18PA6B 型應(yīng)急柴油機(jī)頂桿碎裂原因分析及預(yù)防

鄧信浩，曹 磊，劉朝福，葉光華

（福建寧德核電有限公司，福建寧德 352100）

0 引言

某核電廠采用成熟的中國改進(jìn)型三環(huán)路壓水堆（CPR1000）技術(shù)，每臺機(jī)組配備2 臺應(yīng)急柴油機(jī)，功能是在高壓廠用變壓器提供的正常電源和高壓廠用輔助變壓器提供的后備電源失效時(shí)，或發(fā)生安注動作時(shí)，為相應(yīng)的專設(shè)安全設(shè)備供電，以確保反應(yīng)堆安全關(guān)閉，保障一回路壓力邊界的完整性，防止放射性物質(zhì)向外泄漏。2 臺應(yīng)急柴油機(jī)的型號均為18PA6B，額定功率為6200 kW，額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min，采用18 缸V 形布置。在對該核電廠的1 臺應(yīng)急柴油機(jī)進(jìn)行低功率試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，A3 缸進(jìn)氣閥頂桿球接座碎裂。因?yàn)轫敆U碎裂故障較為少見，所以對導(dǎo)致該故障的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 故障概況

18PA6B 型應(yīng)急柴油機(jī)的進(jìn)排氣閥頂桿連接凸輪軸和搖臂，將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為頂桿的上下運(yùn)動，進(jìn)而控制進(jìn)排氣閥按設(shè)計(jì)要求啟閉。在柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，頂桿往復(fù)運(yùn)動的頻率為500 次/min，運(yùn)動過程中主要克服進(jìn)排氣閥的彈簧力，另外由于存在氣閥間隙，所以頂桿同時(shí)還承受一定的高頻沖擊力。頂桿在氣缸蓋中的位置見圖1，其球接座材料為合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnTi（符合GB/T 3077—1999 標(biāo)準(zhǔn)），硬化層的深度和硬度分別為0.4～0.6 mm 和670～760 HV（維氏硬度）。

2016年3月5日該應(yīng)急柴油機(jī)進(jìn)行40%額定功率試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，A3 缸缸蓋處聲音異常，隨即緊急停運(yùn)了應(yīng)急柴油機(jī)。打開缸蓋罩殼檢查發(fā)現(xiàn)：進(jìn)氣閥頂桿從進(jìn)氣搖臂上脫開；頂桿球接座處開裂成兩半（圖2）；球接座與軸向約呈45°斜向開裂，上側(cè)端面開裂部位在中分面，下側(cè)端面開裂部位位于頸部R 角處，沿R 角處環(huán)向開裂的長度約為16 mm；脫出的頂桿在凸輪的作用下與搖臂碰撞，并將缸蓋罩殼打穿，罩殼上掉落的碎屑?xì)埩粼跈C(jī)體的肋板上。該柴油機(jī)頂桿投運(yùn)至今已有174 h，共啟動了120 多次。

圖1 故障柴油機(jī)汽缸結(jié)構(gòu)示意

圖2 頂桿碎裂情況

2 原因分析

根據(jù)該應(yīng)急柴油機(jī)進(jìn)氣閥頂桿的工作環(huán)境及運(yùn)行工況分析，造成頂桿碎裂的原因可能有進(jìn)氣閥傳動機(jī)構(gòu)卡澀，頂桿彎曲，進(jìn)氣閥間隙過大，以及頂桿球接座材料、裝配及加工制造等方面存在缺陷，下面將對這些可能的原因逐一進(jìn)行分析。

2.1 進(jìn)氣閥傳動機(jī)構(gòu)卡澀

頂桿的作用是按設(shè)計(jì)工況定時(shí)開啟關(guān)閉進(jìn)排氣閥，若頂桿下游的搖臂、閥橋卡死或進(jìn)氣閥在關(guān)閉位置卡死，會造成頂桿因受力過大而彎曲或球接座因受力過大而開裂?，F(xiàn)場檢查搖臂及閥橋，均未發(fā)現(xiàn)有卡澀現(xiàn)象；手動開啟、關(guān)閉進(jìn)氣閥，進(jìn)氣閥運(yùn)動自如。因此，可排除因頂桿下游部件卡死造成頂桿球接座碎裂的情況。

