核電廠發(fā)電機(jī)內(nèi)部漏油原因分析和處理

賈凱利，徐萬年

(1.中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳 518124；2.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518124)

1 設(shè)備簡介

1.1 密封油系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)軸密封裝置

某電廠發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)的功能是給發(fā)電機(jī)密封瓦供應(yīng)一定溫度、壓力和流量的密封油，發(fā)電機(jī)內(nèi)部氫壓設(shè)計(jì)為0.5 MPa，空側(cè)密封油設(shè)計(jì)流量為16.4 m3/h，密封瓦室內(nèi)油壓為0.64 MPa，氫側(cè)密封油壓力始終追蹤空側(cè)油壓并與之保持相同，設(shè)計(jì)流量為5.4 m3/h[1]。

發(fā)電機(jī)軸密封裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。密封瓦采用雙流環(huán)結(jié)構(gòu)，分為空側(cè)、氫側(cè)，分別由空、氫2路油源供油，目的是空、氫側(cè)各自獨(dú)立不混合以保證發(fā)電機(jī)氫氣的純度。氫側(cè)密封油由密封瓦噴出后，飛濺到內(nèi)油擋與密封瓦室圍成的空間，底部匯集后流到密封油箱，再到氫側(cè)密封油泵入口重新供油至密封瓦，空側(cè)密封油經(jīng)密封瓦噴出后，在底部匯集后流至環(huán)路油箱，在充分排氫后最終回到潤滑油主油箱，重新開始下一循環(huán)[2]。

圖1 發(fā)電機(jī)內(nèi)油擋及軸密封裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 發(fā)電機(jī)內(nèi)油擋

內(nèi)油擋的作用是攔截密封瓦噴出的油，防止其進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部。內(nèi)油擋由外環(huán)、內(nèi)環(huán)和2圈油封塊組成(如圖1所示)。為了保證絕緣，內(nèi)、外環(huán)之間及外環(huán)與發(fā)電機(jī)大端蓋之間裝有絕緣板，所有連接螺栓裝有絕緣套管和絕緣墊圈。每個(gè)油封塊有3道齒和疏油槽道，材質(zhì)為銅合金。油封塊背部帶有彈簧板，確保每一塊都能貼近軸頸以保持最小間隙，同時(shí)在發(fā)生碰磨的時(shí)候又能夠退讓，每圈油封環(huán)由12塊組成。設(shè)計(jì)上為了避免油直接噴到油封環(huán)，轉(zhuǎn)子軸頸由密封瓦處直徑為570 mm經(jīng)過半徑為40 mm的軸頸圓弧過渡到內(nèi)油擋處直徑為650 mm，這樣噴出的油首先被軸頸上圓角甩出，部分飛濺進(jìn)入油擋與大軸間隙的油滴被油封塊攔截后通過疏油槽進(jìn)入其后部T形槽內(nèi)，匯集后經(jīng)由油擋內(nèi)環(huán)底部的輸油孔通過正下方設(shè)計(jì)成U形結(jié)構(gòu)疏油盒(如圖2所示)排到氫側(cè)密封油回油腔室。

圖2 疏油盒結(jié)構(gòu)剖面圖(單位：mm)

1.3 發(fā)電機(jī)漏油危害

通常進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部的油氣在遇到轉(zhuǎn)子線圈和定子鐵芯后會(huì)以油膜的形式附著在線圈、繞組和鐵芯上，影響散熱，使局部溫度上升，引起絕緣熱老化。由于油含有微量水分，且對氧有較強(qiáng)的親和作用，在強(qiáng)電場的作用下，油膜會(huì)出現(xiàn)氧化，生成的過氧化物使絕緣材料中的纖維氧化造成材料脆化，生成的各種酸性物質(zhì)可提高油膜的導(dǎo)電率，降低絕緣等級(jí)。另外，油氣及微量水分不僅降低了氫氣純度，引起絕緣劣化，還會(huì)在設(shè)備表面產(chǎn)生腐蝕應(yīng)力。發(fā)電機(jī)漏油問題雖在短時(shí)內(nèi)不會(huì)造成嚴(yán)重后果，但長期漏油會(huì)帶來很多不良影響，導(dǎo)致絕緣老化、絕緣性能降低等。發(fā)電機(jī)漏油是引起發(fā)電機(jī)故障短路的原因之一。因此治理發(fā)電機(jī)漏油是一項(xiàng)極為重要的工作。

