核電廠應急柴油機動力單元組件損壞原因分析

初向南，賴云亭，關建軍，韓 陽

(1.陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941；2.蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

2017年7月13日,某核電廠MTU956系列應急柴油發電機組按計劃執行設備40%額定功率平臺每月定期試驗。試驗上午11時54分開始,運行至12時14分,應急柴油發電機組A1-B1缸兩側曲軸箱觀察孔蓋板突然碎裂,曲軸平衡塊脫落并飛出，導致油底殼擊穿，伴隨大量潤滑油及冷卻水泄漏，柴油機潤滑油壓力低保護動作，試驗人員同步執行緊急停機干預，柴油機停運。經勘察，柴油機A1-B1缸動力單元組件損壞嚴重，曲軸平衡塊脫落、活塞裙、連桿大端瓦燒毀、連桿脫落、機身與曲軸受損、主潤滑油管道等曲軸、機身等核心部件報廢，造成巨大經濟損失，在中國核電柴油機領域引起前所未有的關注。本文主要通過科學檢測方法對事件發生的根本原因進行探究[1]，制定行之有效的預防措施，避免事件重發。

1 應急柴油機簡介

應急柴油機(柴油機)發電設備在核電站中作為后備電源使用，在核電廠失去全部外部電源的工況下，應急柴油發電機自動啟動，供給核反應堆安全停堆所需電能。事發核電廠選用的應急柴油機型號為MTU20 V956TB33，是由德國MTU柴油機廠(MTU)生產組裝，具有高轉速、大功率等特點。

柴油機為四沖程，機身采用V形布置(見圖1)，曲軸由13個滑動主軸承支撐在由主軸承座中，在曲軸輸出端設計有止推軸承實現曲軸的軸向定位。濕式缸套由特種鑄鐵離心澆鑄而成，安裝在機體左右兩側的缸套孔中。在機身的左右兩側各設計了8個觀察孔門和2個防爆孔門，用以維修和檢查運動部件的狀態，防止曲軸箱超壓。

圖1 柴油機機身結構圖Fig.1 Engine body structure

連桿采用并列結構，使曲軸受力均勻。組合式活塞，活塞頭與活塞裙內鑄有冷卻油槽，V形夾角內設計有活塞冷卻油噴嘴，連續不斷地向活塞內部噴入滑油，以帶走活塞頭熱量，降低活塞熱負荷。機身是柴油機的支撐基礎，整體鑄造而成，曲軸布置在中心線以下，左右兩側氣缸中心線成60°，V 形夾角中部有兩根鋼制主潤滑油管道，分別潤滑冷卻活塞及曲軸軸瓦等運動部件。動力單元結構如圖2所示，柴油機設備主要技術參數如表1所示。

圖2 柴油機動力單元結構Fig.2 A1-B1 power unit of engine

表1 MTU20V956TB33柴油機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of MTU20V956TB33

2 故障現象

現場勘查顯示柴油機A1-B1缸動力單元組件損壞極為嚴重，主要動力部件均有不同程度損傷：缸套碎裂、活塞裙與活塞頭分離并碎裂、連桿大端瓦剝落狀燒毀、連桿大端螺栓斷裂、連桿變形脫落、曲柄銷表面啃食過熱、平衡重緊固螺栓斷裂、曲軸損壞等關鍵組件損壞與機身報廢，其中平衡重緊固螺栓斷裂引起平衡重脫出，并擊穿油底殼和機身觀察孔門等，導致主潤滑油道與活塞冷卻油道斷裂[4]。損傷情況如圖3所示。

圖3 A1-B1缸動力單元組件損傷情況Fig.3 Damage situation of A1-B1 power unit

3 關鍵受損動力組件檢測分析及故障原因排查

通過對故障部件的收集和目視檢查，發現A1-B1缸氣缸套、兩側機身、油底殼等部件嚴重碎裂，斷口形貌不規則，應為受到連桿或平衡重等高速旋轉部件撞擊而產生，原發故障點的關鍵部件應在連桿組件、平衡重組件，從結構分析，能夠引起連桿或平衡重組件運行中失穩的主要零件包括平衡重螺栓、連桿大端瓦、連桿大端螺栓、連桿體等。因此以對上述組件進行材料學等全面檢測，根據結果綜合對比分析，定位引起本次故障的根本原因[8]。

