某核电厂SKF整体螺栓拉伸机空气压缩机跳闸故障原因分析及处理
许昕 朱云驰 胡建强 赵龙 吉敏荣
【摘? 要】某核电厂SKF整体螺栓拉伸机（MSTM）在大修使用过程中发生空气压缩机频繁跳闸的故障，导致反应堆开关盖关键路径工作工期延长。通过分析电路图，结合现场排查，最终确定故障的根本原因，并有效地处理了跳闸故障，使空气压缩机运行恢复正常。
【Abstract】During the process of overhauling and using of SKF multi-stud tension machine（MSTM） in a nuclear power plant， the frequent trip fault of air compressor occurred， which resulted in the extension of critical path working period of reactor switch cover. Through the analysis of the circuit diagram， combined with on-site investigation， the root cause of the fault was finally determined， and the trip fault was effectively treated， so that the operation of air compressor returned to normal.
【关键词】整体螺栓拉伸机;空气压缩机;卸荷阀
【Keywords】multi-stud tension machine; air compressor; unloading valve
【中图分类号】TL351+.6;TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2020）07-0194-03
1 引言
整体螺栓拉伸机（MSTM）是核电厂大修反应堆开关顶盖工作中所必须使用且无替代的重要专用工具。其工作完全处于大修关键路径上，若MSTM使用过程中发生故障必然会延误整个大修的工期。某核电厂使用SKF设计制造的MSTM，共有2个机器人（R1、R2），每个机器人有1个空气压缩机（简称空压机），并为2只机械手提供稳定的动力，MSTM使用这4个机械手同时工作，共同拧入或拧出反应堆58个主螺栓。
某核電厂大修使用SKF的MSTM进行反应堆开盖过程中，MSTM的R2机器人的空压机频繁跳闸，这导致R2机器人的2只机械手因无稳定供气受影响而无法正常工作，工作效率降低一半，大修关键路径时间受到影响。此故障在历次大修准备及大修工作中从未发生过，并对现场工作进度影响较大。为避免再次影响后续大修，需找出准确的故障原因并彻底处理。本文对故障系统及相关部件进行分析，梳理可能导致故障发生的原因并逐个检查排除，最终确定并处理导致此事件的故障点。
2 故障现象及系统介绍
2.1 故障现象
某核电厂大修中反应堆开盖工作在进行到机械手依次拧出58个主螺栓步骤时，R2空压机控制开出现跳闸情况，工作人员对机械手、控制开关等相关部件检查后，未发现设备异常，于是手动将控制开关复位，复位后空压机可继续工作，但短时间后再次跳闸。反复几次跳闸之后，发现空压机总是在系统需要补压启动时发生跳闸，由于MSTM工作在堆芯高剂量环境，现场无法开展详细检查，为不影响其他工作，故暂停使用R2机器人，这导致拧出主螺栓工期延长。
2.2 系统介绍
