激光熔敷用于修復6B 燃機軸頸的嘗試

姚楚渠

（深圳能源集團股份有限公司加納電廠，廣東 深圳 518026）

加納某燃機電廠4 臺6B 燃機組均從國內(nèi)搬遷，機組的服役時間均超過25 年，設備工況老舊。2017 年1月某日，1# 燃機在正常停機降速過程中，在轉(zhuǎn)速為86.6%時，2# 軸瓦兩振動測點BB4 和BB5 分別達到14.28mm/s 和28.91mm/s 而跳機，同一時刻2#軸瓦回油溫度也急劇上升，停機后惰走時間由正常的11 分鐘縮短至4 分鐘。查看記錄曲線：在燃機發(fā)電機解列后轉(zhuǎn)速降至86.6%TNH 時因BB5 振動高達28.91mm/s 而跳閘，跳閘前各軸瓦振動值都在正常范圍內(nèi)，跳閘前2#軸瓦的2 個測點BB4 和BB5 分別都在7.87mm/s 和8.13mm/s，屬于正常數(shù)值。然而，燃機轉(zhuǎn)速開始下降時，2#軸瓦的振動突升至跳機值（25.4mm/s），同時，2# 軸瓦回油溫度LTB2D 最高也升高到120℃，超出軸承回油溫度高報警設定值100℃。后經(jīng)查明原燃機轉(zhuǎn)子返廠維修時對軸頸進行熱噴涂處理，運行過程中涂層脫離嚴重磨損軸頸，導致燃機振動高而跳機。

1 燃機翻瓦檢查情況

結(jié)合上述燃機2#軸瓦振動高跳閘及同軸瓦回油溫度超溫的情況，判斷2#軸瓦有損壞的可能，根據(jù)這一情況，對2#軸瓦揭瓦檢查損傷情況。

2#軸頸磨損嚴重，整個工作面已被磨損出一道道的凹槽，見圖1，磨損寬度為135.3mm，磨損最深處1.25mm；后油封也出現(xiàn)同樣的磨損情況，較大的凹槽的磨損寬度為2.5mm，深度為0.35mm，見圖2；軸瓦下半瓦表面鎢金已嚴重脫胎。轉(zhuǎn)子軸頸尺寸為：直徑245mm；長度140mm；油封相對軸位置處直徑約320mm；長度135-180mm。通過光譜儀分析其軸頸材料為NiCrMo-V/CrMo-V 鋼。

圖1 軸頸磨損

圖2 后油封磨損

根據(jù)揭瓦后檢查到的軸頸和軸瓦的磨損情況分析，本次振動的原因是由于原燃機轉(zhuǎn)子返廠維修時對軸頸進行熱噴涂處理，涂層與基體熔合程度和結(jié)合力非常有限，強度一般為δb=42-70MPa，對噴涂層厚度也不宜過厚，經(jīng)測量，2#軸頸涂層厚度在1mm 以上，較厚的涂層在運行過程容易脫落并嚴重磨損軸頸，形成數(shù)道深淺不一的溝槽，阻礙轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)過程中油膜的建立，以致轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中振動過大，最終導致機組跳閘。

2 確定檢修方案

2.1 更換轉(zhuǎn)子軸頸方案

鑒于1#燃機轉(zhuǎn)子、2#軸頸受損嚴重，擬返廠檢修更換軸頸短軸。國外某OEM 廠答復可以更換短軸，但費用較高，且維修工期長達幾個月，嚴重影響電廠的運營計劃。此外，原短軸止口之前加工過，與負荷聯(lián)軸器端面在標準范圍內(nèi)過盈配合，若更換短軸，與負荷聯(lián)軸器無法合適匹配。

2.2 車削軸頸方案

國外維修廠家針對類似情況一般采用車削受損軸頸表面的工藝進行修復，由于作者所在廠燃機2#軸頸最深在1.25mm 以上，這意味著至少要車削1.25mm，車削的風險相當大，經(jīng)過技術(shù)評估后廠家基本確定對其無法修復。

2.3 轉(zhuǎn)子軸頸增材修理方案

（1）對受損軸頸施行增材修理工藝，利用焊接技術(shù)將軸頸受損部位增厚，然后進行車削、修磨，恢復軸頸原有尺寸，此方案無法保證在未去除損傷層時焊材與原軸頸的融合度。

（2）咨詢國外公司實施增材修理軸頸方案，僅一家公司回復可進行熱噴涂工藝修復，但極限深度為1.25mm，本軸頸磨損深度在去掉受損層以后極可能達到1.25mm 以上。而且通過調(diào)查國內(nèi)廠家以前軸頸修復案例，本廠1#機受損厚度的軸頸用熱噴涂工藝修復，無法保證噴涂材料與基材有效結(jié)合，特別是在5100rpm 的轉(zhuǎn)速下，軸頸噴涂層可能出現(xiàn)剝落，對燃機造成二次損害。

2.4 現(xiàn)場激光熔敷、仿型車加工軸頸方案

先通過仿型車將軸頸磨損部位研磨至裂紋深度進行止裂，使用與軸頸原材料相近的焊材，激光溶敷厚度比軸頸原基準面厚0.02mm-0.03mm，然后進行胎具研磨加工至基準尺寸，并對加工后熔敷層面進行表面硬度、超聲波、著色、滲透、刀口尺、千分尺檢測，檢測標準按焊接一類，硬度檢查與軸頸一致（±HRC2），表面光潔度達到Ra0.4，修復處與原軸面尺寸應保持一致，熔敷層應與基體為冶金結(jié)合，使用過程中不剝落，無掉塊。