2.2 頂桿彎曲

頂桿球接座為半徑12 mm 的內(nèi)凹半球面，搖臂球接頭為半徑12 mm 的半球體，球接頭位于球接座內(nèi)，確保頂桿不會脫出。在實(shí)際運(yùn)動時(shí)搖臂球接頭與頂桿球接座軸向存在約5°的擺動幅度。頂桿彎曲將會改變搖臂球接頭與頂桿球接座間的配合，使頂桿球接座受力遠(yuǎn)離其中心，頂桿受力偏離設(shè)計(jì)工況。拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，該碎裂頂桿的彎曲度為0.35 mm，小于廠家文件要求的0.8 mm，因此可排除頂桿彎曲的因素。

2.3 進(jìn)氣閥間隙過大

在柴油機(jī)的運(yùn)行過程中，球接座、搖臂軸瓦等的磨損或進(jìn)氣閥間隙調(diào)整螺母的松動將造成進(jìn)氣閥間隙過大，從而使得在相同加速度下頂桿的加速時(shí)間變長，導(dǎo)致其撞擊到搖臂球接頭時(shí)的速度加快，頂桿球接座受到的沖擊力增大，因此更容易出現(xiàn)疲勞開裂。拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，該應(yīng)急柴油機(jī)的搖臂螺母未出現(xiàn)松動，復(fù)查間隙也未發(fā)現(xiàn)異常，因此可排除進(jìn)氣閥間隙過大問題。

2.4 頂桿球接座自身的缺陷

2.4.1 材料缺陷

（1）熔樣成分分析。頂桿球接座的熔樣成分分析結(jié)果見表1，由表1 可知其化學(xué)成分符合GB/T 3077—1999 標(biāo)準(zhǔn)對低合金鋼20CrMnTi 的要求。

（2）硬化層硬度。按GB/T 4340—2009 的要求，在FM-700型維氏硬度計(jì)上對頂桿球接座硬化層進(jìn)行小力值維氏硬度（HV1）試驗(yàn)，測點(diǎn)距邊緣0.1 mm，各點(diǎn)相隔0.1 mm，試驗(yàn)力為9.8 N，保持時(shí)間為15 s，測試結(jié)果見表2。由表2 知，頂桿球接座硬化層的硬度值滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）基體硬度。按GB/T 4340—2009 標(biāo)準(zhǔn)，在HVS-50 型維氏硬度計(jì)上對頂桿球接座縱剖面從硬化層側(cè)沿縱向向遠(yuǎn)端進(jìn)行維氏硬度（HV30）試驗(yàn)，試驗(yàn)力為294 N，保持時(shí)間為10 s，測試位置如圖3 所示。測試結(jié)果見表3 和表4，從中可以看出：頂桿球接座基體（縱向和橫向）的硬度符合GB/T 3077—1999 對20CrMnTi鋼的要求，其中頸部R 角附近的硬度在378～398 HV 之間。

（4）金相檢驗(yàn)。在頂桿球接座上采制金相試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，測得晶粒度為7～8 級，符合GB/T 3077—1999 標(biāo)準(zhǔn)中“奧氏體晶粒度大于等于5 級”的要求。

根據(jù)以上檢測檢驗(yàn)結(jié)果，可排除材料存在缺陷的情況。

表1 頂桿球接座的熔樣成分分析結(jié)果

表2 頂桿球接座硬化層HV1 試驗(yàn)結(jié)果

圖3 樣品基體的硬度測點(diǎn)示意圖

表3 基體樣品軸向HV30 試驗(yàn)結(jié)果

表4 基體樣品橫向和頸部R 角附近HV30 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2 裝配缺陷

頂桿球接座與頂桿桿身之間的配合為過盈配合，安裝時(shí)通過液氮冷卻頂桿球接座同時(shí)加熱頂桿桿身，把二者裝配在一起。對損壞的頂桿進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)，頂桿球接座和頂桿桿身之間可相對轉(zhuǎn)動，已無過盈量，此時(shí)頂桿球接座所承受的軸向力通過軸肩向頂桿桿身傳遞，軸肩R 角處存在剪切應(yīng)力，如圖4 所示。

圖4 頂桿受力情況示意

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》[1]，頂桿球接座與頂桿桿身為最小過盈量時(shí)所能承受的軸向力F 為：

式中：d 為配合面的公稱直徑，取23 mm；l 為配合面的長度，取30 mm；f 為配合面的摩擦系數(shù)，取0.14[1]；p 為配合面間的徑向壓力，計(jì)算公式為：

