汽輪機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子鍛件的熱穩(wěn)定性試驗方法比較分析

何 成 劉中華 劉京偉 潘飛燕 林 云

(1.杭州汽輪動力集團(tuán)有限公司，浙江310016；2. 杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江310003)

汽輪機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子鍛件的熱穩(wěn)定性試驗方法比較分析

何 成1劉中華1劉京偉2潘飛燕2林 云2

(1.杭州汽輪動力集團(tuán)有限公司，浙江310016；2. 杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江310003)

不同國家的汽輪機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子鍛件的熱穩(wěn)定性試驗標(biāo)準(zhǔn)對試驗溫度、試驗方法及驗收規(guī)定均不相同。本文比較了中國的JB標(biāo)準(zhǔn)、美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)和德國的SEP標(biāo)準(zhǔn)中熱穩(wěn)定性試驗的差異以及對實際生產(chǎn)的影響。

熱穩(wěn)定性試驗；轉(zhuǎn)子鍛件；試驗標(biāo)準(zhǔn)

隨著汽輪機(jī)組的大型化，轉(zhuǎn)子鍛件的尺寸和重量也日益增加，對轉(zhuǎn)子的性能要求也不斷提高，而熱穩(wěn)定性試驗作為轉(zhuǎn)子驗收的一個重要環(huán)節(jié)也越來越受到廠家重視。

1 熱穩(wěn)定性試驗比較分析

1.1 試驗標(biāo)準(zhǔn)比較

不同國家的熱穩(wěn)定性試驗標(biāo)準(zhǔn)對試驗溫度、試驗方法及驗收標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定不同。目前常見的有德國的SEP 1950—1997《渦輪機(jī)軸的熱穩(wěn)定性試驗》，美國的ASTM A 472—2007《汽輪機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子鍛件的熱穩(wěn)定性試驗規(guī)范》以及中國的JB/T 9021—2010《汽輪機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子鍛件的熱穩(wěn)定性試驗方法》[1-3]。這三個國家標(biāo)準(zhǔn)的比較見表1。

從表1可以看出，中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)基本一致，但對于驗收標(biāo)準(zhǔn)有不同規(guī)定，而德國標(biāo)準(zhǔn)和中、美標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異。

1.2 試驗溫度比較

美國標(biāo)準(zhǔn)對于熱穩(wěn)定性試驗的試驗溫度沒有具體規(guī)定，而是作為鍛件訂貨時必須要明確的一個條件。其僅注明當(dāng)把消除應(yīng)力作為熱穩(wěn)定性試驗的一部分時，要求去應(yīng)力退火溫度比最終回火溫度低30～55℃，保溫后降低到規(guī)定溫度再進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗(允許臥式除應(yīng)力)。這里需要明確的是，熱穩(wěn)定性試驗不是去應(yīng)力退火，只是將熱穩(wěn)定性試驗與去應(yīng)力退火放在一起操作。將轉(zhuǎn)子先加熱到去應(yīng)力退火溫度，待去應(yīng)力退火結(jié)束后再冷卻到熱穩(wěn)定性試驗溫度進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗。這樣做的好處是去應(yīng)力退火后不用再加熱做熱穩(wěn)定性試驗，可以節(jié)約成本。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)2010版規(guī)定，試驗溫度由轉(zhuǎn)子鍛件需方規(guī)定，但沒有提及“把消除應(yīng)力作為熱穩(wěn)定性試驗的一部分”，這是因為國內(nèi)目前不允許臥式除轉(zhuǎn)子應(yīng)力。

德國標(biāo)準(zhǔn)對熱穩(wěn)定性試驗溫度做出了相關(guān)建議(具體溫度還是由需方規(guī)定)，既要求試驗溫度高于工作溫度150℃以上，同時還應(yīng)滿足低于回火溫度30～60℃的要求。雖然德國標(biāo)準(zhǔn)對溫度的要求較高，但其總結(jié)了五種熱穩(wěn)定性試驗特性形式，見圖1，并針對不同情況進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

如圖1所示，五種跳動形式中，A、C′和D這三種基本形式是由于熱穩(wěn)定性試驗裝置和轉(zhuǎn)子之間發(fā)生的熱輻射而產(chǎn)生，主要因轉(zhuǎn)子表面的缺陷(如各種不同的氧化、粗糙度或者污垢等)而引起，與轉(zhuǎn)子性能沒有關(guān)系。因為在機(jī)組運行時發(fā)生的熱傳遞方式不同于熱穩(wěn)定性試驗，這幾種現(xiàn)象在實際運行時不會出現(xiàn)。

表1 三個國家熱穩(wěn)定試驗標(biāo)準(zhǔn)比較Table 1 The comparison of thermal stability test standard of three countries