3.1 連桿大端螺栓與平衡重螺栓材料學檢測分析

將發生損壞的柴油機A1-B1缸連桿大端螺栓平均分為兩份，分別送至蘇州熱工研究院(簡稱：SNPI)和MTU實驗室檢測，4顆平衡重緊固螺栓送至SNPI檢測。為了對比分析，將兩顆完好的連桿大端螺栓送去檢測。對螺栓的化學成分、硬度、金相、拉伸、沖擊等性能進行測試。為便于分析，根據螺栓所屬連桿的不同，將連桿大端螺栓與平衡重螺栓編碼如圖4所示。具體編碼：A1連桿大端螺栓分別是A1-1號、A1-2號、A1-3號、A1-4號；B1連桿大端螺栓分別是B1-1號、B1-2號、B1-3號、B1-4號；平衡重螺栓分別是1-1、2-2、3-3、4-4；兩顆完好的連桿大端螺栓編碼分別是M1-1號、M1-2號。

圖4 送檢螺栓位置與編號Fig.4 The Positions and Numbers of Bolts

3.1.1 化學成分

在送檢大端螺栓和平衡重螺栓上鉆取部分鐵屑，使用PerkinElmer Optima210 0DV電感耦合等離子體發射光譜儀和C、S分析儀進行化學成分分析，化學成分分析結果如表2所示。分析結果與柴油機廠家技術要求進行對比，結果顯示連桿大端螺栓化學成分滿足廠家對42CrMo4材質的技術要求，平衡重螺栓化學成分滿足廠家對34CrNiMo6材質的技術要求。

表2 連桿大端螺栓化學成分分析結果(質量比)Table 2 Chemical composition analysis results of con-rod bolts(Quality ratio)

3.1.2 硬度測試

根據GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，對送檢大端螺栓和平衡重螺栓取樣進行布氏硬度試驗測試[10]。測試設備為XHBT-3000ZⅢ型全自動布氏硬度計，試驗條件選用負荷187.5 kgf，負荷保持時間10 s。測試結果如表4所示，硬度試驗結果表明，送檢連桿大端螺栓及平衡重螺栓的硬度分布均較為均勻。

表3 平衡重螺栓化學成分分析結果(質量比)Table 3 Chemical composition analysis results of balance weight (Quality ratio)

表4 螺栓硬度測試結果Table 4 Bolts hardness test result

3.1.3 室溫拉伸性能測試

根據BS EN ISO 6892-1-2009《Metallic materials-Tensile testing Part 1:Method of test at ambient temperature》，對送檢螺栓取樣進行室溫拉伸試驗測試[11]。拉伸試驗使用日本AG-IC 100 kN 精密電子萬能材料試驗機，結果顯示連桿大端螺栓與平衡重螺栓拉伸強度均在廠家技術要求范圍內，與硬度間的轉換關系符合EN ISO 18265標準》[12]。測試結果如表5所示。

表5 螺栓硬度測試結果Table 5 Bolts hardness test result

3.1.4 金相分析

對送檢的螺栓取樣采用 ZEISS AXIOVERT 200 MAT 研究級倒置萬能金相顯微鏡進行金相檢驗[2]，放大到20 μm進行觀察，送檢螺栓的材料表層和心部組織均勻，顯微組織均為回火索氏體，內部未見夾雜物或氣孔。金相檢驗結果如圖5所示。

圖5 A1-1號螺栓金相圖Fig.5 A1-1# bolt metallographic picture

綜合上述檢測結果可判斷，送檢螺栓在化學成分、硬度、室溫抗拉性能、金相等方面均未見異常，證明連桿大端螺栓及平衡重緊固螺栓質量、性能指標滿足設計標準要求，突發斷裂導致連桿、平衡重失穩的概率低。

3.2 平衡重螺栓與連桿大端螺栓斷口分析

對送檢連桿大端螺栓斷口、平衡重螺栓斷口在掃描電鏡下進行微觀觀察，采用半定量選區掃描的方法，使用TESCAN VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡配合EDAX ENESIS2000X-Ray能譜儀對斷口區域進行微觀掃描與能譜分析，結果如圖6所示。

圖6 A1-2號連桿大端螺栓掃描電鏡檢測Fig.6 Scanning electron microscope test result of A1-2# con-rod bolt

