先進(jìn)技術(shù)在汽輪機(jī)首次大修中的應(yīng)用

張彥超

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

汽輪機(jī)由轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止兩部分組成，轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括主軸、葉輪、動(dòng)葉柵、聯(lián)軸器及裝在軸上零部件，靜止部分包括基礎(chǔ)、基座、汽缸、噴嘴、隔板、汽封等部件，是在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速環(huán)境下運(yùn)行的大型精密機(jī)械，各部件隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，不可避免地出現(xiàn)自然老化和磨損。本汽輪機(jī)組由哈爾濱汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)制造，型號(hào)為HN20-13.0，主要功能是將核島產(chǎn)生的熱量，通過(guò)主蒸汽管道輸送給汽缸，依次經(jīng)過(guò)一系列環(huán)形配置的噴嘴和動(dòng)葉片，將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

機(jī)組自安裝調(diào)試以來(lái)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，決定采用先進(jìn)的汽機(jī)檢修技術(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)子、葉輪、動(dòng)葉片、聯(lián)軸器、汽缸、隔板、靜葉柵、軸承箱和油系統(tǒng)管路等部件進(jìn)行首次大修，為機(jī)組后期長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。為分析掌握汽輪機(jī)組部件老化和損壞的規(guī)律，進(jìn)行故障診斷和可靠性分析，使機(jī)組在停車檢修的有限時(shí)間內(nèi)順利通過(guò)檢修，并掌握機(jī)組檢修技術(shù)，及時(shí)處理隱患，防患于未然。

1 汽機(jī)揭缸發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

機(jī)組自安裝調(diào)試以來(lái)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，經(jīng)過(guò)專家詳細(xì)討論與論證，并依據(jù)檢修程序?qū)ζ麢C(jī)上汽缸與軸承箱進(jìn)行開(kāi)缸揭蓋，詳細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：①汽缸內(nèi)轉(zhuǎn)子葉輪表面銹蝕（圖1）；②汽機(jī)盤車裝置后軸承箱內(nèi)有碎小磨屑等雜質(zhì)（圖2）；③汽機(jī)盤車裝置聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子軸瓦表面有磨損拉痕（圖3）。

圖1 汽缸內(nèi)轉(zhuǎn)子表面銹蝕

針對(duì)上述異常缺陷，大修專項(xiàng)管理組組織電力設(shè)備公司技術(shù)、檢修公司技術(shù)、監(jiān)理、大修專家組及相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行討論。經(jīng)過(guò)充分詳細(xì)討論，要求項(xiàng)目組編制詳細(xì)維修施工方案、質(zhì)量計(jì)劃與進(jìn)度計(jì)劃，從根本上消除缺陷。

圖2 盤車后軸承箱內(nèi)碎小磨屑

圖3 齒輪表面磨損與拉痕

2 機(jī)組缺陷維修與消除

2.1 激光修復(fù)技術(shù)

利用能量密度高度集中的激光作熱源，將涂覆在設(shè)備表面的自熔性合金粉末加熱重熔，形成表面熔覆層，使熔覆層與基體之間互熔擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)熔覆層與基體的冶金結(jié)合。在盤車裝置聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子軸瓦表面磨損拉痕處，利用激光修復(fù)技術(shù)，打磨熔覆層表面，以修復(fù)軸瓦拉痕、磕碰、燒傷等缺陷。

2.2 表面噴砂技術(shù)

以壓縮空氣為動(dòng)力源形成高速噴射束，將金剛砂高速噴射到待處理設(shè)備表面，利用高速砂流的沖擊作用，使設(shè)備外表或形狀發(fā)生變化，清理和粗化基體表面。因磨料對(duì)設(shè)備表面沖擊和切削作用，使設(shè)備表面獲得一定清潔度和粗糙度，改善設(shè)備表面的機(jī)械性能，增加涂層之間附著力。為消除轉(zhuǎn)子、葉輪、隔板表面銹蝕，采用噴砂技術(shù)在轉(zhuǎn)子表面同一部位檢測(cè)粗糙度、尺寸、表面硬度。按照檢修工作安排和起吊順序，清洗前將轉(zhuǎn)子、隔板孔洞、縫隙堵塞保護(hù)好，以防止葉片、軸等部件損傷，依次將轉(zhuǎn)子、隔板（含氣封槽道、安裝槽道、水平端面）清洗完畢，繼而高中壓轉(zhuǎn)子調(diào)速部分、推力盤部分、轉(zhuǎn)子軸頸、轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器螺栓孔及外圓、端面。隔板葉頂部在清洗作業(yè)時(shí)，根據(jù)清洗方案事先做好包扎防護(hù)工作。

在吊裝前，用壓縮空氣把轉(zhuǎn)子、隔板等設(shè)備表面、螺栓孔內(nèi)殘留物吹干凈，不留殘留物。在設(shè)備噴丸處理時(shí)，噴槍需保持一定角度，嚴(yán)禁噴頭長(zhǎng)時(shí)間停留在設(shè)備表面。根據(jù)同型機(jī)組通流部分清理技術(shù)要求，通流葉柵部分噴丸覆蓋率不能超過(guò)兩遍。依據(jù)汽機(jī)清潔度標(biāo)準(zhǔn)，噴砂清除所有氧化皮、附著物、粉塵油污、銹點(diǎn)等，允許任何25×25 mm 面積內(nèi)在金屬凹痕底部有不超過(guò)40%面積比的暗斑，但不得有油污和松動(dòng)氧化皮等，清理結(jié)果合格。

