先進技術在汽輪機首次大修中的應用

張彥超

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

汽輪機由轉動和靜止兩部分組成，轉動部分包括主軸、葉輪、動葉柵、聯軸器及裝在軸上零部件，靜止部分包括基礎、基座、汽缸、噴嘴、隔板、汽封等部件，是在高溫、高壓、高轉速環境下運行的大型精密機械，各部件隨運行時間的增長，不可避免地出現自然老化和磨損。本汽輪機組由哈爾濱汽輪機廠設計制造，型號為HN20-13.0，主要功能是將核島產生的熱量，通過主蒸汽管道輸送給汽缸，依次經過一系列環形配置的噴嘴和動葉片，將蒸汽熱能轉化為轉子動能，帶動發電機發電。

機組自安裝調試以來，結合實際運行情況，決定采用先進的汽機檢修技術，對轉子、葉輪、動葉片、聯軸器、汽缸、隔板、靜葉柵、軸承箱和油系統管路等部件進行首次大修，為機組后期長期安全穩定運行奠定基礎。為分析掌握汽輪機組部件老化和損壞的規律，進行故障診斷和可靠性分析，使機組在停車檢修的有限時間內順利通過檢修，并掌握機組檢修技術，及時處理隱患，防患于未然。

1 汽機揭缸發現問題

機組自安裝調試以來，結合實際運行情況，經過專家詳細討論與論證，并依據檢修程序對汽機上汽缸與軸承箱進行開缸揭蓋，詳細檢查后發現以下問題：①汽缸內轉子葉輪表面銹蝕（圖1）；②汽機盤車裝置后軸承箱內有碎小磨屑等雜質（圖2）；③汽機盤車裝置聯軸器和轉子軸瓦表面有磨損拉痕（圖3）。

圖1 汽缸內轉子表面銹蝕

針對上述異常缺陷，大修專項管理組組織電力設備公司技術、檢修公司技術、監理、大修專家組及相關技術人員進行討論。經過充分詳細討論，要求項目組編制詳細維修施工方案、質量計劃與進度計劃，從根本上消除缺陷。

圖2 盤車后軸承箱內碎小磨屑

圖3 齒輪表面磨損與拉痕

2 機組缺陷維修與消除

2.1 激光修復技術

利用能量密度高度集中的激光作熱源，將涂覆在設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散，實現熔覆層與基體的冶金結合。在盤車裝置聯軸器和轉子軸瓦表面磨損拉痕處，利用激光修復技術，打磨熔覆層表面，以修復軸瓦拉痕、磕碰、燒傷等缺陷。

2.2 表面噴砂技術

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

在吊裝前，用壓縮空氣把轉子、隔板等設備表面、螺栓孔內殘留物吹干凈，不留殘留物。在設備噴丸處理時，噴槍需保持一定角度，嚴禁噴頭長時間停留在設備表面。根據同型機組通流部分清理技術要求，通流葉柵部分噴丸覆蓋率不能超過兩遍。依據汽機清潔度標準，噴砂清除所有氧化皮、附著物、粉塵油污、銹點等，允許任何25×25 mm 面積內在金屬凹痕底部有不超過40%面積比的暗斑，但不得有油污和松動氧化皮等，清理結果合格。

2.3 滲透檢測技術（PT）

PT 是一種表面無損檢測方法，利用液體滲透作用，將滲透液滲入固體材料表面開口缺陷處，再通過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 檢測技術，在轉子1～16 級動葉片表面噴涂DPT－5 型滲透劑、清洗劑、顯像劑進行PT 檢測，顯像15 min，評定符合NB/T 47013.3—2015 要求，結果合格。

2.4 超聲波檢測技術（UT）

通過超聲波與設備相互作用，基于超聲波在試件中傳播特性，就反射、透射和散射波進行研究，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化檢測和表征，并對特定應用性進行評價。根據接收超聲波的特性，使用超聲波檢測儀以鋸齒形垂直檢查轉子檢測部位，包括聯軸節端軸瓦位、非聯軸節端軸瓦位，以評估轉子本身及內部是否存在缺陷。依據NB/T 47013.3—2015 檢測與評定符合Ⅰ級要求，結果合格。

2.5 葉片測頻技術

由激振器產生一定激振力施于被測葉片，調節信號發生器的輸出頻率，使示波器波形為振幅最大。在此頻率附近進行微調，若相位演變振幅最大時，信號發生器輸出頻率為葉片某階段的頻率，繼續調節信號發生器輸出頻率以獲取各階振型頻率。

經試驗臺檢測，該轉子末級葉片頻率分散度F=2×（335－315）/（335+315）=6.1%，轉子次末級葉片頻率分散度F=2×（322－315）/（322+315）=2.1%，滿足頻率分散度≤8%的國標要求。

2.6 轉子跳動檢測技術

使用位移傳感器測量轉子相對構件位移變化，因機組運行轉速范圍內轉子存在不同振動模態，轉子彎曲變形各異。因此，在同一測量條件下，不同軸向位置測得不同軸振值。通過轉子入廠一次跳動和動平衡后二次跳動對比，得出轉子振動的穩定性。

2.7 轉子高速動平衡

汽機是高速旋轉的精密配合機械設備，汽機作為原動機具有強大的動力矩。運行過程中，調節系統一旦失靈就可能引起轉子轉速急劇升高，轉子零件應力超過允許數值，導致葉片甩脫、軸承損壞、轉子斷裂，甚至整機報廢。為防止汽機超速，模擬高速旋轉工況對轉子進行動平衡檢測與校正，以滿足運行工況要求。

具體試驗內容和主要技術參數如下：①經動平衡校正后，轉子在工作轉速n=3000 r/min 時，軸承座振動允許值Vrms≤1.80 mm/s，實測進氣端0.402 mm/s，排氣端0.908 mm/s；②在試驗臺架上，測定轉子一階臨界轉速值n1=1748 r/min 時，在第1 級葉輪Φ890 直徑處配重3 塊、總重155 g，第16 級葉輪Φ920 直徑處配重1 塊、總重量115 g；③在試驗臺架上進行超速試驗，轉子轉速n=3050 r/min 時，超速2 min，測得軸承座振動響應曲線（圖4）。

圖4 轉子軸承座振動響應曲線

3 結論

經過對汽輪機組進行揭蓋、揭缸檢查，發現轉子表面銹蝕、軸承箱內存在碎小磨屑、齒輪處有拉痕等缺陷。利用先進的機組維修技術，對缺陷進行維修與檢測，通過以上分析研究，得到如下結論：①利用激光修復、噴砂、PT、UT、葉片測頻、跳動檢測等先進技術對轉子進行維修，使轉子各項指標滿足技術要求；②使用高速動平衡試驗臺架，對轉子進行動平衡檢測與校正，以滿足實際運行工況；③通過首次大修，掌握了機組結構與性能，為后期機組安全穩定運行奠定基礎。