汽輪機調節汽門油動機漏油原因分析及處理

張仁水ZHANG Ren-shui

（中廣核核電運營有限公司，深圳 518120）

0 引言

A 核電站汽機調節系統通過調節汽機進汽閥對機組進行功率、頻率、壓力和應力控制，并對機組的負荷和轉速實施超速、超加速、負荷速降和蒸汽需求限制，使機組安全和經濟地運行于各種工況，滿足供電的頻率和功率的要求。汽機進汽閥由驅動機構控制，驅動機構由柱形體、重型復位彈簧和油動機組成，通過油動機內部油壓克服彈簧力開啟閥門，失去動力油時依靠彈簧力使閥門關閉。

油動機泄漏有導致汽門關閉的風險，汽門正常關閉會影響汽輪機功率，汽門突然關閉會導致汽輪機出現機組瞬態甩負荷，如果出現共模故障，四個高壓缸進汽通道關閉，則會違背最小系統原則，產生汽輪機脫扣保護信號導致機組跳閘。

油動機泄漏還會對系統油壓、油箱液位產生影響，油壓低、液位低均有相應的跳機保護信號。

為了確保汽輪機長期在某一閥位運行后，各調節閥在其它閥位均能夠活動靈活，從而確保在汽機發生甩負荷或跳閘情況能迅速響應，汽機不會發生超速，及時發現閥門存在的問題，機組會定期執行閥門帶負荷試驗，當油動機發生泄漏時，還需考慮對閥門帶負荷試驗的影響，避免試驗過程中出現機組瞬態。

油動機端蓋泄漏故障在機組運行期間無法檢修，需要充分論證是否需要停機檢修，還是采取其他措施維持運行。

1 油動機密封結構

汽輪機調節汽門驅動機構如圖1 所示，油動機如圖2所示。油動機主要由活塞缸、活塞、大端蓋、小端蓋等組成，水平布置。大端蓋內部設計有導向銅套，主要為油動機活塞桿提供導向作用，小端蓋內部設計有復合密封和刮油環，主要起密封作用。

圖1 汽輪機調節汽門驅動機構

圖2 油動機結構

小端蓋密封結構如圖3，復合密封（composite seal）由橡膠圈和聚四氟乙烯環組成，兩部分都有密封作用，橡膠圈對聚四氟乙烯環有補償作用，聚四氟乙烯環對橡膠圈起支撐作用并兼有軸承和導向功能。正常情況下復合密封和活塞桿之間有一層油膜起密封和潤滑作用。

圖3 小端蓋密封結構

刮油環（wiper）主要作用是清潔暴露在外部的活塞桿，阻止污泥、大顆粒雜質、灰塵和水分等異物進入，保護復合密封；另外還能阻止越過復合密封的油外漏。油動機以抗燃油為工作介質，復合密封橡膠圈和刮油環設計上采用氟橡膠材質，避免腐蝕。

在小端蓋復合密封和刮油環之間設計有檢漏油孔，與油動機缸體檢漏孔相通，如果復合密封不嚴則抗燃油經過小端蓋檢漏油孔從油動機缸體的檢漏孔流出，經過引漏油管至廢液收集箱。

2 油動機泄漏分析及處理

2.1 故障現象

A2 機組正常期間，一臺汽輪機調節汽門驅動機構油動機高壓端出現漏油，油動機缸體檢漏孔接頭下方堆積有黑色粉末狀排出物，疑似油動機端蓋密封的磨損產物。進一步檢查發現另外兩臺汽輪機調節汽門驅動機構油動機也存在不同程度泄漏。每天在廢液收集箱引漏油管處收集并測量泄漏量，發現泄漏趨勢不穩定，最小時幾乎沒有泄漏，最大時三個汽門油動機總計泄漏率約16L/天。

根據設備結構和故障現象分析，導致油動機高壓端小端蓋發生泄漏的原因是復合密封異常磨損，油缸內壓力油從復合密封向外側泄漏，從檢漏孔處排出。造成復合密封磨損的原因可能有以下幾個方面：

