汽輪機(jī)軸頸修復(fù),要注意避開振動(dòng)探頭!
2019-07-14 韓兵,等
?。壅∫萁榻B了某汽輪機(jī)損傷轉(zhuǎn)子修復(fù)后,在機(jī)組帶負(fù)荷過程中出現(xiàn)的軸振異常爬升現(xiàn)象,通過對(duì)故障現(xiàn)象及數(shù)據(jù)的分析排除了動(dòng)靜碰磨的可能,結(jié)合激光熔覆的技術(shù)特點(diǎn)及渦流傳感器的工作原理,分析認(rèn)為是由激光熔覆導(dǎo)致了渦流感應(yīng)磁場(chǎng)的畸變,致使測(cè)量信號(hào)失真。更換為以瓦振作為振動(dòng)的主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)后,機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行,未發(fā)生振動(dòng)故障。
0 引言
大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體積大、質(zhì)量重,精度等級(jí)高,制作工藝復(fù)雜,但在運(yùn)行中常因動(dòng)靜碰磨、潤(rùn)滑油帶來雜質(zhì)等原因?qū)е罗D(zhuǎn)子損傷。一旦損傷不可恢復(fù),返廠修復(fù)成本高昂,工期長(zhǎng),如果能在線對(duì)局部損壞的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行修復(fù)再利用,無疑將大幅節(jié)省生產(chǎn)成本。
激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種表面改性技術(shù),能明顯改善基體表面耐磨、耐腐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性,可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)[1-3]。目前已廣泛應(yīng)用于表面涂層、金屬構(gòu)件修復(fù)等領(lǐng)域[4-6],行業(yè)內(nèi)對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。然而目前激光熔覆技術(shù)仍存在一些短板,如熔覆層質(zhì)量不太穩(wěn)定,在激光熔覆過程中,加熱和冷卻速度極快,再加上熔覆層和基體材料在溫度梯度和熱膨脹系數(shù)等方面存在差異,從而使熔覆層容易產(chǎn)生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形等,另外激光熔覆層的服役性能很大程度上受熔覆材料影響[7],國(guó)內(nèi)外研究人員仍在不斷探索。
本文介紹了某臺(tái)百萬機(jī)組軸頸修復(fù)后,基體表面特性發(fā)生改變,從而造成電渦流軸振信號(hào)畸變的分析診斷過程。
1 激光熔覆
1.1技術(shù)原理
高能量密度激光束照射在被加工工件表面時(shí),在工件表面形成微區(qū)熔池,特制的合金粉末在惰性氣體載氣帶動(dòng)下,被送入熔池區(qū)域并熔化,隨之迅速凝固。在激光掃描路徑的后方形成與被加工工件母材冶金結(jié)合的熔覆層。
1.2技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
與工業(yè)中常用的堆焊、熱噴涂和等離子噴焊等相比,激光熔覆有以下優(yōu)點(diǎn):
?。?)激光熔覆層與基體為致密冶金結(jié)合,晶粒細(xì)小[8-9],不會(huì)產(chǎn)生粗大組織。
(2)基體材料在激光加工過程中僅表面微熔,最小微熔層約0.05~0.1mm。熔覆過程中,基體熱影響區(qū)小,溫升不超過80℃。
?。?)激光能量集中,作用時(shí)間短,可在熔覆層比較薄的情況下,獲得所要求的成分和性能,節(jié)約昂貴的合金覆層材料[7,10]。
