【船机帮】MTU956应急柴油机动力单元组件损坏原因分析

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导读

2017年7月13 日，某核电厂MTU956系列应急柴油发电机组按计划执行设备40%额定功率平台每月定期试验。

试验上午11时54分开始，运行至12时14 分，应急柴油发电机组A1-B1 缸两侧曲轴箱观察孔盖板突然碎裂，曲轴平衡块脱落并飞出，导致油底壳击穿，伴随大量润滑油及冷却水泄漏，柴油机润滑油压力低保护动作，试验人员同步执行紧急停机干预，柴油机停运。

经勘察，柴油机A1-B1缸动力单元组件损坏严重，曲轴平衡块脱落、活塞裙、连杆大端瓦烧毁、连杆脱落、机身与曲轴受损、主润滑油管道等曲轴、机身等核心部件报废，造成巨大经济损失，在中国核电柴油机领域引起前所未有的关注。

本文主要通过科学检测方法对事件发生的根本原因进行探究[1]，制定行之有效的预防措施，避免事件重发。

一、应急柴油机简介

应急柴油机（柴油机〉发电设备在核电站中作为后备电源使用，在核电厂失去全部外部电源的工况下，应急柴油发电机自动启动，供给核反应堆安全停堆所需电能。

事发核电厂选用的应急柴油机型号为MTU20 V956TB33，是由德国MTU柴油机厂(MTU)生产组装，具有高转速、大功率等特点。

图１ 柴油机机身结构图

柴油机为四冲程，机身采用V形布置(见图1)，曲轴由13个滑动主轴承支撑在由主轴承座中，在曲轴输出端设计有止推轴承实现曲轴的轴向定位。湿式缸套由特种铸铁离心浇铸而成，安装在机体左右两侧的缸套孔中。

在机身的左右两侧各设计了8个观察孔门和2个防爆孔门，用以维修和检查运动部件的状态，防止曲轴箱超压。

连杆采用并列结构，使曲轴受力均匀。组合式活塞，活塞头与活塞裙内铸有冷却油槽，V形夹角内设计有活塞冷却油喷嘴，连续不断地向活塞内部喷入滑油，以带走活塞头热量，降低活塞热负荷。机身是柴油机的支撑基础，整体铸造而成，曲轴布置在中心线以下，左右两侧气缸中心线成60°，Ｖ形夹角中部有两根钢制主润滑油管道，分别润滑冷却活塞及曲轴轴瓦等运动部件。

动力单元结构如图２所示，柴油机设备主要技术参数如表１所示。

图２ 柴油机动力单元结构

二、故障现象

现场 勘 查 显 示 柴 油 机 A1-B1缸动力单元组件损坏极为严重，主要动力部件均有不同程度损伤：

缸套碎裂、活塞裙与活塞头分离并碎裂、连杆大端瓦剥落状烧毁、连杆大端螺栓断裂、连杆变形脱落、曲柄销表面啃食过热、平衡重紧固螺栓断裂、曲轴损坏等关键组件损坏与机身报废，其中平衡重紧固螺栓断裂引起平衡重脱出，并击穿油底壳和机身观察 孔 门等，导致主润滑油道与活塞冷却油道断裂［４］。

损伤情况如图３所示。

(a)A1-B1缸曲轴轴颈仰视图

（b）A1-B1缸连杆损伤情况

图３ Ａ１－Ｂ１缸动力单元组件损伤情况

三、关键受损动力组件

检测分析及故障原因排查

通过对故障部件的收集和目视检查，发现A1-B1 缸气缸套、两侧机身、油底壳等部件严重碎裂，断口形貌不规则，应为受到连杆或平衡重等高速旋转部件撞击而产生，原发故障点的关键部件应在连杆组件、平衡重组件，从结构分析，能够引起连杆或平衡重组件运行中失稳的主要零件包括平衡重螺栓、连杆大端瓦、连杆大端螺栓、连杆体等。