其中，Δmin為過盈配合的最小過盈量（μm），因?yàn)榍蚪幼鈴匠叽鐬?，頂桿桿身內(nèi)孔尺寸為，所以最小過盈量為40 μm；E1、E2分別為被包容件與包容件材料的彈性模量，球接座材料為20CrMnTi，彈性模量為2.05×105MPa[2]，桿身材料為Q235，彈性模量為2.03×105MPa[3]；C1為被包容件的剛性系數(shù)，C1=（d2+d12）/（d2－d12）－μ1；C2為包容件的剛性系數(shù)，C2=（d2+d22）/（d22）－d2）－μ2；d1、d2分別為被包容件的內(nèi)徑和包容件的外徑，d1=4 mm，d2=33.7 mm；μ1、μ2分別為被包容件和包容件材料的泊松比，μ1=μ2=0.3[1]。

通過計(jì)算可知，在最小過盈量下產(chǎn)生的摩擦力可承受45 kN的軸向力。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，頂桿在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)所承受的最大沖擊力為6.8 kN，遠(yuǎn)小于過盈配合產(chǎn)生的摩擦力，也就是說在裝配良好的情況下，頂桿球接座軸肩R 角處不會受到剪切力破壞。

圖5 樣品斷口的宏觀形貌

對開裂頂桿球接座的斷口（圖5）進(jìn)行宏觀觀察發(fā)現(xiàn)：斷裂部位無宏觀塑性變形；裂紋源區(qū)位于下端面頸部R 角處，終斷區(qū)位于上端面頂部；其余斷面均為擴(kuò)展區(qū)，中部擴(kuò)展區(qū)隱約可見疲勞弧線，斷口兩側(cè)明顯可見放射狀花樣和臺階。根據(jù)以上特征判斷，頂桿球接座的斷裂類型為高周疲勞開裂，源區(qū)位于下端面頸部R 角處，造成疲勞開裂的原因是在裝配不良的情況下，R角處受到了高頻剪切應(yīng)力作用。

2.4.3 制造加工缺陷

對頂桿球接座頸部表面粗糙度以及樣品的主要尺寸進(jìn)行測量，結(jié)果見表5。由表5 可知，頂桿球接座頸部表面粗糙度與設(shè)計(jì)圖紙不符。頂桿球接座表面粗糙度將會影響其疲勞強(qiáng)度。球接座表面的加工粗糙度越高，其疲勞強(qiáng)度就越低。從微觀機(jī)制角度解釋，表面粗糙相當(dāng)于對表面的侵入和擠出，因此加快了疲勞裂紋形成的時(shí)間，降低了疲勞強(qiáng)度；從宏觀角度解釋，表面粗糙會造成微觀應(yīng)力集中，從而使疲勞強(qiáng)度降低。因此，頂桿球接座表面粗糙度大也是造成其開裂的促進(jìn)因素。

表5 表面粗糙度的測量結(jié)果

3 預(yù)防措施

通過以上分析，該應(yīng)急柴油機(jī)頂桿碎裂的原因可排除氣閥傳動機(jī)構(gòu)卡澀、頂桿彎曲、氣閥間隙過大、頂桿球接座材質(zhì)不合格等因素。導(dǎo)致頂桿碎裂的主要原因?yàn)轫敆U球接座和桿身的制造加工存在缺陷，即頂桿球接座和桿身失去過盈配合，使球接座軸肩承受高頻剪切應(yīng)力而發(fā)生疲勞開裂，同時(shí)，軸肩R 角處粗糙度不合格也促進(jìn)了球接座開裂。

為了避免類似故障再次發(fā)生，除了制造廠要加強(qiáng)尺寸和加工精度控制外，還需從以下3 個(gè)方面加強(qiáng)維護(hù)，才能最大限度地避免設(shè)備損壞。

（1）對于頂桿部件，除了要定期檢查頂桿彎曲度外，還要定期檢查頂桿球接座及桿身的配合情況。

（2）應(yīng)嚴(yán)格按核電廠的運(yùn)行管理規(guī)定執(zhí)行機(jī)組的運(yùn)行啟動任務(wù)，避免機(jī)組超速、超負(fù)荷運(yùn)行；定期檢查，確保測速及超速保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（3）嚴(yán)格按檢修規(guī)程進(jìn)行機(jī)組的檢修工作，頂桿的新備件在使用前要進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)測，在頂桿彎曲度檢測、氣閥間隙調(diào)整等關(guān)鍵工序應(yīng)設(shè)置質(zhì)量監(jiān)督控制點(diǎn)。

4 結(jié)束語

柴油機(jī)頂桿碎裂故障較為少見。通過實(shí)際案例，從頂桿的受力、安裝、制造等方面進(jìn)行驗(yàn)證分析，得出頂桿碎裂的原因?yàn)轫敆U制造加工缺陷。此項(xiàng)研究可為同類電廠在檢修類似設(shè)備及新備件監(jiān)造過程中確定關(guān)注點(diǎn)提供參考，以避免類似故障再次發(fā)生。