī)多次啟動(dòng)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(guò)大，將進(jìn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9439—2010灰鑄鐵件要求的空氣分配器，同時(shí)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(dòng)空氣進(jìn)氣相位，按照標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 387TM—1995（R2007）Diesel-Generator Units Applied as Standby Power Supplies for Nuclear Power Generating Stations完成柴油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，檢查端蓋連接螺栓，未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)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(jī)空氣分配器端蓋脫離故障排除。

4 結(jié)語(yǔ)

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?yàn)榉峙淦黧w硬度及金相組織不符合標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)槎松w連接螺栓緊固力矩過(guò)大。

建議在柴油機(jī)制造和檢修過(guò)程中注意以下2點(diǎn)：

（1）在后續(xù)空氣分配器體制造過(guò)程中，強(qiáng)化空氣分配器體坯件抽樣檢查，檢查項(xiàng)目包括化學(xué)成分分析、硬度及金相檢查，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為化學(xué)成分、硬度和金相滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9439—2010灰鑄鐵件中相關(guān)要求。

（2）完善柴油機(jī)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。