核電廠常規(guī)島蒸汽系統(tǒng)液壓阻尼器漏油原因分析及對策

王 松,陳英杰,張 通

(中廣核核電運(yùn)營有限公司,廣東 深圳518124)

液壓阻尼器作為一種管系和設(shè)備的安全部件,功能類似于汽車上的“安全帶”,在異常工況發(fā)生時(shí)起到保護(hù)管系和設(shè)備的作用。從20世紀(jì)60年代開始至今,阻尼器的發(fā)展歷經(jīng)了由液壓式阻尼器到機(jī)械式阻尼器,再到液壓式阻尼器的發(fā)展過程[1]。隨著密封材料的發(fā)展和改進(jìn),現(xiàn)在的液壓式阻尼器在密封性能、工作可靠性以及耐老化方面已經(jīng)有了穩(wěn)定的表現(xiàn)。但在核電站運(yùn)行檢查及維護(hù)中,由于制造加工、安裝、運(yùn)行工況等原因,仍然有一定比例的阻尼器發(fā)生了液壓油泄漏的故障。

液壓阻尼器發(fā)生工作介質(zhì)泄漏后可能影響產(chǎn)品性能,針對液壓油泄漏的阻尼器應(yīng)優(yōu)選解體維修的方案以便恢復(fù)其設(shè)計(jì)功能。在條件不具備時(shí),可傾斜放置24 h觀察液壓油泄漏量的多少,在確認(rèn)阻尼器24 h無泄漏或微量泄漏并且當(dāng)前油位合格后,可對阻尼器進(jìn)行臺架試驗(yàn),驗(yàn)證其性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對于滿足以上條件的阻尼器可認(rèn)為臨時(shí)可用,在電站日常運(yùn)行期間需加強(qiáng)跟蹤檢查并制定相關(guān)更換的預(yù)案。

阻尼器液壓油泄漏有多方面的原因,本文針對當(dāng)前核電廠常規(guī)島蒸汽系統(tǒng)上頻繁發(fā)生液壓油泄漏缺陷的阻尼器進(jìn)行分析,制定出有針對性的改進(jìn)建議,以便產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用中進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 液壓阻尼器結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)管系或設(shè)備正常熱位移時(shí),液壓阻尼器僅表現(xiàn)出較低的摩擦阻力,根據(jù)研究表明對于額定載荷小于50 000 N的小規(guī)格液壓阻尼器的低速摩擦阻力限值采用5%的額定載荷[2],此時(shí)的阻尼器允許管系或設(shè)備自由熱位移,對管道應(yīng)力分布和不可接受載荷影響可接受。當(dāng)異常工況,例如地震、水錘等發(fā)生時(shí),管系或設(shè)備快速甩動,阻尼器內(nèi)部的控制閥關(guān)閉,阻尼器發(fā)生閉鎖,表現(xiàn)為一個近似剛性結(jié)構(gòu),將管道或設(shè)備的載荷傳遞至土建或鋼結(jié)構(gòu)上,起到限制管道或設(shè)備位移,起到保護(hù)管道或設(shè)備的作用。

1.1 液壓阻尼器典型結(jié)構(gòu)

一種典型的液壓阻尼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。阻尼器活塞3將液壓油隔離為前后兩個腔室,兩個腔室之間的液壓油通過安裝在活塞3中的主控制閥4聯(lián)通。阻尼器設(shè)置有一個儲油腔,用來補(bǔ)充由于活塞桿工作位置的變化帶來的工作腔室體積變化。工作腔室和儲油腔通過后控制閥7聯(lián)通,并通過儲油腔的彈簧使得液壓油處于一個微正壓的狀態(tài),保證工作腔室內(nèi)始終充滿液壓油。油位視窗6用來觀察阻尼器油箱活塞5是否已經(jīng)到達(dá)最低油位位置。在阻尼器液壓油位合格時(shí),在油位視窗6內(nèi)不能看到油箱活塞5的邊緣,否則認(rèn)為阻尼器發(fā)生了液壓油泄漏,應(yīng)做進(jìn)一步檢查。