因此以对上述组件进行材料学等全面检测，根据结果综合对比分析，定位引起本次故障的根本原因[8]。

1、连杆大端螺栓与平衡重螺栓材料学检测分析

将发生损坏的柴油机 A1-B1缸连杆大端螺栓平均分为两份，分别送至苏州热工研究院(简称:SNPI)和 MTU实验室检测，4颗平衡重紧固螺栓送至SNPI检测。

为了对比分析，将两颗完好的连杆大端螺栓送去检测。对螺栓的化学成分、硬度、金相、拉伸、冲击等性能进行测试。

为便于分析，根据螺栓所属连杆的不同，将连杆大端螺栓与平衡重螺栓编码如图4所示。

图４ 送检螺栓位置与编号

具体编码:

A1连杆大端螺栓分别是A1-1号、A1-2号、A1-3号、A1-4号;Bl连杆大端螺栓分别是 B1-1 号、B1-2号、Bl-3号、B1-4号；平衡重螺栓分别是1-1、2-2、3-3、4-4;两颗完好的连杆大端螺栓编码分别是M1-1号、M1-2号。

（1）化学成分

在送检大端螺栓和平衡重螺栓上钻取部分铁屑，使用PerkinElmer Optima210 0DV电感耦合等离子体发射光谱仪和C、S分析仪进行化学成分分析，化学成分分析结果如表2所示。

分析结果与柴油机厂家技术要求进行对比，结果显示连杆大端螺栓化学成分满足厂家对42CrMo4材质的技术要求，平衡重螺栓化学成分满足厂家对34CrNiMo6材质的技术要求。

2、硬度测试

根据GB/T231.1——2009《金属材料布氏硬度试验第Ⅰ部分:试验方法》，对送检大端螺栓和平衡重螺栓取样进行布氏硬度试验测试[10]。

测试设备为XHBT-3000ZⅢ型全自动布氏硬度计，试验条件选用负荷187.5 kgf，负荷保持时间10s。

测试结果如表4所示，硬度试验结果表明，送检连杆大端螺栓及平衡重螺栓的硬度分布均较为均匀。

3、室温拉伸性能测试

根据BS EN ISO 6892-1-2009《 Metallicmaterials-Tensile testing Part 1 : Method oftest at a mbient temperature》，对送检螺栓取样进行室温拉伸试验测试[11]。

拉伸试验使用日本AG-IC 100 kN精密电子万能材料试验机，结果显示连杆大端螺栓与平衡重螺栓拉伸强度均在厂家技术要求范围内，与硬度间的转换关系符合EN ISO 18265标准》[12]。

测试结果如表5所示。

4、金相分析

对送检的螺栓取样采用ZEISSAXIOVERT 200 MAT研究级倒置万能金相显微镜进行金相检验[2]，放大到20 um进行观察，送检螺栓的材料表层和心部组织均匀，显微组织均为回火索氏体，内部未见夹杂物或气孔。

金相检验结果如图5所示。

图５ Ａ１－１号螺栓金相图

综合上述检测结果可判断，送检螺栓在化学成分、硬度、室温抗拉性能、金相等方面均未见异常，证明连杆大端螺栓及平衡重紧固螺栓质量、性能指标满足设计标准要求，突发断裂导致连杆、平衡重失稳的概率低。

2、平衡重螺栓与连杆大端螺栓断口分析

对送检连杆大端螺栓断口、平衡重螺栓断口在扫描电镜下进行微观观察，采用半定量选区扫描的方法，使用'TESCAN VEGA TS5136XM扫描电子显微镜配合EDAX ENESIS2000X-Ray 能谱仪对断口区域进行微观扫描与能谱分析，结果如图6所示。

图６ Ａ１－２号连杆大端螺栓扫描电镜检测

根据断口形貌分析[3]，A1-2号连杆大端螺栓为首断件，断面宏观可见纤维状条带特征，源区微观呈现台阶状磨损特征，可见疲劳条带，未发现夹杂物颗粒及机加工刀痕等异常，源区附近扩展区可见疲劳条带、二次裂纹及韧窝混合特征，快速扩展区为韧窝形貌，断口附近牙底均可见周向连续的整圈裂纹，裂纹内存在较多的二次裂纹，诊断该断口为典型的低周疲劳断裂。

