淺談660MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸損傷現(xiàn)場修復(fù)技術(shù)

何爍東

（1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸及軸承的狀況和性能直接影響整套機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為滿足其高機(jī)械強(qiáng)度、長使用壽命以及高強(qiáng)高導(dǎo)磁高沖擊韌性要求，通常采用25Cr2Ni4MoV合金鋼鍛件轉(zhuǎn)子。但在運(yùn)行過程中，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，因油系統(tǒng)存在雜質(zhì)、頻繁啟停機(jī)變負(fù)荷及軸承裝配不良等因素，都可能造成轉(zhuǎn)子軸頸發(fā)生不同程度的磨損。因此，軸頸磨損后的修復(fù)一直是熱點問題，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸大、質(zhì)量重，采用傳統(tǒng)返廠修復(fù)的辦法存在運(yùn)輸不便、費(fèi)用昂貴、工期長，存在風(fēng)險等弊端。因此，探尋可靠的現(xiàn)場修復(fù)技術(shù)勢在必行。某電廠660MW汽輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)檢修時發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸拉傷及磨損情況嚴(yán)重，亟需修復(fù)。因工期緊張，僅一個月。業(yè)主提出現(xiàn)場修復(fù)要求且精度要求高以保證機(jī)組后續(xù)高速安全運(yùn)轉(zhuǎn)，既要求修復(fù)層與基體結(jié)合牢固，又要求不使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生變形和材質(zhì)變化。經(jīng)過現(xiàn)場分析討論，決定采用微弧等離子焊技術(shù)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)。

1 軸頸損傷情況及原因分析

1.1 軸頸損傷情況（圖1）

圖1 轉(zhuǎn)子軸頸損傷情況

經(jīng)過現(xiàn)場檢查，該660MW汽輪發(fā)電機(jī)汽端軸頸發(fā)生了較嚴(yán)重的軸頸損傷。轉(zhuǎn)子軸頸表面寬度330mm范圍有不同程度拉傷，最深達(dá)到約2mm溝槽，拉痕密集總數(shù)量超過20條，磨損較為嚴(yán)重。軸頸的磨損使得軸頸與軸瓦之間的間隙超過正常值，已對油膜的正常建立造成影響，一方面，導(dǎo)致汽端軸振增大及瓦溫升高，帶負(fù)荷能力降低；另一方面，又使高壓油膜中產(chǎn)生渦流等非正?，F(xiàn)象，造成軸頸與軸瓦磨損加劇的惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

1.2 原因分析

汽輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸頸在軸瓦處形成油膜并將轉(zhuǎn)子托起，油膜中流過的潤滑油將軸頸高速旋轉(zhuǎn)中液體摩擦產(chǎn)生的熱量及時帶走，若潤滑油中含有雜質(zhì)，即便是很小的顆粒因該位置轉(zhuǎn)速高且油膜厚度薄也會使軸承發(fā)生磨損和造成軸頸表面的損傷。該機(jī)組才投運(yùn)一年左右，經(jīng)過現(xiàn)場檢查油系統(tǒng)管道濾網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)許多殘渣顆粒，經(jīng)上述現(xiàn)象分析研判，可以確定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸損傷主要原因為該機(jī)組投產(chǎn)初期由于設(shè)備及管道內(nèi)部留有殘存物，為安裝單位未徹底沖洗過濾干凈油系統(tǒng)，致使遺留在系統(tǒng)中的焊渣、鐵屑、砂粒等硬質(zhì)顆粒物在機(jī)組啟動后隨潤滑油帶入軸承損傷軸頸。