圖1 一種典型的液壓阻尼器結(jié)構(gòu)Fig.1 A typical structure of the hydraulic snubber

1.2 控制閥工作原理

控制閥為液壓阻尼器工作的關(guān)鍵部件,液壓阻尼器內(nèi)部安裝有兩處控制閥,分別為主控制閥和后控制閥。阻尼器主控制閥的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,在閥芯3的圓周方向上加工有數(shù)個供液壓油流過的小孔,在閥芯3的中間還加工有一個極小的液壓油旁路孔。閥芯3裝置在閥座1內(nèi),通過中間的復(fù)位彈簧2相連。當(dāng)閥芯3處于開啟狀態(tài)時(shí),允許工作介質(zhì)液壓油流過,當(dāng)閥芯3向內(nèi)側(cè)滑動并最終到達(dá)關(guān)閉位置,工作介質(zhì)液壓油的主要流道被切斷,此時(shí)液壓油不能流過閥芯的主要流道,僅能極少量流過閥芯中間的旁路孔。主控制閥是對稱結(jié)構(gòu),允許液壓油雙向流過,同時(shí)也可以雙向關(guān)閉。后控制閥與主控制閥的功能類似,作用為異常工況發(fā)生時(shí)關(guān)閉儲油腔和工作腔室之間的液壓油流通。

圖2 主控制閥結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the main control valve

控制閥是根據(jù)孔板節(jié)流效應(yīng)工作的,根據(jù)節(jié)流孔板的流體特性,當(dāng)液壓油流過控制閥的閥芯時(shí),在小孔的上游側(cè)與下游側(cè)之間產(chǎn)生一個靜壓差Δp。液壓油的體積流量qv和靜壓差Δp的關(guān)系可參考公式(1)給出[3]:

式中:qv——體積流量;

C——流出系數(shù);

β——直徑比;

ε——可膨脹系數(shù);

d——節(jié)流孔徑;

Δp——節(jié)流孔板上下游靜壓差;

ρ——流體密度。

根據(jù)公式(1)可知孔板兩側(cè)的靜壓差Δp正比于體積流量qv的平方。對于給定的液壓阻尼器,活塞缸的缸徑一定,經(jīng)過體積換算,可以將流過控制閥小孔的液壓油體積流量qv換算成活塞桿的運(yùn)動速度v。對于給定的液壓阻尼器,靜壓差Δp正比于活塞桿運(yùn)動速度v的平方。

在正常管道熱位移時(shí),阻尼器活塞桿的運(yùn)動速度v較小,控制閥閥芯兩側(cè)產(chǎn)生的靜壓差Δp也較小,控制閥保持開啟狀態(tài)。當(dāng)異常工況發(fā)生時(shí),阻尼器活塞桿快速動作,當(dāng)活塞桿的運(yùn)動速度v達(dá)到閉鎖速度vlockup時(shí),控制閥兩側(cè)的液壓油靜壓差Δp和復(fù)位彈簧的力F達(dá)到平衡,控制閥閥芯朝著關(guān)閉方向運(yùn)動,最終截?cái)嘁簤河偷闹饕鲃印Ｒ阅尺M(jìn)口液壓阻尼器為例,其閉鎖速度范圍為2～6 mm/s。

閥芯中間的旁路孔允許控制閥關(guān)閉后液壓油繼續(xù)流過,以便阻尼器外部作用消除后,閥芯兩側(cè)的液壓油壓差平衡和閥芯復(fù)位。閥芯旁路孔的存在使得阻尼器閉鎖后活塞桿可以繼續(xù)以非常緩慢的速度運(yùn)動,此時(shí)的運(yùn)動速度為旁路速度vbypass。以某進(jìn)口液壓阻尼器為例,其旁路速度范圍為0.2～2 mm/s。

2 常規(guī)島蒸汽系統(tǒng)液壓阻尼器漏油現(xiàn)狀

以某核電機(jī)組為例,常規(guī)島蒸汽系統(tǒng)每臺機(jī)組布置有近50臺液壓阻尼器,統(tǒng)計(jì)近四輪大修期間檢查發(fā)現(xiàn)的蒸汽系統(tǒng)液壓油泄漏的阻尼器,數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 某核電機(jī)組常規(guī)島蒸汽系統(tǒng)液壓阻尼器漏油缺陷統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of hydraulic snubber oil leakage defects in the conventional island steam system of a nuclear power plant

部分位置的液壓阻尼器漏油現(xiàn)象頻發(fā),且檢修時(shí)拆下進(jìn)行性能試驗(yàn)合格率低。部分位置阻尼器壽命只有2個大修循環(huán)周期就發(fā)生了液壓油泄漏。單次大修的阻尼器漏油缺陷的數(shù)量占比約為8%～16%左右。發(fā)生液壓油泄漏的阻尼器不僅為單一廠家產(chǎn)品,國外進(jìn)口和國內(nèi)生產(chǎn)的均有。