A1-1号连杆大端螺栓随后断裂，断口有明显的塑性变形，断面凹凸不平，边缘小范围区域宏观上可见纤维状条带特征,微观上源区呈现为台阶状磨损特征，可见疲劳条带，未发现夹杂物颗粒及机加工刀痕等异常，源区附近扩展区可见疲劳条带、二次裂纹及韧窝混合特征，终断区面积较大，为韧窝形貌特征。可见该断口为低周疲劳叠加韧性过载混合型断裂。

A1-3号、A1-4号、Bl-3号、B1-4号连杆大端螺栓均为韧性过载断裂，宏观可见塑性变形特征，微观上各区域均为韧窝形貌，源区未发现夹杂物颗粒及机加工刀痕等异常。

B1-1号、Bl-2号螺栓因承受气缸工作时的交变应力产生塑性变形损伤，螺杆缩颈并从螺栓孔内松脱。

而平衡重螺栓断裂发生在连杆大端螺栓断裂之后，断裂性质均为韧性过载断裂。

查询连杆大端螺栓与平衡重螺栓装配记录，确认连杆大端螺栓在装配时严格按照文件规定的方法进行安装，并经QC双重验证刻线到位，螺栓质量、组装工艺均无异常，说明螺栓断裂非本次事件原发故障点，是由于连杆大端瓦烧毁后，连杆大端孔与曲轴曲柄间的间隙增大，柴油机运行时气缸的爆燃压力对连杆大端螺栓产生交变冲击应力，进而导致螺栓疲劳断裂。

3、连杆大端瓦检测分析

油底壳清理检查过程中，仅找到连杆大端瓦的剥落状碎片，未发现完整的A1-B1缸连杆大端瓦残片。目视检查发现连杆大端瓦座和对应的曲柄销表面有过热发黑现象。

根据金属回火后表面颜色判断，连杆大端瓦与曲柄销接触位置产生约300～500 ℃的高温，超出连杆大端瓦巴氏合金工作温度（约160 ℃)，导致连杆大端瓦烧毁。

拆卸剩余18个气缸的连杆大端瓦，进行着色探伤检查，未发现瓦面有脱胎、气孔等制造缺陷。

取 B2缸连杆大端瓦送德国MIBA轴瓦生产厂家进行专业检测，检测结果如表6所示。

结果显示该连杆大端瓦工作面光洁如新，化学成分、硬度、几何尺寸均符合轴瓦厂家标准，同批次连杆大端瓦存在初始质量缺陷而导致轴瓦烧毁为小概率事件。

4、主轴瓦检测分析

图７ ２号主轴瓦下瓦划痕分析

为查找连杆大端瓦烧毁的原因，将位于A1-B1缸连杆大端瓦润滑油路上下游最近的2号、3号主轴瓦进行了拆检，其中在2号主轴瓦下瓦工作面的中间部位发现一条宽约1. 32 mm的较深划痕[见图7 (a〉]，划痕边缘有凸起，属硬质颗粒异物造成，下瓦瓦角处存在多条密集划痕;将⒉号主轴瓦送实验室检测，分析上下瓦划痕的成因，在多处月牙形的异物压痕，压痕表面呈现机加工碎屑形貌[见图7 (b)]，在其中一处月牙形压痕中找到少量异物的残留碎屑，经光谱分析确认，残留异物的材质为Cr/Ni合金钢，化学成分与曲轴制造材料34CrNiMo6相符[5]。

扫描电镜下观察⒉号主轴瓦上瓦，发现上瓦边缘处存在密集划痕，形貌为金属刷状，划痕中找到少量残留异物，光谱分析确认异物主要成分为Al/Cu合金，该材质未使用在柴油机设备上，为外部引入异物，异物形貌及成分如图8所示。

图８ ２号主轴瓦上瓦划痕分析

检查结果表明主轴瓦润滑油回路中存在异物，异物造成2号主轴瓦划痕但未留在主轴瓦表面，根据润滑油流程可知，异物随润滑油流入下游A1-B1缸连杆大端瓦与曲轴配合的工作面，并造成连杆大端瓦烧毁。