綜合比較上述方案：方案一，更換轉(zhuǎn)子軸頸，價格昂貴，工期長；方案二，車削軸頸，強度沒保證，并且需要配置與之匹配的非標準軸瓦；方案三，無法保證增材材料與基材有效結(jié)合，特別是在5100rpm 的高轉(zhuǎn)速時，軸頸表層可能出現(xiàn)剝落，對燃機造成二次損害；方案四，對整個軸頸進行堆焊后車磨至軸頸基準尺寸，該焊接方案區(qū)別于方案三的直接增材焊接，先將磨損表層車削干凈，再選擇與軸頸相近的焊料與軸頸焊接融合，使之達到原軸頸材料的硬度，保證軸頸滿足燃機正常運行。通過技術(shù)和商務比較，最終確定選擇方案四，采用現(xiàn)場激光熔敷、仿型車加工技術(shù)修復軸頸。

3 激光熔敷修復軸頸實施過程

3.1 轉(zhuǎn)子基準定位

首先轉(zhuǎn)子在缸體內(nèi)要做軸徑彎曲、變形的跳動檢測。然后吊裝出來，將轉(zhuǎn)子放置在燃機專用的托架上，根據(jù)現(xiàn)場加工部位的位置距地面高度用槽鋼制作出加工安裝架，并在安裝架上安裝現(xiàn)場仿型車加工專用設備,用仿型加工專用車削工具將2#軸頸工作面進行車削（粗車削），以磨損軸頸兩側(cè)的非磨損面作為基準進行定位，詳見圖3。并同時使用千分表調(diào)整刀具與工裝的同軸度與平行度，進行軸跳動檢測。所有調(diào)整數(shù)值在0.02mm-0.03mm 以內(nèi)，目的是將軸頸的整個磨損面都車削掉，車削深度為磨損凹槽的最深度1.25mm,當車削達到預定深度后，使用著色探傷進行檢測，確保整個磨損層完全車削掉，詳見圖4。

圖3 仿型車削磨損表層

圖4 磨損表層車削后

3.2 激光熔敷軸頸

車削數(shù)值調(diào)整在0.02mm-0.03mm 以內(nèi)后，對軸進行疲勞層的去除車加工，車加工后復校尺寸,對車加工后軸面進行探傷檢測，確定無線性顯示后，再進行激光熔敷加工。補焊材料為JY-N-800 的鎳基材料；強度δb≥1100-1200MPa；HRC 可調(diào)。熔敷過程需手動盤動軸徑，隨著焊接部位轉(zhuǎn)動，共轉(zhuǎn)動一圈。采用激光分段熔敷，編程機械手對磨損面進行自動補焊。每焊一層都需進行檢測，直至符合加工尺寸，詳見圖5。

圖5 軸頸焊接修復

3.3 仿型車軸加工

安裝仿型車刀頭，對熔敷面進行粗、精車加工，此類加工為被加工件不動，車刀按同心、同平衡支架運動，圍繞軸運動。粗加工分次進行；精加工預留量0.15mm-0.25mm，采用進口刀頭加工，確保一次精車加工完成。

3.4 軸頸研磨

軸加工預留量為0.03mm-0.05mm，不低于基材尺寸，然后進行胎具研磨加工，保證光潔度要求。胎具采用球墨鑄鐵，采用＃200-＃800 研磨膏，磨至與未損傷區(qū)域相一致。

油封處磨損在焊接過程中受熱，金屬層成塊脫落，經(jīng)對脫落金屬進行光譜儀分析，與轉(zhuǎn)子材料成分不同，系以往轉(zhuǎn)子返轉(zhuǎn)修復時廠家對油封進行噴涂處理。此次油封磨損處理是將金屬涂層車削干凈，然后采用與軸頸相同的處理方法，先激光熔敷，然后車削處理及研磨塊研磨，見圖6。

圖6 油封焊接修復

3.5 檢測標準

對加工后熔敷層面進行表面硬度、超聲波、著色、滲透、刀口尺、千分尺檢測，檢測標準按焊接一類，硬度檢查與軸一致（±HRC2）,表面光潔度達到Ra0.4,修復處與原軸面尺寸應保持一致，熔敷層應于母體為冶金結(jié)合，使用過程中不剝落，無掉塊。

4 軸頸修復后運行情況

檢修結(jié)束后，燃機調(diào)試及運行狀態(tài)良好，滿負荷運行時BB4=5.50mm/s，BB5=5.95mm/s，2#軸瓦回油溫度為60℃，停機惰走時間為11 分4 秒，其他各項運行參數(shù)正常，詳見表1。

表1 燃機軸頸修復前后主要運行參數(shù)對照表

5 結(jié)束語

從振動高導致燃機跳機事故發(fā)生后，電廠檢修積極應對，翻瓦檢查尋找事故原因，多渠道尋找解決方案，通過技術(shù)對比后最終選擇激光熔敷方案對2#軸頸進行修復，修復完成后機組運行狀況良好，運行參數(shù)正常，必須加強后續(xù)機組運行參數(shù)監(jiān)督，特別是振動和回油溫度，待有機會翻瓦檢查，對軸頸做探傷等手段跟蹤修復質(zhì)量。由于電廠4 套6B 燃機機組較為老舊，且當?shù)氐墓I(yè)基礎落后，缺乏大型機床，轉(zhuǎn)子無法上機床對軸頸進行加工，因此本次因地制宜的軸頸修復方案，采用了激光熔敷焊接軸頸及現(xiàn)場仿型車加工配合的方法完成軸頸的修復，并取得了成功，為后續(xù)其他燃機、汽機及發(fā)電機轉(zhuǎn)子的軸頸修復提供參照。