國核示范電站有限責(zé)任公司 李永康 沈郁昕 連永亮

在核電廠汽輪機檢修工作中，通流間隙測量調(diào)整其精確程度對機組運行安全性和經(jīng)濟性有著重要影響，若間隙偏小則容易發(fā)生動靜碰磨，機組振動增大，若間隙偏大，則會增加級間泄漏量，影響機組效率。根據(jù)對某300MW 汽輪機高壓進行計算，徑向通流間隙每增大0.1mm，對級效率對影響在0.1%～0.2%[1]。

1 激光法通流間隙測量原理介紹

激光法測量通流間隙是一種以激光跟蹤儀為基礎(chǔ)，開發(fā)相應(yīng)測量工具并分別測量轉(zhuǎn)動部件及靜止部件的軸向、徑向等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過SA 軟件將靜轉(zhuǎn)部件數(shù)據(jù)進行擬合，最終計算得到汽輪機通流間隙數(shù)據(jù)[2]。

激光測量汽輪機通流間隙專用設(shè)施主要由激光跟蹤儀（API）、測量靶球、萬向轉(zhuǎn)子測量延長桿、磁吸式十字矢量桿、十字矢量桿與汽封齒固定工裝以及計算機組成。測量時，使用相應(yīng)的工裝將靶球與被測量部件表面貼合，由激光跟蹤儀射出激光并鎖定至測量靶球中心處，確定測點在激光跟蹤儀自帶的球坐標中的位置，經(jīng)過靶球平行反射回激光跟蹤儀后計算激光發(fā)射、反射時間，計算出該點位相對于激光跟蹤儀的空間坐標位置，使用計算機通過SA 軟件計算并收集數(shù)據(jù)進行分析，最終通過坐標點形式顯示出來。激光跟蹤儀單一測量點誤差可＜0.0005mm/m，連續(xù)轉(zhuǎn)站后測量誤差累計＜0.005mm。

2 激光法測量通流間隙優(yōu)缺點

2.1 激光法測量通流間隙的優(yōu)點

一是可對汽輪機動、靜相關(guān)部件尺寸進行直接測量，能夠在徑向通流間隙上相對真實的反映全實缸狀態(tài)。傳統(tǒng)方法對左、右兩側(cè)間隙使用楔形塞尺在半缸下落轉(zhuǎn)子測量，底部間隙在半缸下落轉(zhuǎn)子壓鉛絲測量，頂部間隙落轉(zhuǎn)子后扣上缸測量，以上測量狀態(tài)都距離全實缸狀態(tài)差異較大，對于大型百萬千瓦核電機組，這種差異更大，也很難準確模擬。半缸到全缸狀態(tài)下，缸體的變化趨勢為兩端向外有一定張口，同類項目通過架設(shè)百分表測得變化量可達6mm，中分面螺栓把緊后，張口和垂弧會一定程度上減少。

二是測量精度高?，F(xiàn)場通過使用激光跟蹤儀測量標準件驗證其精度，激光跟蹤儀測量精度可達10μm+5μm/m。在進行多次轉(zhuǎn)站測量后，其測量精度仍可保證不低于0.005mm/m。

2.2 激光法測量通流間隙局限性

一是對測量環(huán)境要求較高。由于激光跟蹤儀屬于高精度測量設(shè)備，測量過程中若出現(xiàn)較大振動源，如行車運行、重型汽車經(jīng)過、機床加工等，地面可能會產(chǎn)生較大波動，此時會直接影響測量結(jié)果，且此類影響會根據(jù)測量距離增加而放大。

二是測量過程對溫度變化率要求較高，過高的溫度變化率體現(xiàn)在大型汽輪機上可直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子、靜子出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，直接影響測量結(jié)果，因此測量過程中，現(xiàn)場溫度變化不應(yīng)超過5℃。

三是對于剛性支撐軸承的汽輪機適用程度較高，根據(jù)使用百分表實際測量，百萬千瓦核電汽輪機轉(zhuǎn)子在落入軸承箱后，軸承箱下沉量為0.05～0.07mm。對于使用坐缸式軸承的汽輪機，則需要考慮轉(zhuǎn)子落入軸承箱后帶來的較大的缸體變形量，并在進行通流間隙數(shù)據(jù)擬合時進行修正。

