文/河南華潤(rùn)電力首陽(yáng)山有限公司工程師 陳春順 關(guān)紅只

600MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受損后的處理及強(qiáng)度校核

文/河南華潤(rùn)電力首陽(yáng)山有限公司工程師 陳春順 關(guān)紅只

一、引言

某發(fā)電有限責(zé)任公司#1發(fā)電機(jī)系東方電機(jī)股份有限公司引進(jìn)日本日立公司技術(shù)合作生產(chǎn)的QFSN——600——2-22三相同步汽輪發(fā)電機(jī)，其冷卻方式為水-氫-氫，采用機(jī)端自并勵(lì)靜止勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子重量68t，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)6909 m m，工件最大直徑為1124mm，于2006年投產(chǎn)。2009年9月發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子距離對(duì)輪140mm處嚴(yán)重磨損，利用機(jī)組C級(jí)檢修機(jī)對(duì)該軸頸進(jìn)行了精車(chē)與精磨,獲得了良好的效果。

二、電機(jī)轉(zhuǎn)子受損情況及經(jīng)過(guò)

2009年4月27日上午10:03，該公司#1機(jī)組負(fù)荷514MW，7Y軸振由57μm迅速爬升，10:13上升至130μm，之后將負(fù)荷降低至444MW；11:29降至61μm，12:09再次爬升至185μm，12:34又降至73μm，然后再次攀升；啟動(dòng)頂軸油泵，13:06爬升至193μm，再次降負(fù)荷至400MW；13:36降至80μm，13:53上升至163μm，14:11降低至46μm，然后小幅波動(dòng)；16:40基本趨穩(wěn)至72μm，18:06振動(dòng)趨穩(wěn)至75μm，再無(wú)大的波動(dòng)。期間軸振3Y、4Y、5X、5Y、6X、6Y、7X、8X、8Y也隨著波動(dòng)，平時(shí)振幅相對(duì)較小的#6瓦、#7瓦瓦振也明顯增大。在7Y軸振較大時(shí)，盤(pán)車(chē)箱處有較大異常噪音，拆除盤(pán)車(chē)箱軸承蓋觀察孔，發(fā)現(xiàn)低發(fā)對(duì)輪罩殼有較大幅度的振動(dòng)，振動(dòng)穩(wěn)定后罩殼較穩(wěn)(參看圖1)。

2010年9月25日小修時(shí)，經(jīng)解體#6瓦軸承蓋，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接對(duì)輪罩殼左側(cè)水平位置固定的螺栓斷裂，前側(cè)底部支撐螺栓彎曲，后側(cè)底部支撐螺栓斷裂，汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接對(duì)輪罩殼上部?jī)啥嘶九c頂部轉(zhuǎn)子接觸。解體對(duì)輪罩殼后，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子距離對(duì)輪140mm處嚴(yán)重磨損，受損部位產(chǎn)生一上口寬為17.76mm、槽底寬為14.12 mm、深度為9.70 mm的梯形槽(見(jiàn)圖2)；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受損處設(shè)計(jì)直徑為610 mm，材質(zhì)為25Cr2Ni4MoV。對(duì)發(fā)電機(jī)磨損部位進(jìn)行著色探傷，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，對(duì)發(fā)電機(jī)磨損部位兩邊做硬度檢查，硬度值為HB216-225。

三、轉(zhuǎn)子受損部位的修復(fù)

修復(fù)大型回轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子軸頸一般有兩種方法, 一種方法是修補(bǔ)法, 即對(duì)研磨損傷的溝痕采用刷鍍、噴焊、噴涂、激光熔覆焊、等離子焊以及氣體保護(hù)微弧焊等方法進(jìn)行填充修補(bǔ), 然后用手工研磨或其他機(jī)械加工方法，將高出軸頸面的多余部分去除。這種方法的基本思路是保持原有軸頸的直徑不變。但針對(duì)轉(zhuǎn)子受損情況較為嚴(yán)重，如果采用補(bǔ)焊修補(bǔ)方法，會(huì)存在焊接熔池小，造成被焊接設(shè)備和焊料快速冷卻而產(chǎn)生的淬火問(wèn)題, 產(chǎn)生金相變化, 使表面硬度分布不均或產(chǎn)生微裂紋。另一種方法是采用去除法, 即用車(chē)削和研磨的方法加工，但一般要求把轉(zhuǎn)子返回制造廠上車(chē)床加工。由于機(jī)組C級(jí)檢修工期較短，經(jīng)過(guò)與廠家商討確定采用現(xiàn)場(chǎng)精車(chē)和精磨加工。