根據斷口形貌分析[3]，A1-2號連桿大端螺栓為首斷件，斷面宏觀可見纖維狀條帶特征，源區微觀呈現臺階狀磨損特征，可見疲勞條帶，未發現夾雜物顆粒及機加工刀痕等異常，源區附近擴展區可見疲勞條帶、二次裂紋及韌窩混合特征，快速擴展區為韌窩形貌，斷口附近牙底均可見周向連續的整圈裂紋，裂紋內存在較多的二次裂紋，診斷該斷口為典型的低周疲勞斷裂。A1-1號連桿大端螺栓隨后斷裂，斷口有明顯的塑性變形，斷面凹凸不平，邊緣小范圍區域宏觀上可見纖維狀條帶特征，微觀上源區呈現為臺階狀磨損特征，可見疲勞條帶，未發現夾雜物顆粒及機加工刀痕等異常，源區附近擴展區可見疲勞條帶、二次裂紋及韌窩混合特征，終斷區面積較大，為韌窩形貌特征?？梢娫摂嗫跒榈椭芷诏B加韌性過載混合型斷裂。A1-3號、A1-4號、B1-3號、B1-4號連桿大端螺栓均為韌性過載斷裂，宏觀可見塑性變形特征，微觀上各區域均為韌窩形貌，源區未發現夾雜物顆粒及機加工刀痕等異常。B1-1號、B1-2號螺栓因承受氣缸工作時的交變應力產生塑性變形損傷，螺桿縮頸并從螺栓孔內松脫。而平衡重螺栓斷裂發生在連桿大端螺栓斷裂之后，斷裂性質均為韌性過載斷裂。

查詢連桿大端螺栓與平衡重螺栓裝配記錄，確認連桿大端螺栓在裝配時嚴格按照文件規定的方法進行安裝，并經QC雙重驗證刻線到位，螺栓質量、組裝工藝均無異常，說明螺栓斷裂非本次事件原發故障點，是由于連桿大端瓦燒毀后，連桿大端孔與曲軸曲柄間的間隙增大，柴油機運行時氣缸的爆燃壓力對連桿大端螺栓產生交變沖擊應力，進而導致螺栓疲勞斷裂。

3.3 連桿大端瓦檢測分析

油底殼清理檢查過程中，僅找到連桿大端瓦的剝落狀碎片，未發現完整的A1-B1缸連桿大端瓦殘片。目視檢查發現連桿大端瓦座和對應的曲柄銷表面有過熱發黑現象。根據金屬回火后表面顏色判斷，連桿大端瓦與曲柄銷接觸位置產生約300～500 ℃的高溫，超出連桿大端瓦巴氏合金工作溫度(約160 ℃)，導致連桿大端瓦燒毀。

拆卸剩余18個氣缸的連桿大端瓦，進行著色探傷檢查，未發現瓦面有脫胎、氣孔等制造缺陷。取B2缸連桿大端瓦送德國MIBA軸瓦生產廠家進行專業檢測，檢測結果如表6所示。結果顯示該連桿大端瓦工作面光潔如新，化學成分、硬度、幾何尺寸均符合軸瓦廠家標準，同批次連桿大端瓦存在初始質量缺陷而導致軸瓦燒毀為小概率事件。

表6 連桿大端瓦檢測結果Table 6 Inspection result of con-rod bearings

3.4 主軸瓦檢測分析

為查找連桿大端瓦燒毀的原因，將位于A1-B1缸連桿大端瓦潤滑油路上下游最近的2號、3號主軸瓦進行了拆檢，其中在2號主軸瓦下瓦工作面的中間部位發現一條寬約1.32 mm的較深劃痕[見圖7(a)]，劃痕邊緣有凸起，屬硬質顆粒異物造成，下瓦瓦角處存在多條密集劃痕；將2號主軸瓦送實驗室檢測，分析上下瓦劃痕的成因，在多處月牙形的異物壓痕，壓痕表面呈現機加工碎屑形貌[見圖7(b)]，在其中一處月牙形壓痕中找到少量異物的殘留碎屑，經光譜分析確認，殘留異物的材質為Cr/Ni合金鋼，化學成分與曲軸制造材料34CrNiMo6相符[5]。