3 激光法測量通流間隙方案介紹

3.1 轉(zhuǎn)子測量方案

在轉(zhuǎn)子周圍布置轉(zhuǎn)站點，使用激光跟蹤儀測量轉(zhuǎn)站點坐標建立空間坐標系。轉(zhuǎn)站點的布置要保證在任意1個站位至少可以看到4個轉(zhuǎn)站點。為避免多次轉(zhuǎn)站的累計誤差，在汽輪機周邊布置多個轉(zhuǎn)站點，保證激光跟蹤儀在任何位置都可以看到至少其中的6個點，跟蹤儀一次測量所有的轉(zhuǎn)站點，作為站位1的基準，以后每次移動跟蹤儀時，測量任意6個以上轉(zhuǎn)站點，使其和站位1的坐標系統(tǒng)一。這樣每次移動跟蹤儀都是和站位1的坐標系統(tǒng)一，即便多次轉(zhuǎn)站，誤差也不累積。布置轉(zhuǎn)站點過程中應(yīng)盡可能將轉(zhuǎn)站點布置的在空間上高低錯落分布，避免出現(xiàn)過于規(guī)則的轉(zhuǎn)站圖形。具體的布置情況需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境來定，總體原則只要保證任意站位能看到其中6個以上轉(zhuǎn)站點即可。

測量過程中通過移動激光跟蹤儀，測量相應(yīng)轉(zhuǎn)站點確定激光跟蹤儀空間坐標系位置后，逐步測量轉(zhuǎn)子軸頸、圍帶等位置，最終形成轉(zhuǎn)子空間坐標系。通過擬合轉(zhuǎn)子兩端軸頸數(shù)據(jù)引申出轉(zhuǎn)子中心線，確定每一級圍帶中心位置，得出圍帶直徑、轉(zhuǎn)子撓度、轉(zhuǎn)子軸頸等數(shù)據(jù)。

3.2 靜止部件測量方案

靜子部分的測量主要集中在軸承箱油擋、高中壓缸缸體端部汽封、隔板汽封、葉頂汽封洼窩的測量，其中葉頂汽封齒的測量是技術(shù)難點，由于葉頂汽封齒距離中徑較遠，處在深槽中，空間狹小，需采用十字矢量桿工裝將測量延伸出來進行測量。完成數(shù)據(jù)采集后使用高中壓缸軸封內(nèi)徑中心作為缸體中心線，確定每一級隔板、葉頂汽封相應(yīng)直徑坐標系。

4 測量注意要點

一是激光跟蹤儀支撐的有效性。激光跟蹤儀的穩(wěn)定性對測量結(jié)果至關(guān)重要，因此激光跟蹤儀應(yīng)盡量架設(shè)在缸體兩端軸承箱內(nèi)，并且應(yīng)避免人員走動、觸碰。激光跟蹤儀支架建議采用吸盤式支架固定，避免破壞軸承箱內(nèi)壁涂有的耐油油漆。

二是消除汽輪機端汽封錯口導(dǎo)致的測量誤差。高中壓缸上下半分缸加工過程中，不可避免的會在汽封中分面存在錯口現(xiàn)象。如果出現(xiàn)錯口情況，在使用激光跟蹤儀測量、擬合汽封圓弧時，會導(dǎo)致最終擬合出的圓弧存在一定傾角，造成圓弧垂面與中心線不垂直，影響測量結(jié)果。因此，在進行測量取點前應(yīng)首先檢查汽輪機端汽封的汽封齒是否存在錯口情況。

三是控制誤差。每個缸測量前，應(yīng)至少進行兩次基準坐標取點，并對比兩次測量結(jié)果，確?；鶞收`差控制在0.03mm 內(nèi)，測量中斷1h 后，重新測量前應(yīng)對轉(zhuǎn)站點進行復(fù)測，轉(zhuǎn)站點坐標誤差應(yīng)控制在0.03mm內(nèi)。每次移動激光跟蹤儀后，應(yīng)依次測量轉(zhuǎn)站點，測量轉(zhuǎn)站誤差，轉(zhuǎn)站誤差應(yīng)在0.05mm 內(nèi)。

5 激光通流技術(shù)在百萬千瓦核電機組測量應(yīng)用

某新建核電廠使用東汽HD1520A 型核電汽輪發(fā)電機組，是一臺單軸4缸6排汽沖動冷凝式汽輪機，功率為1534MW，汽輪機組涵蓋靜子部件與轉(zhuǎn)子部件兩部分內(nèi)容。靜子部分涵蓋軸承座、軸承、端部汽封、中間汽封體、隔板、汽缸等；轉(zhuǎn)子部分涵蓋主軸、葉輪、動葉片及連接件、聯(lián)軸器等部件。

按上述測量方案對HD1520A 型汽輪機分別進行激光法通流間隙測量和傳統(tǒng)壓鉛絲法通流間隙測量方式，兩種測量方式得到的數(shù)據(jù)在趨勢上體現(xiàn)了半缸到全實缸狀態(tài)下變化，即兩側(cè)均有較小程度的變大，底部間隙在未進行軸承箱下沉量修正之前較大?，F(xiàn)場通過對激光法通流間隙測量過程的跟蹤和結(jié)果分析，可以確定激光法測量通流間隙的數(shù)據(jù)是可靠的。

5.1 高中壓缸測量數(shù)據(jù)

圖1 汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子測量數(shù)據(jù)