2 治理措施和根本原因分析

2.1 內(nèi)油擋結(jié)合面缺陷處理

某核電廠1號(hào)機(jī)組投產(chǎn)后發(fā)電機(jī)后端開始持續(xù)漏油，漏油量約1.8 L/周(電站標(biāo)準(zhǔn)是不大于1.8 L/4周)。首次大修解體檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)側(cè)內(nèi)油擋外圈右側(cè)上方絕緣板開膠，拆下后絕緣板與鋁板之間有油跡，分析認(rèn)為這可能是發(fā)電機(jī)漏油的原因，同時(shí)發(fā)現(xiàn)前、后內(nèi)油擋中分面局部位置有油跡。結(jié)合以往治理發(fā)電機(jī)漏油的成功經(jīng)驗(yàn)，將開膠的絕緣板重新粘接牢固，同時(shí)將前、后端內(nèi)油擋上、下半分別垂直豎起疊放在一起，自由狀態(tài)下用塞尺檢查中分面間隙，發(fā)現(xiàn)內(nèi)油擋局部位置最大間隙達(dá)0.30 mm。最終通過對研修刮處理后0.02 mm塞尺無法通過，回裝時(shí)在中分面涂平面密封膠保證密封性。此外還發(fā)現(xiàn)油擋內(nèi)、外環(huán)間所夾的絕緣板在中分面位置因材料缺失形成約1 mm深、8 mm寬貫穿內(nèi)外的L形通道，最終用環(huán)氧樹脂膠填補(bǔ)消除。同時(shí)為避免發(fā)電機(jī)內(nèi)部油管路及工藝絲堵有泄漏，對發(fā)電機(jī)前、后大端蓋內(nèi)部油路進(jìn)行了打壓，并對所有工藝絲堵實(shí)施了密封焊。在采取一系列措施后，開機(jī)后發(fā)電機(jī)前端出現(xiàn)持續(xù)漏油現(xiàn)象，漏油量達(dá)1 L/d。

2.2 油擋裝配及間隙控制

L102(L1指某核電廠1號(hào)機(jī)，02指第2次大修，下面類似描述不再贅述)解體過程中發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)前端內(nèi)油擋底部偏左位置有一塊油封塊沒有彈起，與軸之間有1.5 mm的間隙，分析認(rèn)為這是造成該運(yùn)行期間前端漏油的主要原因。為此將前、后端所有油封塊拆下后保證塊與塊之間接觸端面光滑無毛刺，裝配后用測力計(jì)測量任何一塊彈起力不小于30 N，回裝時(shí)要求每塊油封塊與軸頸的間隙都按標(biāo)準(zhǔn)下限調(diào)整，底部為0.04 mm，頂部為0.52 mm，左右為0.28 mm，其他位置按照油封塊所在圓不同角度給出相應(yīng)間隙值。廠家標(biāo)準(zhǔn)是：底部為(0.12±0.08)mm，頂部為(0.60±0.08)mm，左右為(0.36±0.08)mm，完成整圈裝配后確保油封環(huán)周向膨脹間隙不超過0.55 mm。標(biāo)準(zhǔn)是：(0.61±0.13)mm，同時(shí)密封瓦安裝直徑間隙確保在標(biāo)準(zhǔn)范圍0.35～0.38 mm內(nèi)，以免噴出油量過多。采取眾多措施之后，開機(jī)后發(fā)電機(jī)前端依然存在持續(xù)漏油現(xiàn)象，漏油量達(dá)0.5 L/d。