5、润滑油过滤器检查分析

为查找异物进入润滑油系统的原因，现场拆检了柴油机主润滑油过滤器，发现柴油机润滑油过滤器为双重过滤结构，首层滤芯为纸质，二层滤芯为免维护金属缝隙滤，双重滤芯均完整，过滤精度为微米级，异物无法通过滤芯进入润滑油系统。切割纸质滤芯，取滤芯表面金属残留物进行微观检测[9]与光谱分析，分析结果如图9所示。

图９ 滤芯残留物分析

根据分析结果，确认滤芯表面金属均为轴瓦、曲轴磨损后的产物，无其他特征成分，由此推断润滑油系统内异物应为曲轴制造或装配阶段残留。

综合上述各项检测结果分析，曲轴在机加工阶段产生的金属残余碎屑与清洁金属刷残留在曲轴润滑油道中，在柴油机运行时异物随润滑油进入﹖号主轴瓦工作面，划伤⒉号主轴瓦继而产生新的巴氏合金碎屑，新旧异物继续随润滑油进入A1-B1缸连杆大端瓦工作面，因连杆大端瓦与曲柄销配合间隙较主轴瓦与曲轴轴颈的间隙小，且柴油机运行中连杆大端瓦承受来自气缸内爆燃产生的、沿连杆轴向作用的交变冲击，导致新旧异物残留在A1-B1缸连杆大端瓦表面，造成连杆大端瓦磨损，瓦面巴氏合金层逐步变薄，连杆大端孔与曲柄销的配合间隙逐渐增大，气缸爆燃时连杆大端孔与曲柄销产生撞击，导致A1-1 号/2号连杆大端螺栓疲劳断裂，进而导致其他螺栓过载断裂，连杆失去定位开始在曲轴箱内扫膛，击碎缸套与活塞裙，击穿机身V形夹角内的润滑油管﹐造成润滑油压力保护动作，连杆失稳后，曲轴失去动平衡，平衡重螺栓在离心力作用与连杆的撞击下过载断裂，进而造成柴油机动力单元组件损坏。

四、结论

经对损坏的MTU956柴油机全面拆检及检测可知，导致柴油机 A1-B1缸动力单元组件损坏故障的最可能原因为曲轴制造阶段的机加工碎屑、簇状金属刷异物残留在润滑油回路，随润滑油进入A1-Bl连杆大端瓦烧毁连杆大端瓦，最终导致A1-Bl 缸动力单元组件损坏。

纵观此次事件，根本原因为厂家曲轴制造或装配阶段的清洁度把控不严，核心部件内存在异物未被及时发现，后续厂家需要进一步规范防异物质量控制，提升设备清洁方法，从根本上杜绝事件重发。

除此以外，目前国际上知名应急柴油机厂家均已开发并应用在线轴瓦温度监测系统，通过在主轴瓦瓦座、曲轴箱观察孔门等位置安装高精度温度传感器感知流经轴瓦的润滑油温度变化，进而判断轴瓦的工作状态，捕捉轴瓦异常磨损的先兆信息，可提早发现故障隐患，及时干预停机，避免设备损坏。

未来随着计算机革命的深入推进，大数据信息系统的应用，振动分析能力将不断加强，通过对振动幅值、加速度的变化分析典型异常振动来源将会更加有效的提升故障感知水平，提高核电厂应急柴油机可靠性。

参考文献

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[11] EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZA-TION. BS EN ISO 6892-1 Metallic materials.Tensiletesting.Method of test at ambient temperature[ s].British: the authority of the Standards Policy and Strat-egy Committee,2009.

[12] EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZA-TION EN ISO 18265 Metallic materials Conversion ofhardness values[S].British : the authority of the Stand-ards Policy and Strategy Committee,2009.

原创作者系：

阳江核电有限公司    初向南

苏州热工研究院有限公司

赖云亭，关建军，韩 阳