計(jì)劃安排汽輪發(fā)電機(jī)不抽轉(zhuǎn)子，不解列汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器, 在發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)安裝固定刀具的基準(zhǔn)工作臺(tái)并固定刀具進(jìn)行修復(fù)。第一步首先將轉(zhuǎn)子受損梯形槽底部精車(chē)；第二步在梯形槽底部精車(chē)的基礎(chǔ)上，采用R5圓角(R=5mm)過(guò)渡到兩側(cè)壁，以保證盡量減少轉(zhuǎn)子直徑方向上的車(chē)削量；第三步從兩側(cè)壁采用R1過(guò)渡到轉(zhuǎn)子的原始表面；第四步用立方氮化硼作為磨料對(duì)上訴加工面進(jìn)行精磨(見(jiàn)圖3)。

四、轉(zhuǎn)子受損部位修復(fù)后的檢查

1.整個(gè)工期共用9天，修復(fù)后經(jīng)西安熱工研究院進(jìn)行金相組織檢查并與制造廠提供的金相組織對(duì)比，沒(méi)有老化跡象。

2.強(qiáng)度校核

1)轉(zhuǎn)軸所承受的扭力矩M=(N×1000×60)/(2πn) =(600×1000×1000×60)/(2×3.14×3000)=1910828.025N?m

其中，M：轉(zhuǎn)軸所承受的扭力矩，單位N?m(牛頓?米)

N：功率，單位KW(千瓦)

n：轉(zhuǎn)速，單位r/min(轉(zhuǎn)/分鐘)

2)轉(zhuǎn)軸所承受的扭矩T=M=1910828.025N?m

3)軸的截面抗扭截面模量WP= (π?d3)/16

其中，WP：實(shí)心圓軸的截面抗扭截面模量，單位mm3

d：圓軸直徑，單位mm

按設(shè)計(jì)直徑(610mm)計(jì)算抗扭截面模量WP1為：

WP1= (π?d13)/16=(3.14×6103)/16=44545021.25 mm3

按受損后直徑(590.3mm)計(jì)算抗扭截面模量WP2為：

WP2= (π?d23)/16=(3.14×590.33)/16= 40367143.18 mm3

4)軸的截面扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ=T/ WP

其中，τ：實(shí)心圓軸的截面扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，單位MPa(兆帕)

按設(shè)計(jì)直徑計(jì)算截面扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ1為：

τ1=T/ WP1=1910828.025×1000/44545021.25=42.9MPa

按受損后直徑計(jì)算截面扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ2為：

τ2=T/ WP2=1910828.025×1000/40305628.75=47.4MPa

5)修復(fù)后圓角為R5，選取1.7倍的應(yīng)力集中系數(shù)后的截面扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力σ2為：

6)強(qiáng)度校核

25Cr2Ni4MoV的條件屈服極限σ0.2為650～755 MPa，取σ0.2=650 MPa，安全系數(shù)取2.5，則許用應(yīng)力[σ0]為：

由于25Cr2Ni4MoV為塑性材料，扭轉(zhuǎn)極限應(yīng)力[σ]為0.5～0.6倍的許用應(yīng)力，取0.55計(jì)算得轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)極限應(yīng)力[σ]為：

因?yàn)棣?﹤[σ]，所以轉(zhuǎn)子強(qiáng)度符合要求。

五、結(jié)論

由于采用了在線(xiàn)加工的方案, 使機(jī)組檢修工期內(nèi)轉(zhuǎn)子損傷得到了修復(fù)，機(jī)組C級(jí)檢修后一次起動(dòng)成功, 機(jī)組振動(dòng)振幅明顯降低且穩(wěn)定。上述結(jié)果表明, 經(jīng)過(guò)在線(xiàn)精車(chē)、精磨加工后，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡完全滿(mǎn)足了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

責(zé)編/王圣媛