①當活塞桿往復運動時將雜質帶入復合密封與活塞桿相對運動的密封面，導致復合密封面產生刮痕或磨損，設備長時間運行，磨損量逐步增大，發生泄漏。

②活塞桿表面損傷、活塞桿與端蓋不同心導致復合密封出現不正常的磨損而壽命減短。

③復合密封加工尺寸偏差，內徑尺寸偏小會導致密封配合過盈量過大，加速復合密封的磨損。

2.2 泄漏量分析

為了評估油動機泄漏對機組的影響，需分析能夠滿足機組運行的最大允許泄漏率。

2.2.1 理論計算

在高壓端端蓋復合密封完全失效的條件下，活塞桿與端蓋導向銅套的圓環間隙決定了油動機的最大泄漏率。泄漏的流體在一維軸對稱同軸圓形環間隙中流動。

參考《過程裝備密封技術》圓環間隙流動計算方法，計算過程如下：

流體在圓環間隙的流動泄漏率方程為：

圖4 同軸圓環間隙泄漏模型

沿軸向方向產生的壓力梯度為：

將（2）式帶入（1）式可得體積流率為：

固定開度下活塞桿與導向銅套相對靜止不動，邊界面相對速度U=0。閥門行程111.76mm，開關時間沒有明確要求，帶負荷試驗時約為5s 左右，閥門開關過程中活塞桿運動速度很低，可以忽略不計，則體積泄漏率為：

油系統主油泵出口壓力為138bar，根據閥門油壓和閥位特性曲線對應關系，機組滿功率時調節汽門開度為39%~42%，油動機對應油壓P1約為50bar，圓環間隙泄漏出口與大氣相通，Δp=50bar。

環形間隙高度h0在軸向和周向均保持不變?；钊麠U與銅套間隙設計標準為0.045~0.054mm，取上限0.054mm，則間隙高度h0=0.027mm。

銅套直徑為D=101.6mm，銅套長度即間隙流動方向上的長度為L=75mm，間隙寬度為b=πD。

實測抗燃油運動黏度ν=42mm2/s、密度為ρ=1150kg/m3

動力黏度η=ν·ρ=42×10-6×1150=4.83×10-2pa·s

帶入（4）計算可得：

則一天24 小時內泄漏總量約為：7.2226×10-4×24×3600=62.403L

圖5 軸線平行的不同軸圓形環隙的流動

當間隙較小時，孔和軸是不完全同心的，假設其為軸線平行的不同軸圓形環間隙中的流動，間隙沿著軸線不變而圓周方向是不斷改變的，需對計算結果進行修正。

此時，如果孔和軸的相對偏心率為ε，則相應的體積泄漏率為：Qe=Q0（1+1.5ε2）

在軸完全靠在孔上時的偏心率，則此時體積泄漏率為：Qe=2.5Q0=156.01L/天

另外，考慮汽門開關過程中的油壓變化，以正常情況下系統可能達到的最大油壓138bar 代入以上計算過程，得出相應的泄漏率為172.23L/天~430.58L/天。

2.2.2 模擬試驗

將油動機備件拆除高壓端端蓋的復合密封，在試驗臺上模擬汽門運行狀態，油壓50bar 時進行泄漏量檢測，實測泄漏率為83.28L/天。油壓為138bar 時，實測泄漏率為185.81L/天。實測值在理論計算最小值與最大值之間，影響結果的主要原因是泄漏不完全為層流，試驗油動機環形間隙為0.05mm，小于設計值上限，另外一般情況下活塞桿與銅套同心度較好，偏心率較小。

表1 密封完全失效情況泄漏率計算和試驗結果

油動機試驗臺上齒輪泵的流量為20L/min，試驗過程中，試驗壓力為50bar 或138bar 時持續監測，都未出現油泵供油壓力下降或波動的現象?，F場主油泵的實際流量為196L/min，遠大于試驗臺油泵，可靠性更高。

2.2.3 處理措施

根據汽門的結構特點、主油泵流量以及在試驗臺上進行的模擬試驗等綜合分析，單個油動機泄漏量難以達到理論計算極限，一般不會造成系統壓力下降進而導致汽門關閉，機組的正常運行風險可控，也不影響閥門帶負荷試驗的執行。