(a)跳動形式A

(b)跳動形式C′

(c)跳動形式D

(d)跳動形式B

(e)跳動形式C圖1 熱穩(wěn)定性試驗特性形式Figure 1 The characteristics of thermal stability test

基本形式B是由于轉(zhuǎn)子中非對稱分布的內(nèi)應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生的，將應(yīng)力釋放的影響消除后，該轉(zhuǎn)子可以用于運行。基本形式C的原因是轉(zhuǎn)子的熱延伸系數(shù)不均勻，轉(zhuǎn)子的跳動隨著溫度的上升而增大，在最高溫度時跳動達(dá)到最大值，而在冷卻后又回到跳動的起始值，即跳動幅度依賴于溫度的變化，為雙金屬特性。當(dāng)出現(xiàn)基本形式C的跳動時，可將試驗溫度調(diào)整到轉(zhuǎn)子最高工作溫度后再進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗。

試驗時出現(xiàn)基本形式B，可對轉(zhuǎn)子去應(yīng)力退火后重新車削加工即可；而對于基本形式C，可通過控制試驗溫度至最高工作溫度進(jìn)行試驗，如果還不能滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)，則判定轉(zhuǎn)子報廢。

1.3 驗收標(biāo)準(zhǔn)比較

1.3.1 美國標(biāo)準(zhǔn)

美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗時記錄每條測試帶上A、B、C、D四個點的跳動值，由正式的熱測和正式的第二次冷測的差值確定鍛件的偏心值不超過0.001 in(0.025 mm)，則鍛件是合格的。偏心值的測定方法為：在驗收時將A點正式熱測值減去A點正式的第二次冷測值得到的差值，B、C、D三點也按相同方法得到差值。

以選取某轉(zhuǎn)子的一個測試帶為例，在一個采樣周期內(nèi)，正式的第一次冷測值為A1、B1、C1、D1，正式熱測值為A2、B2、C2、D2，正式的第二次冷測值讀數(shù)為A3、B3、C3、D3。

定義差值S1=A2-A3，S2=B2-B3，S3=C2-C3，S4=D2-D3。

判定轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性合格的要求為每條測試帶的四個差值中的最大正值和最大負(fù)值的絕對值之和≤0.05 mm，即：

(1)如S1、S2、S3、S4四個值中有正值和負(fù)值，則取其中的最大正值和最大負(fù)值的絕對值之和≤0.05 mm；

(2)如S1、S2、S3、S4四個值都為正值或負(fù)值，則取其中的最大值減去最小值的絕對值≤0.05 mm。

需要注意的是，ASTM A 472中的“任何一條測試帶相加后的最大撓度不得超過0.05 mm”引起過許多爭議。在JB/T 9021—1999中的規(guī)定與ASTM A 472是一樣的。而在JB/T 9021—2010中，則為最大跳動值不得超過0.05 mm，與最大繞度相差兩倍。

1.3.2 中國標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗時記錄每條測試帶上A、B、C、D四個點的跳動值，在驗收時將A點正式熱測值減去A點正式的第二次冷測值得到差值，B、C、D三點也按相同方法得到相應(yīng)差值。要求這四個差值的絕對值均≤0.025 mm，每條測試帶的四個差值中的最大正值和最大負(fù)值的絕對值之和≤0.05 mm，第一次冷測值與第二次冷測值之差≤0.05 mm。

以選取某轉(zhuǎn)子的一個測試帶為例，在一個采樣周期內(nèi)，正式的第一次冷測值為A1、B1、C1、D1，正式熱測值為A2、B2、C2、D2，正式的第二次冷測值讀數(shù)為A3、B3、C3、D3。

定義差值S1=A2-A3，S2=B2-B3，S3=C2-C3，S4=D2-D3。

差值的絕對值為λ1=|S1|，λ2=|S2|，λ3=|S3|，λ4=|S4|。

兩次冷測值差H1=|A1-A3|，H2=|B1-B3|，H3=|C1-C3|，H4=|D1-D3|。

判定轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性合格的要求為：

(1)λ1、λ2、λ3、λ4≤0.025 mm，

(2)四個差值中的最大正值和最大負(fù)值的絕對值之和≤0.05 mm，

(3)H1、H2、H3、H4≤0.05 mm。

1.3.3 德國標(biāo)準(zhǔn)

德國標(biāo)準(zhǔn)要求試驗時記錄每條測試帶上8～12個點的跳動值，溫度、跳動高度和跳動的相位隨時間的變化如圖2所示，圖3是極坐標(biāo)圖(矢量圖)。在繪制極坐標(biāo)圖時使用測量時刻Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的相位和跳動高度。相位是用在極坐標(biāo)圖的圓周上標(biāo)出的分度點和中心點的連接線表示，在測量時刻Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ所測得的跳動值根據(jù)其相位在各自的連接線上從極坐標(biāo)圖中心起標(biāo)將其標(biāo)注出來。其中：