圖7 2號主軸瓦下瓦劃痕分析Fig.7 Analysis of the scratches on the lower 2# main bearing

掃描電鏡下觀察2號主軸瓦上瓦，發現上瓦邊緣處存在密集劃痕，形貌為金屬刷狀，劃痕中找到少量殘留異物，光譜分析確認異物主要成分為Al/Cu合金，該材質未使用在柴油機設備上，為外部引入異物，異物形貌及成分如圖8所示。

圖8 2號主軸瓦上瓦劃痕分析Fig.8 Analysis of the scratches on the upper 2# main bearing

檢查結果表明主軸瓦潤滑油回路中存在異物，異物造成2號主軸瓦劃痕但未留在主軸瓦表面，根據潤滑油流程可知，異物隨潤滑油流入下游A1-B1缸連桿大端瓦與曲軸配合的工作面，并造成連桿大端瓦燒毀。

3.5 潤滑油過濾器檢查分析

為查找異物進入潤滑油系統的原因，現場拆檢了柴油機主潤滑油過濾器，發現柴油機潤滑油過濾器為雙重過濾結構，首層濾芯為紙質，二層濾芯為免維護金屬縫隙濾，雙重濾芯均完整，過濾精度為微米級，異物無法通過濾芯進入潤滑油系統。切割紙質濾芯，取濾芯表面金屬殘留物進行微觀檢測[9]與光譜分析，分析結果如圖9所示。根據分析結果，確認濾芯表面金屬均為軸瓦、曲軸磨損后的產物，無其他特征成分，由此推斷潤滑油系統內異物應為曲軸制造或裝配階段殘留。

圖9 濾芯殘留物分析Fig.9 Analysis of residue on oil filters

綜合上述各項檢測結果分析，曲軸在機加工階段產生的金屬殘余碎屑與清潔金屬刷殘留在曲軸潤滑油道中，在柴油機運行時異物隨潤滑油進入2號主軸瓦工作面，劃傷2號主軸瓦繼而產生新的巴氏合金碎屑，新舊異物繼續隨潤滑油進入A1-B1缸連桿大端瓦工作面，因連桿大端瓦與曲柄銷配合間隙較主軸瓦與曲軸軸頸的間隙小，且柴油機運行中連桿大端瓦承受來自氣缸內爆燃產生的、沿連桿軸向作用的交變沖擊，導致新舊異物殘留在A1-B1缸連桿大端瓦表面，造成連桿大端瓦磨損，瓦面巴氏合金層逐步變薄，連桿大端孔與曲柄銷的配合間隙逐漸增大，氣缸爆燃時連桿大端孔與曲柄銷產生撞擊，導致A1-1號/2號連桿大端螺栓疲勞斷裂，進而導致其他螺栓過載斷裂，連桿失去定位開始在曲軸箱內掃膛，擊碎缸套與活塞裙，擊穿機身V形夾角內的潤滑油管，造成潤滑油壓力保護動作，連桿失穩后，曲軸失去動平衡，平衡重螺栓在離心力作用與連桿的撞擊下過載斷裂，進而造成柴油機動力單元組件損壞。

4 結論

經對損壞的MTU956柴油機全面拆檢及檢測可知，導致柴油機A1-B1缸動力單元組件損壞故障的最可能原因為曲軸制造階段的機加工碎屑、簇狀金屬刷異物殘留在潤滑油回路，隨潤滑油進入A1-B1連桿大端瓦燒毀連桿大端瓦，最終導致A1-B1缸動力單元組件損壞。

縱觀此次事件，根本原因為廠家曲軸制造或裝配階段的清潔度把控不嚴，核心部件內存在異物未被及時發現，后續廠家需要進一步規范防異物質量控制，提升設備清潔方法，從根本上杜絕事件重發。除此以外，目前國際上知名應急柴油機廠家均已開發并應用在線軸瓦溫度監測系統，通過在主軸瓦瓦座、曲軸箱觀察孔門等位置安裝高精度溫度傳感器感知流經軸瓦的潤滑油溫度變化，進而判斷軸瓦的工作狀態，捕捉軸瓦異常磨損的先兆信息[7]，可提早發現故障隱患，及時干預停機，避免設備損壞。

未來隨著計算機革命的深入推進，大數據信息系統的應用，振動分析能力將不斷加強，通過對振動幅值、加速度的變化分析典型異常振動來源將會更加有效的提升故障感知水平，提高核電廠應急柴油機可靠性。