2.3 滲透檢測(cè)技術(shù)（PT）

PT 是一種表面無(wú)損檢測(cè)方法，利用液體滲透作用，將滲透液滲入固體材料表面開(kāi)口缺陷處，再通過(guò)顯像劑將滲入的滲透液析出到表面顯示缺陷的位置。利用PT 檢測(cè)技術(shù)，在轉(zhuǎn)子1～16 級(jí)動(dòng)葉片表面噴涂DPT－5 型滲透劑、清洗劑、顯像劑進(jìn)行PT 檢測(cè)，顯像15 min，評(píng)定符合NB/T 47013.3—2015 要求，結(jié)果合格。

2.4 超聲波檢測(cè)技術(shù)（UT）

通過(guò)超聲波與設(shè)備相互作用，基于超聲波在試件中傳播特性，就反射、透射和散射波進(jìn)行研究，對(duì)試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化檢測(cè)和表征，并對(duì)特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)接收超聲波的特性，使用超聲波檢測(cè)儀以鋸齒形垂直檢查轉(zhuǎn)子檢測(cè)部位，包括聯(lián)軸節(jié)端軸瓦位、非聯(lián)軸節(jié)端軸瓦位，以評(píng)估轉(zhuǎn)子本身及內(nèi)部是否存在缺陷。依據(jù)NB/T 47013.3—2015 檢測(cè)與評(píng)定符合Ⅰ級(jí)要求，結(jié)果合格。

2.5 葉片測(cè)頻技術(shù)

由激振器產(chǎn)生一定激振力施于被測(cè)葉片，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，使示波器波形為振幅最大。在此頻率附近進(jìn)行微調(diào)，若相位演變振幅最大時(shí)，信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為葉片某階段的頻率，繼續(xù)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率以獲取各階振型頻率。

經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)，該轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片頻率分散度F=2×（335－315）/（335+315）=6.1%，轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片頻率分散度F=2×（322－315）/（322+315）=2.1%，滿足頻率分散度≤8%的國(guó)標(biāo)要求。

2.6 轉(zhuǎn)子跳動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

使用位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子相對(duì)構(gòu)件位移變化，因機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子存在不同振動(dòng)模態(tài)，轉(zhuǎn)子彎曲變形各異。因此，在同一測(cè)量條件下，不同軸向位置測(cè)得不同軸振值。通過(guò)轉(zhuǎn)子入廠一次跳動(dòng)和動(dòng)平衡后二次跳動(dòng)對(duì)比，得出轉(zhuǎn)子振動(dòng)的穩(wěn)定性。

2.7 轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡

汽機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的精密配合機(jī)械設(shè)備，汽機(jī)作為原動(dòng)機(jī)具有強(qiáng)大的動(dòng)力矩。運(yùn)行過(guò)程中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)一旦失靈就可能引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速急劇升高，轉(zhuǎn)子零件應(yīng)力超過(guò)允許數(shù)值，導(dǎo)致葉片甩脫、軸承損壞、轉(zhuǎn)子斷裂，甚至整機(jī)報(bào)廢。為防止汽機(jī)超速，模擬高速旋轉(zhuǎn)工況對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)與校正，以滿足運(yùn)行工況要求。

具體試驗(yàn)內(nèi)容和主要技術(shù)參數(shù)如下：①經(jīng)動(dòng)平衡校正后，轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速n=3000 r/min 時(shí)，軸承座振動(dòng)允許值Vrms≤1.80 mm/s，實(shí)測(cè)進(jìn)氣端0.402 mm/s，排氣端0.908 mm/s；②在試驗(yàn)臺(tái)架上，測(cè)定轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速值n1=1748 r/min 時(shí)，在第1 級(jí)葉輪Φ890 直徑處配重3 塊、總重155 g，第16 級(jí)葉輪Φ920 直徑處配重1 塊、總重量115 g；③在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行超速試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=3050 r/min 時(shí)，超速2 min，測(cè)得軸承座振動(dòng)響應(yīng)曲線（圖4）。

圖4 轉(zhuǎn)子軸承座振動(dòng)響應(yīng)曲線

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)汽輪機(jī)組進(jìn)行揭蓋、揭缸檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子表面銹蝕、軸承箱內(nèi)存在碎小磨屑、齒輪處有拉痕等缺陷。利用先進(jìn)的機(jī)組維修技術(shù)，對(duì)缺陷進(jìn)行維修與檢測(cè)，通過(guò)以上分析研究，得到如下結(jié)論：①利用激光修復(fù)、噴砂、PT、UT、葉片測(cè)頻、跳動(dòng)檢測(cè)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行維修，使轉(zhuǎn)子各項(xiàng)指標(biāo)滿足技術(shù)要求；②使用高速動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)與校正，以滿足實(shí)際運(yùn)行工況；③通過(guò)首次大修，掌握了機(jī)組結(jié)構(gòu)與性能，為后期機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。