MSTM机器人机械手动力来源于压缩空气系统，该系统包含空压机、控制部件及气体处理部件，其中，作为压缩空气产生部件的空压机为核心。系统中重要部件（如空压机、控制部件等）发生故障导致整个系统不能为机械手提供稳定压缩空气，机械手将无法正常工作。为了保证机械手稳定工作，须保证压缩空气系统各关键部件工作正常，即空压机能够受控地产生符合要求的压缩空气。整个动力系统分为以下两部分。
2.2.1 电气部分
电气连接示意图见图1。上游供电经过断路器及控制开关连接于空压机，电气回路主要完成空压机供电和启停控制。
控制开关为电气部分的控制核心，是气-电复合部件。气路部分连接了来自气罐的气管，将气罐压力作为监测及控制对象。电路部分内部触点的连通与断开实现了空压机的供电与断电。气电两部分的结合实现了以下两个功能：①压力启停控制：设置空压机启/停压力定值，当气罐压力小于等于启动设定值时，内部触点闭合，空压机启动补压;当气罐压力等于停止设定值时，内部触点断开，空压机停止工作。②过流保护：该开关可以对回路过载等情况进行监测及保护，当回路电流超过设定值，保护启动，内部触点断开停止空压机供电。
2.2.2 气动部分
气动回路主要有压缩空气的过滤、压缩、储存、监测等功能。空压机进气口处安装有空气过滤器，用于过滤空气中的杂质，防止杂质进入空压机。空压机在电机的带动下从过滤器吸入过滤后的空气，然后通过活塞将空气压缩升压，产生的压缩空气分两路，一路连接单向阀进入气罐，单向阀可防止气罐内压缩空气倒流;另一路连接卸荷阀。气罐底部设置有自动排水阀用于监测及排放气罐内凝结水，防止水汽被带入系统损坏气动部件。气罐出口依次连接手动泄压阀、减压阀、自动泄压阀及气压监测和保护装置。其气动原理图见图2。
空压机出口与气罐之间设置的卸荷阀，是通过顶杆外控的单向阀，安装在控制开关的下方，顶杆插入控制开关内部，由控制开关内部触头压下顶杆开启卸荷阀，排放管路残余气体。卸荷阀内部设置有弹簧，可在顶杆不受力时自动关闭卸荷阀。当空压机运行时，控制开关内部触头闭合空压机上电工作，控制开关内部触头释放顶杆，防止空压机产生的压缩空气从卸荷阀泄出，而压缩空气只能通过单向阀进入气罐;当空压机停转后控制开关内部触头断开压下顶杆，卸荷阀打开，将空压机内残余压力排出，由于气罐入口设置了单向阀，气罐内的压缩空气不会倒流出气罐。
3 故障原因分析及处理
3.1 故障原因分析
3.1.1 电气回路分析
根据图1检查电气连接并结合控制开关的功能分析跳闸的原因。
①控制开关压力监测功能是根据现场实際需要设定的。试验发现当压缩空气压力低于7.5bar（1bar=105Pa，表压，下同）时空压机启动，而当气压高于9.5bar时空压机停止，压缩空气压力触发的空压机启/停动作不会导致控制开关跳闸，无需复位操作，而现场检查出现控制开关跳闸且需手动复位的情况，故可排除由于压力定值设定及压力控制不当导致的空压机跳闸停转情况。
②控制开关保护功能依据电流设定值触发，当回路电流高于设定值，控制开关跳闸，只能手动复位。现场检查控制开关实际情况与此相符，所以判断控制开关跳闸是由于触发了保护功能。
异常触发保护可能存在的原因如下：
①空压机及电机内部机械故障使启动阻力异常增大，导致回路电流超过保护值。
根据系统手册，空压机及电机在失电状态下可手动盘动，在不解体空压机的情况下可简单判断其内部是否存在异常阻力。用该方法先对R1空压机及电机进行试验，发现电机可正常盘动。而用同样的方法对R2的电机及空压机进行盘动，检查情况与R1一致，可正常盘动。故可排除空压机及电机内部机械的原因。
②控制开关保护电流设定值故障失真，空压机即使正常使用也频繁跳闸。
对R2空压机控制开关设定值与R1进行比较，发现两者是一致的。将R2的控制开关与R1进行互换验证，发现R1的控制开关安装至R2后，R2空压机依然会出现同样的频繁跳闸情况;而R2的控制开关安装至R1后，R1空压机仍然正常工作。故可排除R2的控制开关定值不准造成频繁跳闸的可能。