3 原因分析

為了分析阻尼器液壓油泄漏的原因,對發(fā)生液壓油泄漏的多個阻尼器解體維修,檢查發(fā)現(xiàn)活塞桿密封部位的缺陷類似,均為兩處溝槽狀磨損痕跡,深度約為0.1～0.2 mm,如圖4所示。

圖4 阻尼器活塞桿溝槽狀磨損缺陷Fig.4 The wear defect of the snubber piston rod

檢查阻尼器活塞桿處的橡膠密封件并未發(fā)生老化或破損的缺陷,也未見明顯的磨損。阻尼器活塞桿處液壓油泄漏的主要原因?yàn)榛钊麠U密封部位的磨損溝槽引起。在機(jī)組啟停機(jī)冷熱工況切換時(shí),阻尼器活塞桿運(yùn)動至此磨損處造成液壓油密封效果降低或完全失效。

3.1 阻尼器活塞桿結(jié)構(gòu)分析

阻尼器缸蓋和活塞桿之間的密封結(jié)構(gòu)如圖5所示,有一處防塵環(huán)2,兩處密封環(huán)5和一處導(dǎo)向環(huán)4。正常設(shè)計(jì)工況下,活塞桿和缸蓋之間被導(dǎo)向環(huán)4隔離,不會發(fā)生金屬之間的直接碰觸。在系統(tǒng)振動過大時(shí),阻尼器活塞桿1和缸蓋3之間的振動作用力超過導(dǎo)向環(huán)4所能承受的最大支撐力度,造成活塞桿1和缸蓋3之間直接接觸撞擊。

同時(shí)在機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),阻尼器工作行程幾乎不發(fā)生變化,活塞桿和缸蓋持續(xù)在某一固定位置發(fā)生碰撞磨損,行成溝槽缺陷。

通過對解體維修的阻尼器活塞桿檢查,統(tǒng)計(jì)發(fā)生磨損的活塞桿約有80%以上的磨損位置位于行程的2/3以上位置,接近圖5所示的示例位置,說明阻尼器工作于長行程位置時(shí)更易發(fā)生活塞桿的磨損。造成此現(xiàn)象的原因?yàn)榛钊麠U處在接近最大行程時(shí),阻尼器長度接近最長,活塞桿的甩擊慣量最大,振動作用力更易超過導(dǎo)向環(huán)的支撐力度,進(jìn)而發(fā)生活塞桿的磨損。

圖5 阻尼器活塞桿密封結(jié)構(gòu)Fig.5 The sealing structure of the snubber piston rod

3.2 密封部位材質(zhì)分析

通過活塞桿和缸蓋的材料性能和硬度數(shù)值,可以比較兩者發(fā)生摩擦?xí)r的消耗速率。在兩種材料接觸摩擦?xí)r,硬度較高的材料表面磨損速率較低。因活塞桿和缸蓋均為機(jī)械加工產(chǎn)品,無表面處理,可以用材料硬度數(shù)值表征其耐磨性能。

以下對比某進(jìn)口品牌液壓阻尼器和某國產(chǎn)品牌液壓阻尼器的活塞桿和缸蓋的材質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)耐磨性分析。

以某進(jìn)口品牌液壓阻尼器材料為例,活塞桿和缸蓋的材質(zhì)均為Z12C13鍛造馬氏體不銹鋼,其材質(zhì)信息如表1所示。

表1 某進(jìn)口品牌液壓阻尼器部件材質(zhì)Table 1 Material of an imported hydraulic snubber

活塞桿和缸蓋的硬度值如表2所示,布式硬度值在縱向和橫向上均為201～285 HB,兩部件硬度相當(dāng),在相互接觸磨損時(shí)接近同一速率。

表2 Z12C13材質(zhì)性能[4]Table 2 Material performance of Z12C13

以某國產(chǎn)液壓阻尼器材料為例,活塞桿材質(zhì)為42Cr Mo合金鋼,缸蓋材質(zhì)為20Cr13馬氏體耐熱鋼,兩部件材質(zhì)信息如表3所示。

