核电站柴油机防爆门开启问题分析

卢少林,熊记伟,韦汉辉2 姜 烨，刘龙堃，邹海波，赵乐艇，李改莉，芦文斌

(1.西安陕柴重工核应急装备有限公司，陕西 西安 7100772.陕西柴油重工有限公司，陕西 咸阳 713100)

柴油机在运行中，自转动的曲柄甩出大量的润滑油油滴，飞溅至气缸壁面、曲轴箱壁面。大部分滑油汇集于油底壳返回主滑油循环柜，少部分滑油由于飞溅、膨胀及蒸发形成大量的可燃性油气[1]。随着机组的持续运行，曲轴箱及凸轮轴箱内部的油气会不断增多，柴油机内部的压力也会不断增大。当油气压力到达一定程度会造成曲轴箱爆炸，柴油机损毁等严重事故。

为了避免该事故的发生，在柴油机设计中，会在柴油机一侧的曲轴箱道门上安装防爆门，防爆门安全阀的开启压力为0.01 MPa，当曲轴箱中的压力达到0.01 MPa时，防爆门安全阀自动弹开将油气放出，待压力降低后再自动关闭。

某核电站按照现场调试大纲进行TP54试验期间，当进行到第23次时，现场巡视人员发现柴油机A 列气缸起动空气管表面存在明火，随后调试人员进行紧急停车，在停车过程中柴油机5个防爆门全部动作，通过防爆门口有油雾喷出。

1 机组运行情况及故障描述

1.1 事故前机组运行情况

该机组在厂内交货试验期间，总计起动33次，运行24 h 7 min，满负载(6000 kW)运行12 h 55 min，110%负载(6600 kW)运行2 h 13 min，其余均为其它功率平台运行。

发生事故前，检查该机组在现场运行情况，发现该机组总计起动54次，运行36 h 52 min，其中空载运行3 h 38 min，满负载(6000 kW)运行18 h 26 min，110%负载(6600 kW)运行3 h 47 min，其余均为其他功率平台运行。

1.2 TP54试验介绍

该试验是为了验证柴油机组的带载和卸载能力，及柴油机组整个系统在长期多种工况运行条件下的可靠性，核电现场在应急柴油发电机组移交试验期间，会进行TP54试验。

根据试验要求，需要进行26次启动带载，即柴油机10 s之内启动，达到额定电压和频率，同时主开关合闸，执行并网操作，就地增加负载，3 min之内达到试验要求的功率平台，运行试验要求时间后，手动减少负载，卸载后运行5 min后停车。TP54试验功率平台及运行时间见表1。

表1 TP54试验功率平台及运行时间Table 1 TP54 test power platform and running time

1.3 事故现象描述

柴油机起动后，运行了大概3 min时，A列启动空气管线出现明火，随后采取卸载并紧急停车。在停车过程中，出现曲轴箱爆炸，防爆门全部打开。

事后经对现场检查发现，发现A2缸起动空气管线表面存在明显烧灼痕迹(见图1)，而A列起动管也存在不同程度烧灼痕迹。

图1 A2缸起动空气进气腔严重烧灼Fig.1 The air intake cavity started by A2 cylinder is severely cauterized

同时B列5个防爆门全部打开，大量润滑油喷出(见图2)。

图2 防爆门全部打开情况Fig.2 All the explosion-proof doors are open

通过对柴油机运行参数检查，发现柴油机组运行3 min 2 s，转速1000 r/min，负荷约2893.5 kW(该功率平台应为3000 kW，负载存在200 kW的波动)，各缸排温约400 ℃，柴油机运行参数均正常。

2 现场排查与分析

通过对事故现场进行勘探，建立故障树，如图3所示。

图3 故障树Fig.3 The fault tree

2.1 现场排查

通过故障树分析，防爆门开启的原因为曲轴箱内压力过大造成的，而曲轴箱内压力过大的原因有相关运动件磨损发热，曲轴箱燃气被引燃及燃烧室燃气窜入曲轴箱。

2.1.1 相关运动件磨损发热

打开检查门，检查对主轴承表面、连杆大端瓦、曲轴表面、凸轮轴轴承、凸轮表面、滚轮表面；打开输出端联轴节罩壳，检查输出端迷宫式密封；打开定时齿轮端定时齿轮罩壳，检查定时齿轮轴承及定时齿轮。