5.2 低壓缸測量數(shù)據(jù)

5.2.1 測量結(jié)果

一是高中壓轉(zhuǎn)子實測值與理論值吻合；二是低壓轉(zhuǎn)子直徑與理論直徑相符，低壓轉(zhuǎn)子圍帶直徑越大出現(xiàn)的偏差越大；三是激光法測量通流間隙結(jié)果與總裝測量數(shù)據(jù)偏差較小，基本處于0.01～0.25mm，測量結(jié)果滿足測量需求。

圖2 汽輪機高中壓缸左右間隙圖

5.2.2 結(jié)果分析

一是低壓轉(zhuǎn)子圍帶處直徑激光測量結(jié)果超出理論值情況有以下兩種可能：圍帶安裝工藝導(dǎo)致最終直徑出現(xiàn)偏差；動平衡試驗導(dǎo)致最終直徑出現(xiàn)偏差。低壓轉(zhuǎn)子在安裝完成后會進行動平衡試驗，調(diào)整轉(zhuǎn)子動平衡，圍帶安裝后葉根之間存在一定量的間隙，動平衡試驗過程中產(chǎn)生較大的離心力導(dǎo)致葉片向外，消除葉片之間的間隙，最終導(dǎo)致低壓轉(zhuǎn)子圍帶處直徑高于理論值較多。

二是激光法測量通流間隙與壓鉛絲法測量出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差主要有以下幾種可能：第一，使用壓鉛絲法測量時汽輪機缸體會出現(xiàn)兩種形變，一種為軸向形變，一種為徑向形變；軸向形變原因為落入轉(zhuǎn)子后由于轉(zhuǎn)子重量導(dǎo)致軸承箱出現(xiàn)下沉，高中壓缸通過貓爪由軸承箱承重，最終出現(xiàn)汽輪機缸體軸向下沉，此部分下沉量已通過現(xiàn)場測量后進行數(shù)據(jù)修正；徑向形變的原因為汽輪機上半缸落下時在中分面與下半缸接觸，由于缸體重量較大，汽輪機缸體會出現(xiàn)徑向的沿中分面左右向外的變形和徑向垂直于中分面上下方向向內(nèi)的變形，缸體變形量約在0.3～0.4mm 范圍內(nèi)，此變形量會在緊固中分面螺栓后消失，但由于上下間隙會出現(xiàn)偏小問題，鉛絲已經(jīng)出現(xiàn)受壓痕跡，因此壓鉛絲法無法完全測量出真實的通流間隙，激光法測量通流間隙和壓鉛絲法測量通流間隙存在0.1～0.2mm 以內(nèi)偏差屬于正常現(xiàn)象。

第二，由于激光跟蹤儀屬于高精度測量儀器，測量精度可達0.005mm，對振動極其敏感，因此影響測量的振動源種類更多，車輛經(jīng)過、現(xiàn)場工作產(chǎn)生的噪聲、行車運行、大件設(shè)備吊裝等都會造成測量偏差，根據(jù)現(xiàn)場試驗在10m 左右距離測量受上述因素影響測量誤差約在0.05mm 左右。

第三，激光法通流間隙測量與壓鉛絲法通流間隙測量主要區(qū)別在于是否存在轉(zhuǎn)子，由于汽輪機轉(zhuǎn)子較重，在汽輪機轉(zhuǎn)子落入軸承箱后由于重力原因會造成軸承箱下沉，導(dǎo)致最終激光法通流間隙測量結(jié)果與實際情況出現(xiàn)偏差，根據(jù)測量得出轉(zhuǎn)子落入軸承箱后軸承箱會出現(xiàn)0.05～0.07mm 的下沉量，因此激光法通流間隙測量完成后需要對軸承箱下沉量進行修正。

6 效果對比

通過同行電廠汽輪機使用壓鉛絲法進行通流間隙測量調(diào)整與總裝廠內(nèi)汽輪機使用激光法測量調(diào)整通流間隙進行對比。高中壓缸測量時間：同行電廠使用傳統(tǒng)方法測量調(diào)整汽輪機高中壓通流間隙時間約為262h，汽輪機總裝廠內(nèi)使用激光法測量調(diào)整通流間隙時間為62h。低壓缸測量時間：同行電廠使用傳統(tǒng)方法測量調(diào)整汽輪機低壓通流間隙時間約為193.6h，汽輪機總裝廠內(nèi)激光法通流間隙測量調(diào)整時間為54h。

綜上所述，激光法測量通流間隙屬于一種可行、科學(xué)的檢測手段，相比于傳統(tǒng)壓鉛絲、塞尺測量、貼膠布等方案具有工期短、工序簡單、風(fēng)險小以及進度高等特點，可以充分減少維修成本以及作業(yè)風(fēng)險，利用激光法開展通流間隙測量工作，推廣應(yīng)用價值較為突出。