?。?)軸頸激光修復(fù)采用熔覆區(qū)域不間斷連續(xù)圓周性工作,不存在軸向搭接,使轉(zhuǎn)子圓周性均勻受熱,不產(chǎn)生熔覆區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
?。?)激光器、激光頭、送粉器以及工業(yè)攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)工作監(jiān)控,自動(dòng)化程度高,可控性好,能確保連續(xù)穩(wěn)定工作,熔覆層質(zhì)量穩(wěn)定。
2 轉(zhuǎn)子修復(fù)過程
2.1轉(zhuǎn)子損傷概況
某發(fā)電廠4號(hào)汽輪機(jī)為上海電氣電站集團(tuán)生產(chǎn)的超超臨界、中間再熱、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī),型號(hào)為N1000-26.25/600/600。低壓A轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)8057mm,4號(hào)瓦軸頸損傷部位Φ560h6,該段軸頸總長(zhǎng)約940mm,其中軸頸與軸瓦接觸部位長(zhǎng)度約560mm;轉(zhuǎn)子總重量109t,轉(zhuǎn)子為單點(diǎn)支撐,材質(zhì)為26NiCrMoV14-5。
該機(jī)組汽輪機(jī)低壓A轉(zhuǎn)子4號(hào)瓦軸頸上共有4處周向損傷,寬度分別為25mm,60mm,30mm,55mm,其中有一溝槽,深度達(dá)2mm左右,影響設(shè)備安全運(yùn)行,如圖1所示。

圖1 軸頸損傷實(shí)拍
2.2修復(fù)過程
首先通過徑向與軸向多點(diǎn)檢測(cè)原始軸段的橢圓度和錐度等數(shù)據(jù),并進(jìn)行無損探傷及硬度檢測(cè)。初步確認(rèn)進(jìn)行激光熔覆各部位的形位公差、修復(fù)范圍、加工內(nèi)容等。遵循最小去除量原則,車削損傷部位,并與未損軸頸交接處保證斜角過渡,底部槽與斜面成圓滑過渡,避免后期加工應(yīng)力集中問題。損傷部位初加工后,經(jīng)著色檢測(cè)確認(rèn)無潛在缺陷,記錄加工后尺寸,如圖2所示。
圖2 加工尺寸
選用德國(guó)進(jìn)口10000W大功率半導(dǎo)體光纖熔覆機(jī),采用同步送粉的方法對(duì)軸頸進(jìn)行熔覆。熔覆過程中轉(zhuǎn)子以低于10r/min的轉(zhuǎn)速均勻、連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),保證軸頸跳動(dòng)小于0.02mm。單層熔覆后進(jìn)行打磨清理,探傷合格后繼續(xù)下一層熔覆,層熔覆厚度高于基體面約0.5mm,以確保加工余量。精加工切削、打磨,修復(fù)后軸頸外圓尺寸與原始軸頸外圓尺寸偏差不大于0.02mm,表面粗糙度小于RA0.8,軸頸圓度不大于0.02mm,徑向圓跳動(dòng)公差不大于0.02mm,軸頸圓柱度公差不大于0.01mm,修復(fù)后的軸頸與未修復(fù)部分的同軸度不大于0.02mm,熔覆層硬度在HB220~HB250,修復(fù)后的軸頸潔凈光滑,如圖3所示。
3 異常振動(dòng)的分析與處理
3.1振動(dòng)現(xiàn)象
轉(zhuǎn)子修復(fù)后,機(jī)組于12月2日22:15啟機(jī),低轉(zhuǎn)速下振動(dòng)有異常偏大現(xiàn)象,沖轉(zhuǎn)過程中隨著轉(zhuǎn)速上升,振動(dòng)隨之減小,過臨界轉(zhuǎn)速時(shí),沒有出現(xiàn)明顯共振峰特征。轉(zhuǎn)速升至3000r/min時(shí),合成值50μm左右,瓦振僅約1mm/s,均處于優(yōu)秀范圍內(nèi),未發(fā)現(xiàn)異常。
圖3 修復(fù)后軸頸實(shí)拍
機(jī)組定速3000r/min后繼續(xù)運(yùn)行,DCS(分散控制系統(tǒng))顯示軸振有爬升跡象,12月3日02:00,軸振合成值已爬升至100μm左右,運(yùn)行人員判斷為低壓轉(zhuǎn)子軸封處發(fā)生動(dòng)靜碰磨,調(diào)整凝汽器真空及軸封汽,未取得理想效果。03:20振動(dòng)繼續(xù)爬升至250μm,如圖4所示,超過手動(dòng)打閘值,而瓦振仍維持在1mm/s左右,由于機(jī)組采用瓦振保護(hù)策略,機(jī)組尚未跳機(jī),但面臨是否停機(jī)的抉擇。