表3 某國產(chǎn)液壓阻尼器部件材質(zhì)Table 3 Material of a domestic hydraulic snubber

活塞桿和缸蓋的硬度數(shù)值如表4、表5所示?；钊麠U的布氏硬度為不大于229 HBW,缸蓋的布氏硬度退火后為不大于223 HBW,兩部件的布式硬度數(shù)值接近,活塞桿的布氏硬度比缸蓋略高。從耐磨損角度分析,國產(chǎn)液壓阻尼器在活塞桿和缸蓋材料選型時(shí)其磨損設(shè)計(jì)較為合理。

但在實(shí)際設(shè)備檢修維護(hù)過程中,國產(chǎn)液壓阻尼器發(fā)生泄漏的幾率要高于進(jìn)口液壓阻尼器,其耐用性也較進(jìn)口液壓阻尼器低。原因更多在于密封件的性能和整體設(shè)計(jì)、制造加工和裝配工藝。材質(zhì)耐磨性的設(shè)計(jì)優(yōu)勢不足以影響最終產(chǎn)品的實(shí)際性能。

表4 42Cr Mo材質(zhì)性能[5]Table 4 Material performance of 42Cr Mo

表5 20Cr13材質(zhì)性能[6]Table 5 Material performance of 20Cr13

3.3 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)分析

阻尼器活塞桿和缸套之間的導(dǎo)向環(huán)如圖6所示,為有一定柔性支撐性能的橡膠部件,以某品牌國產(chǎn)阻尼器為例,該導(dǎo)向環(huán)材質(zhì)標(biāo)示為QT500-7。導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)作用為隔離活塞桿和缸蓋間運(yùn)動副的機(jī)械接觸,使得正常設(shè)計(jì)工況下,兩部件之間不會發(fā)生直接碰觸摩擦。導(dǎo)向環(huán)的存在同時(shí)使起液壓油密封作用的橡膠部件四周的壓縮率處于均勻的狀態(tài),保證活塞桿圓周方向均勻的密封效果。

如果導(dǎo)向環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸不合理或者硬度不足,則無法起到應(yīng)有的隔離支撐效果。在系統(tǒng)振動作用力較大的情況下,需要導(dǎo)向環(huán)具備更大的支撐力度。

圖6 阻尼器活塞桿導(dǎo)向環(huán)Fig.6 The guide ring of the snubber piston rod

3.4 密封失效分析結(jié)論

通過以上分析可以得知,阻尼器活塞桿處液壓油泄漏主要原因?yàn)榛钊麠U和缸蓋之間發(fā)生了持續(xù)的接觸磨損,導(dǎo)致活塞桿密封部位產(chǎn)生了溝槽狀缺陷,在機(jī)組冷熱工況切換時(shí),密封效果降低或失效造成液壓油的泄漏。

4 改進(jìn)方向

對阻尼器活塞桿磨損的主要原因及相應(yīng)改進(jìn)方向歸類如下。

4.1 振動超設(shè)計(jì)

阻尼器工作在超過設(shè)計(jì)振動值或振動方向的系統(tǒng)上,或者采用不合理的功能設(shè)計(jì)來降低系統(tǒng)的振動。正常運(yùn)行工況下蒸汽管道內(nèi)介質(zhì)常處于高速流動的狀態(tài),管道處于持續(xù)穩(wěn)態(tài)振動。液壓式阻尼器對管道熱脹冷縮的緩慢移動幾乎沒有阻尼,而且它對低幅高頻振動也不起作用[7]。阻尼器設(shè)計(jì)用來阻止異常工況,例如地震、水錘等管系瞬態(tài)位移,用來限制和保護(hù)管道。周期穩(wěn)態(tài)振動工況下,不適宜采用液壓阻尼器來降低系統(tǒng)振動水平。

改進(jìn)方向可以考慮采用其他減振設(shè)備來降低系統(tǒng)整體振動水平。研究及試驗(yàn)表明,粘滯阻尼器在化工管道上的減振效果進(jìn)行對比,管道系統(tǒng)振幅降幅較為明顯[8]。采用粘滯阻尼器、支架約束等其他綜合管系治理手段,可以使管系的振動降至一個合理的水平。一種典型的粘滯阻尼器如圖7所示。

