600MW汽輪發電機轉子受損后的處理及強度校核

文/河南華潤電力首陽山有限公司工程師 陳春順 關紅只

600MW汽輪發電機轉子受損后的處理及強度校核

文/河南華潤電力首陽山有限公司工程師 陳春順 關紅只

一、引言

某發電有限責任公司#1發電機系東方電機股份有限公司引進日本日立公司技術合作生產的QFSN——600——2-22三相同步汽輪發電機，其冷卻方式為水-氫-氫，采用機端自并勵靜止勵磁，轉子重量68t，轉子長6909 m m，工件最大直徑為1124mm，于2006年投產。2009年9月發現發電機轉子距離對輪140mm處嚴重磨損，利用機組C級檢修機對該軸頸進行了精車與精磨,獲得了良好的效果。

二、電機轉子受損情況及經過

2009年4月27日上午10:03，該公司#1機組負荷514MW，7Y軸振由57μm迅速爬升，10:13上升至130μm，之后將負荷降低至444MW；11:29降至61μm，12:09再次爬升至185μm，12:34又降至73μm，然后再次攀升；啟動頂軸油泵，13:06爬升至193μm，再次降負荷至400MW；13:36降至80μm，13:53上升至163μm，14:11降低至46μm，然后小幅波動；16:40基本趨穩至72μm，18:06振動趨穩至75μm，再無大的波動。期間軸振3Y、4Y、5X、5Y、6X、6Y、7X、8X、8Y也隨著波動，平時振幅相對較小的#6瓦、#7瓦瓦振也明顯增大。在7Y軸振較大時，盤車箱處有較大異常噪音，拆除盤車箱軸承蓋觀察孔，發現低發對輪罩殼有較大幅度的振動，振動穩定后罩殼較穩(參看圖1)。

2010年9月25日小修時，經解體#6瓦軸承蓋，發現汽輪機低壓轉子和發電機轉子連接對輪罩殼左側水平位置固定的螺栓斷裂，前側底部支撐螺栓彎曲，后側底部支撐螺栓斷裂，汽輪機低壓轉子和發電機轉子連接對輪罩殼上部兩端基本與頂部轉子接觸。解體對輪罩殼后，發現發電機轉子距離對輪140mm處嚴重磨損，受損部位產生一上口寬為17.76mm、槽底寬為14.12 mm、深度為9.70 mm的梯形槽(見圖2)；發電機轉子受損處設計直徑為610 mm，材質為25Cr2Ni4MoV。對發電機磨損部位進行著色探傷，未發現表面裂紋，對發電機磨損部位兩邊做硬度檢查，硬度值為HB216-225。

三、轉子受損部位的修復

修復大型回轉機械轉子軸頸一般有兩種方法, 一種方法是修補法, 即對研磨損傷的溝痕采用刷鍍、噴焊、噴涂、激光熔覆焊、等離子焊以及氣體保護微弧焊等方法進行填充修補, 然后用手工研磨或其他機械加工方法，將高出軸頸面的多余部分去除。這種方法的基本思路是保持原有軸頸的直徑不變。但針對轉子受損情況較為嚴重，如果采用補焊修補方法，會存在焊接熔池小，造成被焊接設備和焊料快速冷卻而產生的淬火問題, 產生金相變化, 使表面硬度分布不均或產生微裂紋。另一種方法是采用去除法, 即用車削和研磨的方法加工，但一般要求把轉子返回制造廠上車床加工。由于機組C級檢修工期較短，經過與廠家商討確定采用現場精車和精磨加工。

計劃安排汽輪發電機不抽轉子，不解列汽輪機發電機聯軸器, 在發電機機側安裝固定刀具的基準工作臺并固定刀具進行修復。第一步首先將轉子受損梯形槽底部精車；第二步在梯形槽底部精車的基礎上，采用R5圓角(R=5mm)過渡到兩側壁，以保證盡量減少轉子直徑方向上的車削量；第三步從兩側壁采用R1過渡到轉子的原始表面；第四步用立方氮化硼作為磨料對上訴加工面進行精磨(見圖3)。

四、轉子受損部位修復后的檢查

1.整個工期共用9天，修復后經西安熱工研究院進行金相組織檢查并與制造廠提供的金相組織對比，沒有老化跡象。

2.強度校核

1)轉軸所承受的扭力矩M=(N×1000×60)/(2πn) =(600×1000×1000×60)/(2×3.14×3000)=1910828.025N?m

其中，M：轉軸所承受的扭力矩，單位N?m(牛頓?米)

N：功率，單位KW(千瓦)

n：轉速，單位r/min(轉/分鐘)

2)轉軸所承受的扭矩T=M=1910828.025N?m

3)軸的截面抗扭截面模量WP= (π?d3)/16

其中，WP：實心圓軸的截面抗扭截面模量，單位mm3

d：圓軸直徑，單位mm

按設計直徑(610mm)計算抗扭截面模量WP1為：

WP1= (π?d13)/16=(3.14×6103)/16=44545021.25 mm3

按受損后直徑(590.3mm)計算抗扭截面模量WP2為：

WP2= (π?d23)/16=(3.14×590.33)/16= 40367143.18 mm3

4)軸的截面扭轉剪應力τ=T/ WP

其中，τ：實心圓軸的截面扭轉剪應力，單位MPa(兆帕)

按設計直徑計算截面扭轉剪應力τ1為：

τ1=T/ WP1=1910828.025×1000/44545021.25=42.9MPa

按受損后直徑計算截面扭轉剪應力τ2為：

τ2=T/ WP2=1910828.025×1000/40305628.75=47.4MPa

5)修復后圓角為R5，選取1.7倍的應力集中系數后的截面扭轉剪應力σ2為：

6)強度校核

25Cr2Ni4MoV的條件屈服極限σ0.2為650～755 MPa，取σ0.2=650 MPa，安全系數取2.5，則許用應力[σ0]為：

由于25Cr2Ni4MoV為塑性材料，扭轉極限應力[σ]為0.5～0.6倍的許用應力，取0.55計算得轉軸扭轉極限應力[σ]為：

因為σ2﹤[σ]，所以轉子強度符合要求。

五、結論

由于采用了在線加工的方案, 使機組檢修工期內轉子損傷得到了修復，機組C級檢修后一次起動成功, 機組振動振幅明顯降低且穩定。上述結果表明, 經過在線精車、精磨加工后，轉子動平衡完全滿足了機組安全穩定運行的要求。

責編/王圣媛