2.3 內(nèi)油擋絕緣材料升級(jí)

L103大修拆卸內(nèi)油擋過程中發(fā)現(xiàn)，與發(fā)電機(jī)大端蓋配合的外圈緊固螺栓規(guī)格為M16，力矩只有65～70 N·m，而設(shè)計(jì)要求為100 N·m，螺栓應(yīng)力減少了30%，檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)油擋與發(fā)電機(jī)大端蓋結(jié)合面有油跡。分析認(rèn)為由于使用的絕緣材料是酚醛層壓絕緣板，自身材質(zhì)疏松，在應(yīng)力的作用下一段時(shí)間后產(chǎn)生永久塑性變形，壓縮回彈力下降，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力松弛，絕緣墊密封所需的壓應(yīng)力下降，最終引起結(jié)合面滲漏。結(jié)合原制造廠在其他國外機(jī)組類似的滲油反饋，大修期間對內(nèi)油擋實(shí)施了絕緣材料改造，如圖3所示。將絕緣板、絕緣套管和絕緣墊圈全部更換為環(huán)氧樹脂絕緣材料，強(qiáng)度較之前有大幅增加，同時(shí)在配合面增加了纖維墊片，回裝時(shí)墊片兩側(cè)涂密封膠，螺栓緊固力矩在一個(gè)運(yùn)行循環(huán)后顯著下降的問題得到了控制。接下來的2個(gè)運(yùn)行循環(huán)發(fā)電機(jī)內(nèi)部漏油問題得到極大的緩解，雖沒有根除，但漏油量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖3 內(nèi)油擋與大端蓋配合法蘭面局部

2.4 疏油盒擋板漏裝重新焊裝

然而在L105大修開機(jī)后發(fā)電機(jī)后端又出現(xiàn)漏油，L106大修起機(jī)后發(fā)電機(jī)出現(xiàn)前端漏油。L107大修中，在對內(nèi)油擋底部疏油槽道吹掃檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)前、后疏油盒擋板制造期間漏焊。這一重大發(fā)現(xiàn)似乎解釋了這些年1號(hào)發(fā)電機(jī)一直存在漏油而2號(hào)機(jī)組卻沒有發(fā)生漏油的原因。該位置處于大軸正下方，密封瓦噴出的密封油經(jīng)過半徑為40 mm的軸頸圓弧后正對著擋板，一定速度油流的沖擊會(huì)使得疏油盒排油不暢，甚至于倒灌進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，為此大修中實(shí)施了擋板焊裝，如圖4所示。但開機(jī)后發(fā)電機(jī)漏油情況反而變本加厲，出現(xiàn)前、后端同時(shí)漏油的現(xiàn)象。

圖4 擋板補(bǔ)焊后照片

為了治理發(fā)電機(jī)，每一次維修耗時(shí)、耗力但始終無法徹底消除發(fā)電機(jī)的漏油問題。經(jīng)過多年摸索和實(shí)踐后，發(fā)現(xiàn)每次解體后內(nèi)油擋內(nèi)側(cè)表面都有油光，這說明油確實(shí)穿過內(nèi)油擋進(jìn)入了發(fā)電機(jī)內(nèi)部，而與1號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)上完全相同的2號(hào)機(jī)組卻從未出現(xiàn)此類問題，相同的設(shè)計(jì)和制造卻有著不同結(jié)果，為此對1、2號(hào)機(jī)組制造、安裝和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了全面對比檢查。

2.5 發(fā)電機(jī)差異性調(diào)查

2.5.1 發(fā)電機(jī)內(nèi)部氫氣溫度差異

某核電廠1、2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)內(nèi)部氫氣溫度情況如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)內(nèi)部氫氣溫度對比

