激光熔覆修復(fù)軸頸引起的軸振信號畸變分析與診斷

韓 兵，錢榮財，吾明良，郭進文，余化文

（華能國際電力股份有限公司玉環(huán)電廠，浙江 臺州 317604）

0 引言

大型汽輪機轉(zhuǎn)子體積大、質(zhì)量重，精度等級高，制作工藝復(fù)雜，但在運行中常因動靜碰磨、潤滑油帶來雜質(zhì)等原因?qū)е罗D(zhuǎn)子損傷。一旦損傷不可恢復(fù)，返廠修復(fù)成本高昂，工期長，如果能在線對局部損壞的汽輪機轉(zhuǎn)子進行修復(fù)再利用，無疑將大幅節(jié)省生產(chǎn)成本。

激光熔覆技術(shù)是20世紀70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種表面改性技術(shù)，能明顯改善基體表面耐磨、耐腐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性，可以在廉價金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)[1-3]。目前已廣泛應(yīng)用于表面涂層、金屬構(gòu)件修復(fù)等領(lǐng)域[4-6]，行業(yè)內(nèi)對激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。然而目前激光熔覆技術(shù)仍存在一些短板，如熔覆層質(zhì)量不太穩(wěn)定，在激光熔覆過程中，加熱和冷卻速度極快，再加上熔覆層和基體材料在溫度梯度和熱膨脹系數(shù)等方面存在差異，從而使熔覆層容易產(chǎn)生多種缺陷，主要包括氣孔、裂紋、變形等，另外激光熔覆層的服役性能很大程度上受熔覆材料影響[7]，國內(nèi)外研究人員仍在不斷探索。

本文介紹了某臺百萬機組軸頸修復(fù)后，基體表面特性發(fā)生改變，從而造成電渦流軸振信號畸變的分析診斷過程。

1 激光熔覆

1.1 技術(shù)原理

高能量密度激光束照射在被加工工件表面時，在工件表面形成微區(qū)熔池，特制的合金粉末在惰性氣體載氣帶動下，被送入熔池區(qū)域并熔化，隨之迅速凝固。在激光掃描路徑的后方形成與被加工工件母材完全冶金結(jié)合的熔覆層。

1.2 技術(shù)優(yōu)點

與工業(yè)中常用的堆焊、熱噴涂和等離子噴焊等相比，激光熔覆有以下優(yōu)點：

（1）激光熔覆層與基體為致密冶金結(jié)合，晶粒細小[8-9]，不會產(chǎn)生粗大組織。

（2）基體材料在激光加工過程中僅表面微熔，最小微熔層約0.05～0.1 mm。熔覆過程中，基體熱影響區(qū)小，溫升不超過80℃。

（3）激光能量集中，作用時間短，可在熔覆層比較薄的情況下，獲得所要求的成分和性能，節(jié)約昂貴的合金覆層材料[7，10]。

（4）軸頸激光修復(fù)采用熔覆區(qū)域不間斷連續(xù)圓周性工作，不存在軸向搭接，使轉(zhuǎn)子圓周性均勻受熱，不產(chǎn)生熔覆區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

（5）激光器、激光頭、送粉器以及工業(yè)攝像機進行實時工作監(jiān)控，自動化程度高，可控性好，能確保連續(xù)穩(wěn)定工作，熔覆層質(zhì)量穩(wěn)定。

2 轉(zhuǎn)子修復(fù)過程

2.1 轉(zhuǎn)子損傷概況

某發(fā)電廠4號汽輪機為上海電氣電站集團生產(chǎn)的超超臨界、中間再熱、反動凝汽式汽輪機，型號為N1000-26.25/600/600。低壓A轉(zhuǎn)子總長8 057 mm，4號瓦軸頸損傷部位Φ560h6，該段軸頸總長約940 mm，其中軸頸與軸瓦接觸部位長度約560 mm；轉(zhuǎn)子總重量109 t，轉(zhuǎn)子為單點支撐，材質(zhì)為26NiCrMoV14-5。

該機組汽輪機低壓A轉(zhuǎn)子4號瓦軸頸上共有4處周向損傷，寬度分別為25 mm，60 mm，30 mm，55 mm，其中有一溝槽，深度達2 mm左右，影響設(shè)備安全運行，如圖1所示。