(1)主轴承表面

经检查，所有主轴承表面无异常。

(2)曲轴表面

经检查，曲轴表面无异常。

(3)连杆大端轴承

经检查，所有连杆大端轴承均无异常。

(4)凸轮轴轴承

经检查，所有凸轮轴轴承均无异常。

(5)凸轮、滚轮表面

经检查，所有凸轮、滚轮表面均无异常。

(6)输出端迷宫式密封

经检查，输出端迷宫式密封无异常

(7)定时齿轮轴承及定时齿轮

经检查，所有定时齿轮轴承及定时齿轮表面均无异常。

2.1.2 曲轴箱油气被点燃

(1)曲轴箱明火

曲轴箱内属于全封闭状态，不会出现明火。

因此，可以排除明火引起此次事故的可能。

(2)柴油机内部存在起火点

根据故障现象A排起动空气管线有明火，为了寻找明火源，拆下A2缸缸盖检查，发现A2缸进气阀挺杆穿过缸盖本体的腔道内有黑色烧伤痕迹。挺杆间隔套密封圈已被烧融，粘接在缸盖底面上如图4、图5所示。

图4 A2缸进气阀挺杆穿过缸盖本体的腔道Fig.4 A2 cylinder intake valve lifter through the cavity of the cylinder head body

图5 A2缸缸盖上有明显挺杆间隔套密封圈烧熔痕迹Fig.5 Obvious tappet spacer sleeve seal burning trace on the A2 cylinder head cover

因此，不能排除由于A排管线明火引起防爆门开启的可能。

2.1.3 燃烧室燃气窜入曲轴箱

由于燃烧室与曲轴箱之间通过活塞环与缸套接触密封，因此如果燃烧室燃气窜入曲轴箱，则存在某些缸套活塞环密封失效窜气的情况。

通过对所有缸套内表面及活塞环进行检查，存在以下问题：

1)B9在11h方向有一条划痕，有轻微触感。

2)A4在11h到1h方向有多条非贯穿的细微划痕，无触感，珩磨网清晰可见。

3)A2在5h到7h方向有线条密集的划痕，无触感，珩磨网清晰可见。

其余缸套无异常。

B9、A4、A2缸缸套属于轻微磨损，不会造成燃烧室燃气窜入曲轴箱，加之检查过程中未发现窜气痕迹。

可以排除由于缸套异常磨损造成燃烧室内的燃气窜入曲轴箱，导致曲轴箱压力过大的可能。

2.2 A列空气起动管线烧灼问题排查

检查A2缸缸盖起动阀，发现起动阀自锁螺母已经脱落，螺母上的尼龙已被烧掉，与其相连的起动空气管路上的防火塞已被融化，且熔融物已经反窜到起动空气管内，缸盖起动空气腔内有熔融物残留。

