PGT25+兩級高速動力渦輪檢修維護技術

沈登海，宋文強，田永文，黃 偉

(國家石油天然氣管網集團西部管道有限責任公司，烏魯木齊 830011)

PGT25+兩級高速動力渦輪在國內管道行業應用廣泛，主要作為天然氣運輸設備壓縮機的原動機。動力渦輪一般由前置的燃氣輪機提供燃氣作工質,燃氣在動力渦輪內膨脹做功輸出[1]。其在國內裝機量約100臺，具有中等空氣動力負荷和較高的膨脹效率。轉子包括兩級動葉、渦輪盤、中間密封環和整體輪轂轉軸，三者過盈安裝。一、二級動葉分別包含84片葉片，葉根為樅樹型。靜子包括兩個流通煙氣的外部殼體，內部組件包括密封、噴嘴、護環。噴嘴包括20個葉片組，每組3片，密封由蜂窩密封組成。動力渦輪兩級均是高能量、三元設計型?；赑GT25+兩級高速動力渦輪國內現場檢修工作，梳理了此型號動力渦輪的工廠大修內容與方法。

1 動力渦輪關鍵部件材質

噴嘴材質為FSX414鈷基沉淀硬化型等軸晶鑄造高溫合金[2]，化學成分見表1，使用溫度在900 ℃以下，合金中含有較高的鉻和鎢，具有較好的抗氧化性和耐熱腐蝕性能。

表1 動力渦輪噴嘴FSX414化學成分組成

動葉材質為Inconel738(Waspaloy)，真空熔模精密鑄造沉淀硬化鎳基高溫合金，含有四種難熔鎳元素(Nb、Ta、Mo、W)，具有優異的高溫蠕變性能和耐熱腐蝕性，化學成分見表2，通過γ基體上析出的γ′產生強化，也稱之為彌散強化鎳基超合金。

表2 動力渦輪葉片Inconel738化學成分組成

渦輪盤為M152(1Cr12Ni3Mo2VN)，與17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)均是高強度合金鋼，是一種馬氏體耐熱鋼，主要應用于超臨界機組汽輪機末級葉片及緊固件以及燃氣輪機及航空發動機部件[3]，化學成分見表3，能夠在600 ℃以上及一定應力條件下長期工作，具有優異的高溫強度、良好的抗氧化性和抗熱腐蝕性能、良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，主要以板條狀馬氏體結構為主。渦輪殼體采用CrMoV鋼和Inconel718的組合件。

表3 動力渦輪盤M152化學成分組成

2 動力渦輪工廠50 000 h大修主要內容與方法

動力渦輪的大修周期一般為50 000 h，動力渦輪組件總圖見圖1。入口過渡殼體、一、二級渦輪殼體、軸支撐殼體、油密封和軸承腔、后密封環主要檢查步驟與內容：金剛砂噴射清洗或手動清洗、目視檢查、尺寸和幾何形狀檢查，DPI(脫脂、酸洗、抑制)檢查[4]。軸承和密封、螺栓和銷釘、螺絲鋼套、溫度探頭、速度探頭、鍵相位傳感器、振動傳感器更換新備件；入口過渡殼體、一、二級渦輪殼體最終化學鍍鎳處理，通過焊接或打磨修復后密封環并更換梳齒。

1—HSPT渦輪機匣；2—排氣機匣；3—轉子和支撐機匣；4—機匣支撐空氣冷卻匯管；5—一級噴嘴空氣冷卻匯管；6A—潤滑油供油管線；6B—潤滑油回油管線；7A—渦輪支撐；7B—渦輪支撐；8—軸承溫度探頭；9—托架；10、11、15、19、20、24、70—螺栓；12—密封環；13—襯套；14—法蘭；16、18、71—墊片 ；17—銷； 21、22—拉桿螺栓； 23—螺母；25—密封環；26—特殊墊片；27—熱電偶；28—空氣冷卻管；69—匯管支撐。圖1 動力渦輪組件圖

一、二級護環主要檢查步驟與內容：拆卸蜂窩密封后，金剛砂噴射清洗護環、目視檢查、尺寸檢查、焊接修理缺陷并打磨恢復輪廓、修復螺栓孔、DPI檢查、更換蜂窩密封并安裝。一級噴嘴返廠后整體更換新備件。二級噴嘴檢查步驟與內容：從隔板上拆卸噴嘴、從隔板環拆卸蜂窩密封、顯微檢查(用10倍的放大鏡進行檢查)，金剛砂噴射清洗，尺寸和幾何形狀檢查，焊接修復隔板、噴嘴缺陷并打磨恢復輪廓，DPI檢查、熱處理，噴涂涂層，熒光檢查，隔板上蜂窩密封更換與安裝。