油系統主油箱最大容積1.64m3，工作容量約為1.23m3，當液位低于0.56m 對應油量約0.59m3時會觸發主油泵停運，油壓下降，汽輪機跳閘。油動機持續泄漏會影響液位，是影響機組安全運行的最大風險，每天需跟蹤泄漏量及液位變化，及時采取補油等措施。

故障處理項目組保守決定當達到線狀泄漏即泄漏率約43.2 升/天時，需要啟動應急預案。預案主要內容包括通過油動機的引漏管取樣，對漏油進行分析化驗，確定油質狀況滿足系統正常使用后將油動機的引漏管接頭與集管塊上的回油盒上的接頭用軟管相連，將漏油引入到回油管內排回油箱?；蛘邔⑴R時濾油機放置油室中，將漏油接入到臨時濾油機中，濾油機進行自循環，化驗合格后再倒回備用油箱中。因泄漏率未達到標準，回收泄漏油的方案未啟動，在風險可控的情況下保持正常運行至大修。

3 最終解體檢查情況

大修期間對三臺調節汽門進行解體檢修，發現油動機高壓端小端蓋復合密封磨損嚴重，刮油環嚴重腐蝕，并在端蓋上分布大量磨損產物和腐蝕產物，低壓端情況較好，符合預期。通過檢查也排除了復合密封尺寸偏差問題。

對拆下的復合密封和刮油環進行檢驗分析。復合密封材質為氟橡膠和聚四氟乙烯，模擬試驗結果表明這兩種材質在磷酸酯抗燃油中性質穩定，過濾分離的雜質顆粒中墊圈碎片和油品氧化生成的顆粒均獨立存在。刮油環材質錯誤，非氟橡膠材質，模擬試驗結果表明其在磷酸酯抗燃油中會受到腐蝕影響，形成橡膠碎片和油品變質物的復合顆粒。

高壓調節汽門穩定保持在40%左右的開度，在復合密封作用下抗燃油不會泄漏，刮油環接觸不到抗燃油，當閥門進行開關動作，活塞桿通過復合密封時會有微量抗燃油附著，當帶油的活塞桿通過刮油環時會使刮油環接觸抗燃油，產生一定腐蝕。

油動機水平布置，在重力作用下活塞桿與復合密封下半部分偏磨，檢修時發現高壓調節汽門油動機活塞桿在40%開度左右普遍存在鍍鉻層輕微磨損，活塞桿缺陷也會加速復合密封的磨損，增加抗燃油泄漏量。

現場測量溫度對比，油動機高壓端小端蓋溫度高于低壓端端蓋溫度而且高壓端沒有防塵罩，活塞桿裸露在外，容易積聚雜質，部分硬質顆?？赡軙ㄟ^刮油環，日積月累雜質不僅傷害復合密封還會在端蓋引漏孔處堆積，導致排油不暢，產生積油進而腐蝕刮油環。

綜合分析，非氟橡膠的刮油環接觸到較多抗燃油后發生腐蝕，腐蝕產生的顆粒又隨活塞桿運動進入到復合密封中，破壞密封油膜，形成惡性循環，導致刮油環和復合密封發生嚴重的腐蝕和磨損。

B 核電站油動機的端蓋密封為斯特封（step seal）形式，與A 核電站完全不同，斯特封具有摩擦力低、無爬行、啟動力小、耐高壓、不易磨損等優點，可靠性更高。從檢修歷史看，B 核電站油動機未發現端蓋密封磨損和漏油的情況。

根據分析結果維修人員采取了更換氟橡膠材質刮油環的措施解決了端蓋泄漏問題，并推動油動機替代改造，消除了重大設備隱患。

4 結束語

本文針對油動機漏油異常進行了根本原因分析，通過現場跟蹤排查、分析計算泄漏率對機組造成的影響以及離線試驗驗證保證了機組安全穩定運行。在大修時對油動機進行全檢，鎖定了造成油動機泄漏的根本原因是刮油環材質錯誤。后續電廠采購了密度儀輔助判斷密封件材質，加強了備件驗收管理，取得了良好效果。最終通過更換油動機端蓋的密封形式，徹底解決重大設備隱患，也為處理類似設備故障提供了寶貴的借鑒經驗。