2.2.1 起动阀零部件质量问题

由于A2缸起动阀已经损坏，无法检测。因此，对厂内起动阀的检验记录进行了复查。

(1)阀体、阀芯、弹簧材料不符合图纸要求

复查厂内阀体、阀芯、弹簧材料检验记录，符合图纸要求。

(2)阀体、阀芯、弹簧尺寸不符合图纸要求

复查厂内阀体、阀芯、弹簧尺寸检验记录，符合图纸要求

2.2.2 自锁螺母松动

(1)设计选型问题

复查设计图纸及更改单，2014年10月将普通尼龙自锁螺母改型为开槽自锁螺母；2016年11月将开槽自锁螺母改型为开槽高温自锁螺母。确认设计选型符合要求。

(2)装配质量问题

1)自锁螺母紧固力矩不足

复查螺母的紧固力矩(60 N·m)，满足工艺要求。

2)起动阀密封性不符合要求

复查起动阀密封性实验记录，密封性也满足要求。

3)安装的自锁螺母是否符合图纸要求

根据A2缸缸盖起动阀的检查情况，现场扩检了A3缸缸盖及缸盖起动阀，缸盖无异常。缸盖起动阀上的自锁螺母为尼龙自锁螺母并且该螺母已经松动。A2、A3缸起动阀均为尼龙自锁螺母。前期其他项目出现过由于尼龙自锁螺母问题导致起动阀密封失效问题，工厂设计部门根据经验反馈已经将尼龙自锁螺母耐高温开槽自锁螺母。

空气起动阀自锁螺母为尼龙自锁螺母，不符合设计文件要求。

因此，不排除由于自锁螺母松动起动阀无法密封，燃气倒串，造成A排起动管线烧灼。

3 原因分析

3.1 A排起动管线烧灼

在柴油机每次起动过程中，起动阀(结构见图6)均需进行开关动作会对螺母的锁紧产生一定的影响，加之尼龙自锁螺母的锁紧性相对较差，长期使用就会造成锁紧失效问题。由于自锁螺母松动造成起动阀无法密封，燃气倒串，导致A2缸阻火器(阻火器的材料为铝，铝的熔点约660 ℃)被烧掉、缸盖起动空气腔道外侧油漆变色(油漆燃点约170 ℃)及A列起动空气管线油漆燃烧。

图6 单缸启动阀结构图Fig.6 Structure of single cylinder start valve

因此，此次起动空气管线表面油漆燃烧的原因是尼龙自锁螺母松脱造成起动阀失效。

3.2 曲轴箱防爆门开启

PA6B柴油机缸盖及缸盖与机身的连接结构如图7、图8。

图7 缸盖结构图Fig.7 Cylinder head structure drawing

图8 缸盖与机身的连接处结构图Fig.8 Structure of the connection between the cylinder head and the fuselage

图片中红色标识为热传导方向，黄色为曲轴箱及凸轮轴箱内油气方向，橘色为作功时燃气方向。从第一张缸盖的结构图可以看出：缸盖起动阀阀腔与主起动空气管路是连通的，查阅图纸缸盖起动阀阀腔与缸盖外壁的厚度为33.25 mm，进气挺杆孔与起动阀阀腔的厚度7.75 mm，缸盖起动阀阀腔与缸盖外壁的厚度要比进气阀挺杆孔与起动阀阀腔的厚度小的多。

从第二张缸盖的结构图可以看出：进气阀挺杆孔是与机身凸轮轴安装型腔是相通的，也就是说缸盖进气阀挺杆孔与曲轴箱是相通的。

根据上述故障现象及检查情况，结合该型柴油机缸盖及缸盖与机身连接的结构，分析如下：

A2气动阀阀芯与放阀体密封失效，缸内燃气(在这种情况下，燃气既有缸内需要排出的废气也有正在燃烧的油气)进入缸盖与主起动管路相连接的气道内，发生故障时柴油机转速为1000 r/min，负荷为2893.5 kW，各缸排温约400 ℃，柴油机大概运行3 min 2 s。燃烧室在燃油燃烧(作功冲程)时温度大于800 ℃，高温废气和燃烧的油气，使缸盖进气道周围的温度急剧上升，达到曲轴箱内的油气闪点，引起爆燃，缸盖进气挺杆孔壁上存在滑油燃烧痕迹。缸盖挺杆孔壁的高温导致由曲轴箱进入此处的油气瞬间点燃(新滑油的闪点为230～240 ℃，此时该处的温度远远高于该值)窜入曲轴箱引起爆燃，使得曲轴箱压力瞬间升高，防爆门打开(防爆门开启压力设计值为0.1 bar±20%)。

4 结 论

综上所述，此次质量问题是由于问题的直接原因是A2缸空气起动阀失效；促成因素是起动阀尼龙自锁螺母松动。根本原因是尼龙自锁螺母的锁紧性相对开槽自锁螺母较差，失效概率大。