圖7 一種典型粘滯阻尼器Fig.7 A typical viscous damper

某核電基地目前正在對頻繁泄漏的蒸汽系統(tǒng)液壓阻尼器進(jìn)行替代換型,由液壓阻尼器改造為粘滯阻尼器。根據(jù)測算,采用液壓阻尼器的振動控制方案需要定期維護(hù)及性能試驗(yàn),每輪大修需投入費(fèi)用15萬元左右且需要頻繁維護(hù)。采用粘滯阻尼器改造換型后為一次性投入,單臺機(jī)組成本約30萬元,后續(xù)可實(shí)現(xiàn)終身免維護(hù)。

4.2 活塞桿運(yùn)動副導(dǎo)向隔離結(jié)構(gòu)支撐不足

阻尼器活塞桿導(dǎo)向環(huán)采用彈性橡膠材質(zhì),在活塞桿沿垂直軸線方向振動時(shí)不能提供有效的隔離支撐,造成活塞桿和缸蓋直接接觸。

改進(jìn)方向可以是改善導(dǎo)向環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸或增加導(dǎo)向環(huán)的硬度,以便提供足夠的隔離支撐。本項(xiàng)改進(jìn)方向需要聯(lián)合液壓阻尼器產(chǎn)品制造廠家,進(jìn)行相應(yīng)的測試及型式試驗(yàn)。

4.3 磨損部件硬度不匹配

阻尼器活塞桿和缸蓋的材質(zhì)硬度相當(dāng)或活塞桿材質(zhì)硬度高于缸蓋,在發(fā)生摩擦?xí)r,活塞桿的密封位置未得到有效保護(hù),更易發(fā)生磨損。

對活塞桿和缸蓋密封部位的結(jié)構(gòu)分析可知,缸蓋部位是通過柔性密封環(huán)進(jìn)行密封,缸蓋密封部位金屬的磨損對液壓油密封的影響較小。可以通過提高活塞桿密封部位的硬度或采用耐磨涂層等方式,降低活塞桿部位的磨損。活塞桿硬度及耐磨性提高后,在發(fā)生摩擦?xí)r將優(yōu)先消耗缸蓋接觸部位的金屬,密封效果得以保持,可以獲得更長的使用壽命。國內(nèi)采用PVD物理氣相沉積技術(shù),對柴油機(jī)軸瓦進(jìn)行耐磨涂層噴涂,可以得到良好的附著強(qiáng)度和維氏硬度等性能[9]。

4.4 阻尼器工作行程不合理

對多個解體拆卸的阻尼器對比分析,發(fā)生泄漏的液壓阻尼器大部分磨損位置位于接近活塞桿最大行程處,此時(shí)活塞桿的甩動慣量大,甩擊作用力也較大,這種情況下更易超過導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的支撐力而發(fā)生磨損。

改進(jìn)方向可以在阻尼器冷、熱態(tài)工作位置均未超過允許行程的情況下,使熱態(tài)運(yùn)行位置接近阻尼器工作的小行程位置,減小活塞桿的伸出長度,降低甩擊慣量。可通過在阻尼器的連接耳處增加延長桿等方法調(diào)節(jié)阻尼器的工作行程。

4.5 改進(jìn)方向小結(jié)

在以上所列的原因分析和改進(jìn)方向中,4.1項(xiàng)措施可以從根本上解決蒸汽系統(tǒng)液壓阻尼器的液壓油泄漏問題。節(jié)4.2、節(jié)4.3、節(jié)4.4中措施為產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)改進(jìn),可部分解決或延緩阻尼器發(fā)生液壓油泄漏故障的概率。

5 結(jié)論

本文對核電廠常規(guī)島蒸汽管道系統(tǒng)上頻繁發(fā)生泄漏的液壓阻尼器運(yùn)行工況進(jìn)行了分析,結(jié)合多個阻尼器解體檢查的缺陷現(xiàn)象進(jìn)行了歸納總結(jié)。高速流動的蒸汽介質(zhì)系統(tǒng),管系處于穩(wěn)態(tài)高周低幅振動狀態(tài),采用液壓阻尼器降低系統(tǒng)振動的效果有限,應(yīng)優(yōu)先考慮選用粘滯阻尼器或支架約束等綜合手段,改善管系的振動水平。同時(shí)對阻尼器活塞桿密封支撐部位的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和活塞桿材質(zhì)的表面處理等手段,也是后續(xù)阻尼器治理改進(jìn)可實(shí)施參考的方向。針對活塞桿磨損引起的阻尼器液壓油介質(zhì)泄漏的原因及對策建議如表6所示。

表6 活塞桿磨損的原因及對策建議Table 6 Cause analysis and countermeasures for piston rod defect