從表1可看出，1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)冷、熱氫和溫升都比2號(hào)機(jī)組高，說明即使設(shè)計(jì)完全相同，制造上的輕微差異也會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)有不同的溫升，同時(shí)冷氫溫度高說明在系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境上也存在不同。一般來說油的流動(dòng)性與黏度直接相關(guān)，且黏度與溫度關(guān)系非線性的，溫度升高黏度下降流動(dòng)性增加。內(nèi)油擋在氫氣環(huán)境中，氫溫高會(huì)增強(qiáng)油的流動(dòng)能力，增大了發(fā)電機(jī)漏油的可能性。發(fā)電機(jī)運(yùn)行氫氣溫度是由設(shè)備的制造和系統(tǒng)決定，依靠維修手段不能改變。

2.5.2 發(fā)電機(jī)定子溫度

發(fā)電機(jī)內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)對比情況如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)內(nèi)部部分運(yùn)行參數(shù)對比

發(fā)電機(jī)內(nèi)部布置有100多個(gè)溫度測點(diǎn)監(jiān)視機(jī)組狀態(tài)，表2中選了幾個(gè)差異大的測點(diǎn)溫度，這些運(yùn)行溫度全部在允許范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)說明即使設(shè)計(jì)相同但在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)有差別。

2.5.3 發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板與轉(zhuǎn)子風(fēng)扇徑向間隙

發(fā)電機(jī)擋風(fēng)板與轉(zhuǎn)子風(fēng)扇徑向間隙數(shù)據(jù)見表3。

表3中列出了2臺(tái)機(jī)組的擋風(fēng)板與轉(zhuǎn)子風(fēng)扇后口環(huán)單側(cè)間隙安裝數(shù)據(jù)，1號(hào)機(jī)組比2機(jī)組偏大約0.5 mm左右，從圖1可看出，該位置緊鄰內(nèi)油擋，間隙偏大會(huì)造成一部分風(fēng)扇出口壓力高的氫氣泄漏到轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)入口，會(huì)產(chǎn)生一定渦流擾動(dòng)，這是否會(huì)引起內(nèi)油擋因內(nèi)外壓差波動(dòng)造成漏油不得而知，但該安裝間隙是由于制造時(shí)部件加工尺寸決定的，通過維修手段無法調(diào)整和改變。

2.5.4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對于定子軸向位置差異

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子相對軸向相對位置數(shù)據(jù)見表4。

表3 擋風(fēng)板與轉(zhuǎn)子風(fēng)扇后口環(huán)間隙

表4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子相對軸向位置

表4中測量的數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)子風(fēng)扇前蓋板與擋風(fēng)圈(見圖1)的軸向距離，1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對定子比2號(hào)機(jī)組靠后4.0～5.5 mm，1號(hào)機(jī)組的安裝數(shù)據(jù)更接近標(biāo)準(zhǔn)的極限值，轉(zhuǎn)子靠后會(huì)造成前端內(nèi)油擋軸肩更接近油封環(huán)，油更易噴到前端油封塊，后端反之，這個(gè)軸向尺寸是初始安裝決定的。

通過對1、2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)大量數(shù)據(jù)的對比調(diào)查，從中發(fā)現(xiàn)2臺(tái)發(fā)電機(jī)確實(shí)有不同之處，而這些不同是由制造、安裝和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境決定的，且靠現(xiàn)有的維修手段不能改變。1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)漏油的根本原因是這些差異中的一些不利因素造就油更易于進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，而這些差異是1號(hào)機(jī)組其獨(dú)有的特性，可以確定的是漏油是穿過油擋間隙進(jìn)入發(fā)電機(jī)的。

3 解決方法

3.1 加裝擋油板

為減小油封環(huán)攔截負(fù)擔(dān)，在原內(nèi)油擋外側(cè)加裝一道擋油板，如圖5所示。擋油板由上、下兩半3 mm厚鋁板組成，通過連接件固定在內(nèi)油擋上。上半擋油板與內(nèi)油擋之間安裝有180°的遮蔽環(huán)，通過M12雙頭螺栓緊固在內(nèi)油擋上，下半則是通過幾個(gè)異形間隔螺柱連接。這種半敞開式結(jié)構(gòu)作用是避免密封油直接甩到內(nèi)油擋上，即使上部有油飛濺至擋油板與內(nèi)油擋之間，由于180°的遮蔽環(huán)的作用，下落的油也只能沿兩側(cè)淌下，而不會(huì)進(jìn)入擋油板與內(nèi)油擋之間。下半部分鋁板組成后是開放式結(jié)構(gòu)，穿過擋油板的油可自由落下不受影響，使密封油回流順暢。加裝擋油板后，發(fā)電機(jī)漏油現(xiàn)象基本消除了。