圖1 軸頸損傷實拍

2.2 修復(fù)過程

首先通過徑向與軸向多點檢測原始軸段的橢圓度和錐度等數(shù)據(jù)，并進行無損探傷及硬度檢測。初步確認進行激光熔覆各部位的形位公差、修復(fù)范圍、加工內(nèi)容等。遵循最小去除量原則，車削損傷部位，并與未損軸頸交接處保證斜角過渡，底部槽與斜面成圓滑過渡，避免后期加工應(yīng)力集中問題。損傷部位初加工后，經(jīng)著色檢測確認無潛在缺陷，記錄加工后尺寸，如圖2所示。

圖2 加工尺寸

選用德國進口10 000 W大功率半導(dǎo)體光纖熔覆機，采用同步送粉的方法對軸頸進行熔覆。熔覆過程中轉(zhuǎn)子以低于10 r/min的轉(zhuǎn)速均勻、連續(xù)轉(zhuǎn)動，保證軸頸跳動小于0.02 mm。單層熔覆后進行打磨清理，探傷合格后繼續(xù)下一層熔覆，最后一層熔覆厚度高于基體面約0.5 mm，以確保加工余量。精加工切削、打磨，修復(fù)后軸頸外圓尺寸與原始軸頸外圓尺寸偏差不大于0.02 mm，表面粗糙度小于RA0.8，軸頸圓度不大于0.02 mm，徑向圓跳動公差不大于0.02 mm，軸頸圓柱度公差不大于0.01 mm，修復(fù)后的軸頸與未修復(fù)部分的同軸度不大于0.02 mm，熔覆層硬度在HB220～HB250，修復(fù)后的軸頸潔凈光滑，如圖3所示。

3 異常振動的分析與處理

3.1 振動現(xiàn)象

轉(zhuǎn)子修復(fù)后，機組于12月2日22：15啟機，低轉(zhuǎn)速下振動有異常偏大現(xiàn)象，沖轉(zhuǎn)過程中隨著轉(zhuǎn)速上升，振動隨之減小，過臨界轉(zhuǎn)速時，沒有出現(xiàn)明顯共振峰特征。轉(zhuǎn)速升至3 000 r/min時，合成值50 μm左右，瓦振僅約1 mm/s，均處于優(yōu)秀范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖3 修復(fù)后軸頸實拍

機組定速3 000 r/min后繼續(xù)運行，DCS（分散控制系統(tǒng)）顯示軸振有爬升跡象，12月3日02：00，軸振合成值已爬升至100 μm左右，運行人員判斷為低壓轉(zhuǎn)子軸封處發(fā)生動靜碰磨，調(diào)整凝汽器真空及軸封汽，未取得理想效果。03：20振動繼續(xù)爬升至250 μm，如圖4所示，超過手動打閘值，而瓦振仍維持在1 mm/s左右，由于機組采用瓦振保護策略，機組尚未跳機，但面臨是否停機的抉擇。

圖4 4X軸振趨勢

3.2 分析診斷

機組定速3 000 r/min時振動較小，隨著時間的推移，振動開始緩慢爬升，僅從DCS顯示的振動幅值看，很容易誤認為機組發(fā)生了碰磨故障。然而仔細分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有以下特點：

（1）該類型機組由于單支撐結(jié)構(gòu)，4瓦承載重，軸振更容易傳遞至瓦振，引起瓦振偏大，而4號瓦軸振合成值已超過250 μm，瓦振僅1 mm/s，屬非正常現(xiàn)象[11]。

（2）專業(yè)測振儀器顯示軸振爬升時，振動1倍頻分量變化不大，幅值、角度變化不大。

（3）4號瓦瓦溫、回油溫度正常，相鄰軸承振動沒有同步爬升跡象。

（4）軸振頻率成分非常廣，各倍頻成分都存在，且高倍頻占主要成分，如圖5所示。

（5）熱工人員檢查4X/4Y測量回路，但均未發(fā)現(xiàn)異常。

圖5 4X軸振頻譜

X/Y方向同時出現(xiàn)相同故障必然存在某一共性問題。回查啟機數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)振動爬升與轉(zhuǎn)子的軸向位移有明顯關(guān)聯(lián)，結(jié)合此次檢修對轉(zhuǎn)子軸頸磨損部位的修復(fù)，分析判斷為測量軸振的渦流傳感器隨著轉(zhuǎn)子的膨脹可能正好落入轉(zhuǎn)子基體與熔覆區(qū)交界處，由于激光熔覆轉(zhuǎn)子表面的熔覆層與基體呈現(xiàn)2種金屬質(zhì)地，使得渦流傳感器的感應(yīng)磁場發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生畸變感應(yīng)電流，造成測量信號失真，即該點的軸振數(shù)據(jù)已不能真實反映4號瓦的軸振大小[12]。