2 修復(fù)技術(shù)介紹及實施

2.1 微弧等離子焊技術(shù)原理

微弧等離子焊接是將電源存儲的高電能，在高合金電極與金屬母材間進(jìn)行瞬時高頻釋放，形成空氣電離通道，使電極與母材表面產(chǎn)生瞬間的微區(qū)高溫、高壓物理化學(xué)的冶金過程。其利用等離子弧作為高溫?zé)嵩?，采用粉末狀或絲極作為填充金屬，具有熱輸入量小、焊縫質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點。同時，在微電場作用下，微區(qū)內(nèi)離子態(tài)的電極材料熔滲、擴(kuò)散到母材基體，形成冶金結(jié)合。其堆焊過程是在瞬間高溫冷卻中進(jìn)行的，堆焊在微區(qū)內(nèi)快速進(jìn)行、能量集中、熱影響區(qū)小、對母材的熱輸入量極低、焊縫稀釋率低、焊層的殘余應(yīng)力小至可忽略不計。有力保證了處理過程中對轉(zhuǎn)子本身的組織結(jié)構(gòu)的影響及防止轉(zhuǎn)子變形。

2.2 預(yù)處理

對轉(zhuǎn)子軸頸部分進(jìn)行清理，去除表面的氧化層和油污。首先，采用物理方法，使用砂紙或平銼清除轉(zhuǎn)子軸頸待修復(fù)面的氧化層和疲勞層，使用壓縮空氣將表面鐵屑清理干凈，再采用化學(xué)清洗液如丙酮等清潔軸頸表面，去除油污并晾干。

2.3 微弧等離子堆焊

采用微弧等離子堆焊技術(shù)在轉(zhuǎn)子的軸頸表面堆焊合金堆焊層。本次轉(zhuǎn)子軸頸修復(fù)采用設(shè)備焊炬具有兩組電弧，一組為主弧，經(jīng)壓縮形成等離子弧，用以焊接熱量的提供，一組為輔?。ㄕ?fù)極均包含焊炬內(nèi)），用于維持主弧的穩(wěn)定。在焊炬離開工件主弧熄滅的情況，輔弧仍可燃燒。

堆焊的原則為合金堆焊層的材料與軸的材料可實現(xiàn)冶金結(jié)合，合金堆焊層的材料硬度低于軸的材料硬度。因此，堆焊采用微弧等離子連續(xù)送絲焊接，焊絲采用ER316L（Φ1.6mm），焊層表面平整、美觀（表1）。

表1 焊材化學(xué)成分%

奧氏體焊材塑性、韌性優(yōu)良，在有淬硬傾向的母材上焊接時有良好的抗裂紋能力，奧氏體材料強(qiáng)度低于母材強(qiáng)度。滿足本次修復(fù)要求（表2）。

表2 焊材機(jī)械性能

由于轉(zhuǎn)子軸頸材料熱容量大、傳熱快，本次采用的微弧等離子焊接技術(shù)熱量集中、電弧穩(wěn)定、熔池小、堆焊層稀釋率極低。其熱影響區(qū)小于1mm，即可實現(xiàn)穩(wěn)定焊接，可以不預(yù)熱焊接，最大限度控制熱輸入量，因此，可以連續(xù)施焊，滿足基體溫度低于50℃的要求。采用多層多道堆焊，嚴(yán)格控制焊接電流及各層厚度，焊接參數(shù)：穩(wěn)定在70A、25V，焊接過程穩(wěn)定，電流顯示不變，電壓有零點幾伏的波動。氣體，Ar，其中外層保護(hù)氣體流量13L/min，內(nèi)層電離氣體流量8L/min。起弧電流15A，起弧時間0.2s，熄弧電流20A，熄弧時間0.5s。逐層堆焊，堆焊修復(fù)層最后一層一般高于軸頸基準(zhǔn)面0.8～1.0mm（圖2）。