③空压机电气回路存在短路或供电异常情况。
根据图1，对R2的供电及回路进行检查未发现异常。将R1空压机供电引至R2，R2空压机故障仍然存在，故通过检查及互换试验排除了供电或线路异常导致故障的可能。
3.1.2 气动回路分析
根据图2及气动部件原理分析可能导致故障的原因。
①空压机入口过滤器堵塞。根据空压机的工作原理，工作时先吸入空气经压缩后送往下游。若空压机不能正常吸入空气，则会在吸入口形成负压阻碍空压机的正常运行，随着负压的逐渐增大最后导致空压机运行阻力过大引起跳闸。因此，对空压机入口及过滤装置进行检查，检查未发现堵塞、杂物或其他导致不能吸入空气的情况，故可排除。
②卸荷阀卸荷功能异常导致空压机出口憋压阻碍启动[1]。根据卸荷阀功能分析，卸荷阀主要用在空压机停止工作后，及时排放出残存在空压机出口及气罐单向阀之间的压缩空气，以便空压机在下次能够轻载启动。残余的压缩空气若不能及时排除将会增加空压机启动时的阻力，使得回路电流增大，严重时会达到甚至超过保护设定值，导致空压机跳闸。
可能引起控制卸荷阀卸荷异常的原因如下：
①控制开关内部故障使得卸荷阀顶杆不能正常开启泄压。
根据控制开关与卸荷阀的配合关系分析，控制开关内部触点存在直接和卸荷阀顶杆接触的结构，所以在内部触点动作时才可以压下或释放顶杆。若结构故障导致内部触点动作不能联动卸荷阀顶杆，那么卸荷阀在内部弹簧的作用下将会一直处于关闭状态。解体R2卸荷阀检查未发现内部触点及其与顶杆作用机构存在可见异常，结合电气检查时控制开关互换试验结果：R2的控制开关换至R1空压机时，R1空压机仍可正常工作，故可排除由于控制开关内部故障导致卸荷阀不能正常开启的可能。
②卸荷阀堵塞不能排出空压机内残余压力。
根据控制开关与卸荷阀工作原理分析，控制开关正常压下卸荷阀顶杆后，管路内的残余气体将通过卸荷阀的排气口排出，若排气口堵塞残余气体无法泄出，仍然会继续留在系统中阻碍空压机下次启动。
对卸荷阀排气口检查发现，R2卸荷阀排气口仍留有卸荷阀出厂时未完全拆除的堵头，由于堵头的存在使得排气口排气效果很差。正常空压机停止后残余气体仅能很缓慢地从未完全拧紧堵头缝隙中泄出，使空压机出口残余压力下降很慢，若空压机下次启动距离上次停止时间间隔足够残余气体泄出，那么空压机还可以正常启动，但R2机械手工作较多，用气量较大，需空压机频繁启动时，那么停止与启动之间时间间隔较短，残余气体不能及时泄出，空压机再次启动将极有可能由于阻力过大而过载跳闸。这个分析结果与现场实际故障情况完全一致。同时，对比正常R1卸荷阀，堵头是完全拆除的。
3.2 故障处理
本文通过两种方式对上述分析结果验证，并处理跳闸故障。①将R2堵头完全拆除，并对卸荷阀排气口进行清理后，手动多次短间隔启停空压机，空压机均能正常启动;②操作R2机械手进行大用气量动作试验，过程中虽然空压机补气频繁但未出现跳闸情况。
某核电厂SKF的MSTM空压机卸荷阀堵塞处理后，空压机恢复正常启停功能，并在大修的后续工作中正常启停，未再次发生跳闸情况，证明上述故障原因分析正确且处理有效。
4 结论
本文在分析某电厂SKF的MSTM空压机频繁跳闸的过程中，检查发现空压机卸荷阀存在堵塞情况，处理堵塞后经试验验证空压机频繁跳闸情况恢复正常。空压机卸荷阀用于将残余在管路中的压缩空气泄出，以防止空压机在下次启动时过载跳闸，卸荷阀对空压机的正常启动作用巨大。本文关于故障的原因分析及处理过程可对同类设备的处理提供借鉴，需维修技术人员对有同样结构的空压机在检修过程中予以关注。
【参考文献】
【1】辛黎明.空气压缩机启动异常的故障分析与排除[J].中国修船，2010，23（2）：19-20.