3.3 改進措施

查看軸振渦流探頭的安裝圖紙，發(fā)現(xiàn)其安裝位置確實在被修復(fù)軸頸段，如圖6所示。在明確故障原因后，采取以下措施：

（1）運行過程中以4號瓦瓦振作為監(jiān)測點來判斷振動狀況。

（2）加強鄰近軸承的振動監(jiān)視。

（3）4號軸振已失去監(jiān)測作用，需要待下次檢修時，重新調(diào)整渦流探頭安裝位置，避開修復(fù)區(qū)。

機組在隨后的運行中，未出現(xiàn)振動問題。本次對4瓦軸振的準確判斷保證了機組安全運行，避免了盲目停機。

圖6 熔覆區(qū)與軸振探頭安裝位置

4 渦流傳感器

4.1 渦流傳感器原理

由前置器中石英振蕩器產(chǎn)生頻率為1～2 MHz的高頻振蕩電流，通過延伸電纜流入傳感器探頭的端部線圈，產(chǎn)生交變的高頻磁場[13]。當被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流，此感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁通又反作用于探頭端部線圈，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變，這一變化由前置器的回路經(jīng)放大、檢波和濾波，轉(zhuǎn)換成電壓輸出。若一定范圍內(nèi)保證金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ、電流強度I等參數(shù)不變，則此輸出電壓就成為端部線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D的單值函數(shù)，包含直流分量和交流分量：直流分量表示探頭與軸表面的平均距離，稱為間隙電壓；交流分量反映軸相對于探頭的振動[14]。

4.2 影響因素

由渦流傳感器的工作原理可知，為了得到反映位移變化的單值函數(shù)，需要保證被測體電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ等參數(shù)穩(wěn)定。實際測量中任何破壞這種單值函數(shù)關(guān)系的因素，都會導(dǎo)致最終的測量失真。

（1）熔覆區(qū)與基體之間的金相組織不同、結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同，區(qū)間存在明顯的分界線[15]，渦流感應(yīng)將發(fā)生不可預(yù)知的變化，加之殘磁的存在也會影響感應(yīng)磁場，導(dǎo)致振動信號的波形發(fā)生畸變。

（2）電渦流效應(yīng)主要集中在被測體表面，熔覆區(qū)合金材料的電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ與基體不同，硬度往往也高于基體[16]，直接影響渦流效應(yīng)的強弱，從而影響傳感器的靈敏度和線性范圍，造成振動幅值大小發(fā)生變化。

（3）不規(guī)則的被測體表面會帶來實際的測量附加誤差，甚至出現(xiàn)尖峰值，因此被測體表面應(yīng)該平整光滑，不應(yīng)存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。激光熔覆修復(fù)后軸頸圓柱面存在一定的徑向圓跳動公差，將在振動幅值上疊加10～20 μm的誤差。

5 結(jié)論

（1）機組4號瓦振動爬升現(xiàn)象與動靜碰磨故障有相似之處，但通過頻譜分析否定了這一判斷。對振動故障的分析診斷需要全面掌握各方面數(shù)據(jù)，嚴謹分析，不可基于單一數(shù)據(jù)和單一現(xiàn)象。

（2）隨著浙江省內(nèi)特高壓落地負荷增加，火電機組參與調(diào)峰，啟停頻繁，容易造成轉(zhuǎn)子疲勞損傷，產(chǎn)生裂紋，也增加了轉(zhuǎn)子發(fā)生動靜碰磨的可能，損傷轉(zhuǎn)子。

（3）激光熔覆技術(shù)已廣泛用于轉(zhuǎn)子表面的損傷修復(fù)，過程中一般先對損傷轉(zhuǎn)子進行車削處理，勢必擴大修復(fù)區(qū)域。故修復(fù)后要檢查是否影響到渦流傳感器的測量，必要時更換測量位置，避免信號失真，喪失對該測點的振動監(jiān)測。

（4）對渦流傳感器的工作原理、安裝要求及影響因素要有足夠的認識，汽輪發(fā)電機組普遍采用軸振信號作為振動保護，若人為因素造成測量失真導(dǎo)致機組跳機，損失巨大。