圖2 堆焊層成型質(zhì)量

2.4 研磨加工

在微弧等離子堆焊完成后，對于堆焊區(qū)域0.8～1.0mm的加工余量，采用粗磨與精磨相結(jié)合的方法，研磨工具主要選用專用的精磨砂帶機(jī)，配合砂輪打磨機(jī)、銼刀、塞尺、砂紙等工具，共同完成轉(zhuǎn)子軸頸微弧等離子焊后的尺寸修復(fù)，確保修磨效率及精度。軸頸修復(fù)區(qū)驗收標(biāo)準(zhǔn)為尺寸與軸頸基準(zhǔn)面高差t為-0.05～0mm。

具體工藝為：在微弧等離子補(bǔ)焊區(qū)域，先使用砂輪片粗磨。粗磨至約0.3mm余量時，準(zhǔn)備精磨。精磨時，首先在圓周方向上分若干段（間距d約10～15mm），如圖3所示，每段使用刀口尺測量鉗修區(qū)域與基準(zhǔn)面的高差。

圖3 分段檢查

使用刀口尺貼緊軸頸，使用光源觀察刀口尺與軸頸之間的間隙，確認(rèn)刀口尺與基準(zhǔn)面有明顯間隙，使用記號筆標(biāo)記軸頸部位中不透光的區(qū)域（一般認(rèn)為小于0.01mm不透光），然后，使用砂帶機(jī)或銼刀打磨標(biāo)記區(qū)域直至標(biāo)記痕跡完全去除。重復(fù)此過程至余量0.1～0.2mm。此時，若再直接使用刀口尺貼齊測量，對于存在高點（甚至多個高點）的情況，由于杠桿效應(yīng)，無法有效測量t，實測值t1≠t。因此，此時在兩側(cè)基準(zhǔn)面上墊塞尺（厚度t0），保證刀口尺測量面與兩段基準(zhǔn)面平行，再通過塞尺測量得到間隙測量值t1，實測值t=t1-t0，保證了測量精確性，如圖4所示。根據(jù)每次測量數(shù)據(jù)，繼續(xù)進(jìn)行精磨，直至每段達(dá)到交檢標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 測量方法

2.5 檢測與驗收

修復(fù)完成后，經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)人員檢測及驗收，轉(zhuǎn)子軸頸所有修復(fù)區(qū)域的尺寸與軸頸基準(zhǔn)面均滿足高差t為-0.05～0mm標(biāo)準(zhǔn)。堆焊修復(fù)層為100%冶金結(jié)合，無裂紋、無起皮、無脫落。其表面光整、細(xì)密，與原軸頸結(jié)合處過渡均勻。修復(fù)部位的尺寸與鄰近基準(zhǔn)面尺寸相比，其橢圓度（單面）及錐度＜0.02mm，表面粗糟度Ra達(dá)到1.6μm。經(jīng)過現(xiàn)場著色探傷檢測，滿足NB/T 47013-2015 I級合格（圖5）。

圖5 軸頸修復(fù)后效果

3 結(jié)語

本次現(xiàn)場修復(fù)采用微弧等離子焊技術(shù)，對該660MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸損傷進(jìn)行大面積修復(fù)，是在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治稣撟C和嚴(yán)格的質(zhì)量管控下，完成的一項工期短、標(biāo)準(zhǔn)高、工作難度大的修復(fù)工程。修復(fù)后各項指標(biāo)達(dá)標(biāo)，啟機(jī)運(yùn)行后機(jī)組在3000轉(zhuǎn)及帶負(fù)荷運(yùn)行時，振動均在30μm以下，各軸承瓦溫、回油溫度等均正常，修復(fù)后至今機(jī)組已連續(xù)運(yùn)行數(shù)月，軸系各運(yùn)行參數(shù)良好，表明此次修復(fù)達(dá)到了預(yù)期目的，消除了影響電廠安全運(yùn)行的重大設(shè)備隱患，確保了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。本次修復(fù)為國內(nèi)同類型660MW大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸損傷的現(xiàn)場修復(fù)提供了經(jīng)驗。同時，相比返廠修復(fù)以其耗時少、成本低、修復(fù)效果好而具有良好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益以及廣闊的前景。