測量時刻Ⅰ是在加熱前測量冷跳動的時刻；

測量時刻Ⅱ是軸中溫度達(dá)到平衡，開始保溫的時刻；

測量時刻Ⅲ是保溫結(jié)束的時刻(熱跳動)；

測量時刻Ⅳ是最終測量冷跳動的時刻。

圖2 被測量圓周表面區(qū)域的熱穩(wěn)定性試驗圖Figure 1 The diagram of thermal stability test in the area of measured circumferential surface

圖3 熱穩(wěn)定性試驗極坐標(biāo)圖Figure 3 The polar diagram of thermal stability test

最大跳動值等于熱測值和最終冷測值之差，若每1 m轉(zhuǎn)子間距的最大跳動值≤0.02 mm，且總跳動量≤0.05 mm，則判定轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性試驗合格。

例如，某測試帶對應(yīng)A、B、C、D四個方位的一組讀數(shù)為0、1.0、1.5、2.0(單位為0.01 mm)，則該組讀數(shù)在極坐標(biāo)圖中對應(yīng)點為R，見圖4。R的位置求得方法：由O點開始，A方向位移為0對應(yīng)O點，B方向位移為1.0得P點，C方向位移為1.5得Q點，D方向位移為2.0得R點。

德國標(biāo)準(zhǔn)在實際應(yīng)用時，測試點應(yīng)達(dá)到8～12個。捷克某汽輪機(jī)廠完全按照SEP 1950執(zhí)行熱穩(wěn)定性試驗，其繪制的熱穩(wěn)定性試驗報告如圖5所示。采用極坐標(biāo)圖法，且測量點較多時，熱穩(wěn)定性試驗的測定結(jié)果更精確，但在具體試驗操作時較繁瑣。

圖4 熱穩(wěn)定性試驗極坐標(biāo)繪制圖Figure 4 The polar diagram of thermal stability test

圖5 捷克廠家繪制的熱穩(wěn)定性試驗報告圖

Figure 5 The report graphic of thermal stability test

另外，相關(guān)文獻(xiàn)也提及到另一種數(shù)據(jù)的處理驗收標(biāo)準(zhǔn)(歐洲廠家)[4]，其物理意義等同于德國標(biāo)準(zhǔn)，而測試點只有四個。以選取某轉(zhuǎn)子的一個測試帶為例，在一個采樣周期內(nèi)，正式的第一次冷測值為A1、B1、C1、D1，正式熱測值為A2、B2、C2、D2，正式的第二次冷測值讀數(shù)為A3、B3、C3、D3。

定義差值x1=B2-D2，y1=A2-C2x2=B3-D3，y2=A3-C3

總跳動量計算公式：

若λ≤0.05mm，則轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性試驗合格?？偺鴦恿喀擞嬎惴椒ㄒ妶D6。

圖6 λ計算方法示意圖Figure 6 The sketch of λ computing method

2 結(jié)論

通過對目前通用的幾種汽輪機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子鍛

件的熱穩(wěn)定性試驗標(biāo)準(zhǔn)的比較，得出以下結(jié)論：

(1)熱穩(wěn)定性試驗具體溫度由需方?jīng)Q定，各國均未強(qiáng)制規(guī)定，僅德國標(biāo)準(zhǔn)提出詳細(xì)建議。

(2)德國標(biāo)準(zhǔn)中每條測試帶上的測試點數(shù)量多于中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)，測量精度更高。

(3)中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)采用的計算方法簡單，但物理意義不清楚，存在較大的爭議；德國標(biāo)準(zhǔn)的計算方法比較復(fù)雜但物理意義清晰。

[1] JB/T 9021. 汽輪機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子鍛件的熱穩(wěn)定性試驗方法[S]，2010.

[2] ASTM A 472/A 472M. Standard Specification for Heat Stability of Steam Turbine Shafts and Rotor Forgings[S]，2007.

[3] SEP 1950. Warmrundlaufprüfung an Turbinenwellen[S]，1997.

[4] 于秀平，王群，孫煜偉，張國利. 轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性測試方法分析[J]. 大型鑄鍛件，2012(3):21.

編輯 杜 敏

Comparative Analysis of Thermal Stability Test Method for Steam Turbine Main Shaft and Rotor Forgings

He Cheng, Liu Zhonghua, Liu Jingwei, Pan Feiyan, Lin Yun

There is a difference of the test temperature, the test method and the acceptance stipulation of thermal stability test specification for steam turbine main shaft and rotor forgings in different countries. The difference of thermal stability test of JB standard, ASTM standard and SEP standard has been compared, as well as the influence on the actual production.

thermal stability test; rotor forgings; test standard

2016—07—26

TG316

A