圖5 擋油板結(jié)構(gòu)圖

考慮到內(nèi)油擋的重要性，對擋油板進(jìn)行受力核算。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)非正常工況時(shí)，即機(jī)組振幅超過0.5 mm(擋油板與大軸設(shè)計(jì)間隙為0.5 mm)，有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸與內(nèi)擋油板碰磨。擋油板設(shè)計(jì)齒尖厚度為0.3 mm，假定發(fā)生局部碰磨瞬間接觸范圍為15°，合金鋁板的屈服強(qiáng)度為70 MPa，擋油片由14顆M12黃銅螺栓連接，其抗拉強(qiáng)度為420 MPa，抗剪強(qiáng)度為300 MPa，許用剪應(yīng)力為150 MPa。此時(shí)，最薄弱環(huán)節(jié)為內(nèi)擋油板齒尖處。計(jì)算結(jié)果如下：碰磨時(shí)擋油板齒尖受力面積為0.002 55 cm2，碰磨時(shí)擋油板齒尖屈服力為1 785 N，單顆M12黃銅螺栓有效截面積為0.008 cm2，單顆螺栓許用抗剪切力為12 000 N。由上面計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)擋油板齒尖部位受到的力大于1 785 N時(shí)，首先出現(xiàn)塑性變形產(chǎn)生彎曲，與大軸間隙隨即擴(kuò)大碰磨消失，該力與擋油板單顆固定螺栓許用剪切應(yīng)力相比可忽略不計(jì)，而真實(shí)發(fā)生碰磨時(shí)大軸表面線速度達(dá)102 m/s，碰磨的齒尖會(huì)被迅速磨損掉或碰彎，這充分論證了擋油板的安全性。

3.2 采用新型油封環(huán)

為了消除運(yùn)行期間密封瓦烏金表面過熱積碳問題，將密封瓦直徑間隙由標(biāo)準(zhǔn)范圍0.35～0.37 mm擴(kuò)大至0.38～0.42 mm，氫側(cè)密封油量大約增加了15%，這加大了發(fā)電機(jī)內(nèi)部漏油的風(fēng)險(xiǎn)。為此，在加裝了擋油板后對內(nèi)油擋實(shí)施了進(jìn)一步改進(jìn)，即在不改變原油擋整體結(jié)構(gòu)的情況下，將油封環(huán)梳齒數(shù)由原來的3齒改為5齒，寬度由原來的25.5 mm改為32.5 mm。同時(shí)改進(jìn)后油封塊與塊之間連接處疏油槽是在梳齒下部掏空，并通過疏油槽道疏走，油封塊與塊之間梳齒實(shí)現(xiàn)連續(xù)無間斷，消除了原設(shè)計(jì)梳齒不連續(xù)這一設(shè)計(jì)缺陷，有效提高了阻油的效率。發(fā)電機(jī)加裝新型油封環(huán)前后的變化如圖6所示。

圖6 發(fā)電機(jī)油封環(huán)改進(jìn)前后對比圖

4 結(jié)束語

通過深入對比分析1、2號(hào)機(jī)組各種差異，確定1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)有其獨(dú)有的特性，油是通過油擋間隙進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部的，后經(jīng)2次對內(nèi)油擋實(shí)施改進(jìn)，徹底解決了歷經(jīng)10年的發(fā)電機(jī)漏油問題。本文闡述的改進(jìn)方案對今后解決其他機(jī)組類似發(fā)電機(jī)漏油問題有一定的參考價(jià)值。