圖4 4X軸振趨勢(shì)
3.2分析診斷
機(jī)組定速3000r/min時(shí)振動(dòng)較小,隨著時(shí)間的推移,振動(dòng)開始緩慢爬升,僅從DCS顯示的振動(dòng)幅值看,很容易誤認(rèn)為機(jī)組發(fā)生了碰磨故障。然而仔細(xì)分析數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)有以下特點(diǎn):
?。?)該類型機(jī)組由于單支撐結(jié)構(gòu),4瓦承載重,軸振更容易傳遞至瓦振,引起瓦振偏大,而4號(hào)瓦軸振合成值已超過250μm,瓦振僅1mm/s,屬非正?,F(xiàn)象[11]。
(2)專業(yè)測(cè)振儀器顯示軸振爬升時(shí),振動(dòng)1倍頻分量變化不大,幅值、角度變化不大。
?。?)4號(hào)瓦瓦溫、回油溫度正常,相鄰軸承振動(dòng)沒有同步爬升跡象。
(4)軸振頻率成分非常廣,各倍頻成分都存在,且高倍頻占主要成分,如圖5所示。
?。?)熱工人員檢查4X/4Y測(cè)量回路,但均未發(fā)現(xiàn)異常。
圖5 4X軸振頻譜
X/Y方向同時(shí)出現(xiàn)相同故障必然存在某一共性問題?;夭閱C(jī)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)振動(dòng)爬升與轉(zhuǎn)子的軸向位移有明顯關(guān)聯(lián),結(jié)合此次檢修對(duì)轉(zhuǎn)子軸頸磨損部位的修復(fù),分析判斷為測(cè)量軸振的渦流傳感器隨著轉(zhuǎn)子的膨脹可能正好落入轉(zhuǎn)子基體與熔覆區(qū)交界處,由于激光熔覆轉(zhuǎn)子表面的熔覆層與基體呈現(xiàn)2種金屬質(zhì)地,使得渦流傳感器的感應(yīng)磁場(chǎng)發(fā)生畸變,從而產(chǎn)生畸變感應(yīng)電流,造成測(cè)量信號(hào)失真,即該點(diǎn)的軸振數(shù)據(jù)已不能真實(shí)反映4號(hào)瓦的軸振大小[12]。
3.3改進(jìn)措施
查看軸振渦流探頭的安裝圖紙,發(fā)現(xiàn)其安裝位置確實(shí)在被修復(fù)軸頸段,如圖6所示。在明確故障原因后,采取以下措施:
?。?)運(yùn)行過程中以4號(hào)瓦瓦振作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)來判斷振動(dòng)狀況。
?。?)加強(qiáng)鄰近軸承的振動(dòng)監(jiān)視。
?。?)4號(hào)軸振已失去監(jiān)測(cè)作用,需要待下次檢修時(shí),重新調(diào)整渦流探頭安裝位置,避開修復(fù)區(qū)。
機(jī)組在隨后的運(yùn)行中,未出現(xiàn)振動(dòng)問題。本次對(duì)4瓦軸振的準(zhǔn)確判斷保證了機(jī)組安全運(yùn)行,避免了盲目停機(jī)。
圖6 熔覆區(qū)與軸振探頭安裝位置
4 渦流傳感器
4.1渦流傳感器原理
由前置器中石英振蕩器產(chǎn)生頻率為1~2MHz的高頻振蕩電流,通過延伸電纜流入傳感器探頭的端部線圈,產(chǎn)生交變的高頻磁場(chǎng)[13]。當(dāng)被測(cè)金屬體靠近這一磁場(chǎng),則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流,此感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁通又反作用于探頭端部線圈,使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變,這一變化由前置器的回路經(jīng)放大、檢波和濾波,轉(zhuǎn)換成電壓輸出。若一定范圍內(nèi)保證金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ、電流強(qiáng)度I等參數(shù)不變,則此輸出電壓就成為端部線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D的單值函數(shù),包含直流分量和交流分量:直流分量表示探頭與軸表面的平均距離,稱為間隙電壓;交流分量反映軸相對(duì)于探頭的振動(dòng)[14]。