轉子見圖2，主要檢查步驟與內容：拆卸一、二級動葉片，金剛砂噴射清潔渦輪盤，軸脫脂處理，目視檢查軸頸表面是否有劃痕及直徑尺寸，檢查密封環表面是否有劃痕，檢查推力盤是否有劃痕或氧化，檢查T型拉桿螺栓是否有腐蝕，拋光軸頸后圓周跳動檢查，轉子尺寸和幾何形狀檢查，渦輪盤榫槽尺寸檢查，DPI檢查軸和軸頸，FPI(熒光滲透)檢查渦輪盤。

1—一級輪盤；2—一級動葉；3～5、10～12—保持銷； 6、13—葉片鎖板；7—中間墊片環；8—二級輪盤；9—二級動葉；14—壓力環；15—拉桿螺栓；18—軸；19、20—平衡塊。圖2 動力渦輪轉子組件

一、 二級動葉主要檢查步驟與內容[4]：金剛砂噴射清洗、目視檢查、顯微檢查、尺寸檢查，焊接修理葉片，FPI檢查，葉片氣流表面噴涂、熱處理，金剛砂噴射清洗，硬涂層噴涂，葉根榫槽噴涂，榫槽噴丸硬化處理，編制葉片質量分配圖。極少數(約2.4%)葉片背面可能有裂紋，需要更換。

3 動力渦輪主要間隙數據要求

動力渦輪的質量和可靠性主要取決零件的制造質量和動力渦輪的裝配質量[5]。葉片組裝后，靜子與轉動部件需要測量徑向或軸向間隙值，具體位置見圖3，數據見表4。由于動力渦輪與燃氣發生器的振動能相互影響，整機振動情況與動力渦輪轉子的平衡狀況密切相關：轉子的平衡狀態好，整機振動就小；轉子的平衡狀態差，整機振動就大[6]。廠家對動力渦輪轉子整體做低速動平衡或做高速動平衡，各數據在規定的范圍內[7]，方能到現場安裝。

圖3 動力渦輪關鍵間隙部位示意圖

表4 動力渦輪關鍵部位間隙值

上述數據需要現場進行測量或者計算，其中中間隔板與二級靜葉間隙(位置F)無法直接測量，通過測量一、二級動葉的葉頂間隙再加上0.25±0.40得到，其值更接近二級動葉葉頂間隙值加0.25。

4 動力渦輪現場更換技術

當動力渦輪運行至50 000 h，需要現場整體拆卸動力渦輪機匣、轉子、軸承箱等部件，返回工廠維修?，F場拆卸過程：拆卸軸承座、過渡機匣與排氣機匣的連接螺栓，同時拆卸振動、鍵相位探頭中間連接螺栓，斷開軸瓦溫度、輪間溫度、轉子速度傳感器，拆卸一、二級噴嘴冷卻空氣管、潤滑油供、回油管線、密封氣管線、排氣機匣筋板冷卻氣環管。借助專用工具將一級輪盤、過渡機匣固定，軸端以吊梁連接轉子，將轉子放在主推力軸承處，前后調平，緩慢拉出整體返修部件。安裝檢修工具前，需要拆卸一級輪盤隔板、隔熱屏、扇環密封、鎖環，見圖4中的4、6、5、51；安裝時，按照拆卸的反序進行，始終將轉子放在靜止機匣的中心且轉子推力盤與主推力軸承完全接觸，否則易損壞內部零件。

1—一級噴嘴及過渡排氣機匣組件；2—一級噴嘴組件；3—過渡機匣；4—一級輪盤隔板；5—扇環密封；6—隔熱屏；10—二級噴嘴；12—一級護環；15—二級低壓渦輪護環；16—鎖塊；8、9、17、18、20～23、25～50、52～54—渦輪一、二級、機匣相關靜止組件；51—鎖環；55、56、58、60—墊片； 57、59—螺栓；61—螺母； 62—鎖絲。圖4 動力渦輪拆卸前需要拆除部件

西部管道公司開展了國內同型號動力渦輪的現場更換檢修，其中重點與難點有：拆卸、安裝時，保證導向銷、軸承箱定位支座、扇環密封、轉子始終保持同心且水平，否則會導致輪盤及轉子應力集中、轉子葉片與蜂窩密封徑向間隙偏差大，易損壞動葉的刃口密封和殼體的蜂窩密封。另外，對第一臺返回原廠家的動力渦輪進行了部件級的拆卸與組裝，掌握了動力渦輪內外過渡機匣、一級噴嘴、二級噴嘴、內部冷卻管、護環、蜂窩密封、扇環密封、1#、2#軸承及軸承箱拆卸、安裝工藝與方法，加之測量了動力渦輪各間隙數據，為動力渦輪部件級的組裝和現場部件級檢修奠定了基礎。

5 動力渦輪現場維護技術

在動力渦輪大修時，一般在轉接頭處拆卸軸瓦溫度探頭[7]、速度傳感器、殼體振動傳感器、轉子振動傳感器、鍵相位傳感器，方便安裝。動力渦輪正常運行過程中，上述部件時有損壞。其中殼體振動傳感器、轉子振動傳感器、速度傳感器、2#組合軸承溫度探頭拆卸，較易更換，1#軸承溫度探頭更換困難。傳感器或探頭通常按照傳感器類型測量電容、電壓、阻值等參數，檢測其是否完好。