4.2影響因素
由渦流傳感器的工作原理可知,為了得到反映位移變化的單值函數(shù),需要保證被測(cè)體電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ等參數(shù)穩(wěn)定。實(shí)際測(cè)量中任何破壞這種單值函數(shù)關(guān)系的因素,都會(huì)導(dǎo)致最終的測(cè)量失真。
?。?)熔覆區(qū)與基體之間的金相組織不同、結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同,區(qū)間存在明顯的分界線[15],渦流感應(yīng)將發(fā)生不可預(yù)知的變化,加之殘磁的存在也會(huì)影響感應(yīng)磁場(chǎng),導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)的波形發(fā)生畸變。
(2)電渦流效應(yīng)主要集中在被測(cè)體表面,熔覆區(qū)合金材料的電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ與基體不同,硬度往往也高于基體[16],直接影響渦流效應(yīng)的強(qiáng)弱,從而影響傳感器的靈敏度和線性范圍,造成振動(dòng)幅值大小發(fā)生變化。
?。?)不規(guī)則的被測(cè)體表面會(huì)帶來實(shí)際的測(cè)量附加誤差,甚至出現(xiàn)尖峰值,因此被測(cè)體表面應(yīng)該平整光滑,不應(yīng)存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。激光熔覆修復(fù)后軸頸圓柱面存在一定的徑向圓跳動(dòng)公差,將在振動(dòng)幅值上疊加10~20μm的誤差。
5 結(jié)論
?。?)機(jī)組4號(hào)瓦振動(dòng)爬升現(xiàn)象與動(dòng)靜碰磨故障有相似之處,但通過頻譜分析否定了這一判斷。對(duì)振動(dòng)故障的分析診斷需要全面掌握各方面數(shù)據(jù),嚴(yán)謹(jǐn)分析,不可基于單一數(shù)據(jù)和單一現(xiàn)象。
?。?)隨著浙江省內(nèi)特高壓落地負(fù)荷增加,火電機(jī)組參與調(diào)峰,啟停頻繁,容易造成轉(zhuǎn)子疲勞損傷,產(chǎn)生裂紋,也增加了轉(zhuǎn)子發(fā)生動(dòng)靜碰磨的可能,損傷轉(zhuǎn)子。
(3)激光熔覆技術(shù)已廣泛用于轉(zhuǎn)子表面的損傷修復(fù),過程中一般先對(duì)損傷轉(zhuǎn)子進(jìn)行車削處理,勢(shì)必?cái)U(kuò)大修復(fù)區(qū)域。故修復(fù)后要檢查是否影響到渦流傳感器的測(cè)量,必要時(shí)更換測(cè)量位置,避免信號(hào)失真,喪失對(duì)該測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。
?。?)對(duì)渦流傳感器的工作原理、安裝要求及影響因素要有足夠的認(rèn)識(shí),汽輪發(fā)電機(jī)組普遍采用軸振信號(hào)作為振動(dòng)保護(hù),若人為因素造成測(cè)量失真導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī),損失巨大。
注:原文發(fā)表于《浙江電力》2018年第11期
原文標(biāo)題:激光熔覆修復(fù)軸頸引起的軸振信號(hào)畸變分析與診斷
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