5.1 動力渦輪軸儀表探頭問題

動力渦輪殼體振動探頭為加速度計探頭，報警值為12.7 mm/s，停機值為25.4 mm/s，正常運行時動力渦輪殼體振動最好在6.35 mm/s以下，轉子振動最好在100 μm以下，但如果燃氣發生器發生轉子動不平衡或其它原因致使其振動高，對動力渦輪殼體振動的影響也較大。

動力渦輪1#、2#軸承[8]，見圖5至圖7，相應的油密封環損壞的可能性較小，若瓦塊磨損或者軸向位移、徑向間隙變大，則需要調整墊片厚度或更換瓦塊。一般軸承瓦塊上的溫度探頭出現故障的可能性較高，特別是若1#軸承溫度探頭損壞，其裝配空間小，拆卸部件多，同時由于動力渦輪轉子是懸臂式結構，需要采用專用轉子提升工具、頂絲等，將轉子提升一定間隙，拆卸軸承座壓板定位銷，然后才能拆卸1#軸承下部瓦塊，更換溫度探頭。

1—軸支撐機匣(預先安裝)；2—軸承熱電偶(RTD)；3—扇環密封組件；4—渦輪轉子組件；5—速度探頭；6—振動探頭(轉接頭位置)。圖5 動力渦輪1#、2#軸承結構示意圖

1—防轉銷；2—瓦塊定位支點；3—卡簧；4—軸承座；5—1#徑向軸承瓦塊；6—浮環密封(銅)。圖6 動力渦輪1#軸承內部結構

1—主推力軸承瓦塊；2、11—瓦塊支點；3—卡簧；4—徑向軸承瓦塊定位支點；5—防轉銷；6—2#軸承座；7、9—調整墊片；8—沉頭螺栓；10—徑向軸承瓦塊；12—副推力軸承瓦塊。圖7 動力渦輪2#組合軸承內部結構

5.2 動力渦輪輪間溫度探頭問題

動力渦輪正常運行過程中，輪間溫度傳感器易發生燒蝕損壞，需要更換。在更換過程，由于后3個溫度探頭需要插入由兩部分連接的導管內，更換探頭時，需要使用內窺鏡檢查探頭導管連接滑套是否對中良好，在安裝探頭時，建議涂抹防咬合劑，起到潤滑作用，利于安裝與拆卸。

一般同一輪間溫度的熱電偶示數相同或相近，允許存在50～60 ℃的偏差[9]，若偏差超過80 ℃，說明熱電偶未安裝到位或損毀，有可能讀取的是金屬溫度，而不是氣流的溫度，不能以兩者的低值來判斷輪間溫度。 熱電偶安裝長度見表5， 由于熱電偶是柔性的，其安裝長度可能大于表中數值的2%～3%。

5.3 動力渦輪內窺鏡檢查

當動力渦輪運行至半年或4 000 h，需要對動力渦輪過渡段、噴嘴、動葉等部位進行內窺鏡檢查。過渡段檢查是否有裂紋、隔熱罩損壞、外部襯里變形、燒蝕等問題；噴嘴主要檢查異物打擊損壞、腐蝕等問題；動葉檢查包括異物打擊損壞、腐蝕、裂紋、葉頂間隙、蜂窩密封等狀況[9]。微小的裂紋不易發現，一般通過拆解后的放大鏡顯微檢查或著色探傷檢查。檢查孔位置見圖8。

圖8 動力渦輪內窺鏡檢查孔位置示意圖

5.4 動力渦輪運行過程中日常檢查

動力渦輪正常運行過程中，需要檢查軸承相關溫度、轉子振動、速度等參數[9]，檢查潤滑油壓力、燃氣發生器9級抽氣作為密封氣或冷卻氣的溫度、壓力。停機后檢查是否有潤滑油泄漏，冷卻氣、密封氣管線是否斷裂，箱體溫升探頭是否完好，保溫層是否損壞，煙氣是否泄漏等，并定期進行動力渦輪低點排污。運行時需要重點監控數據見表6。

表5 動力渦輪輪間溫度探頭安裝長度

表6 動力渦輪運行過程重點監控數據

機組運行期間，站控重點監控上述參數，并在報警值前設定預報警，為緊急狀況條件下的處理預留一定的時間。同時，注意機組各參數的變化趨勢，即可保證動力渦輪的長周期運行。

6 結語

通過對近幾年PGT25+動力渦輪的工廠大修檢查、現場動力渦輪主要部件整體更換、日常動力渦輪的運行和維護，提高了動力渦輪的自主故障處理和檢修能力，為動力渦輪早日實現自主大修奠定了一定的基礎，保證了GE燃氣輪機運行的可靠性，對國家管網主干管線的長周期運行具有一定的指導意義。