汽輪機轉子裂紋現場去除工藝研究

范 超，方龍年

(上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠，上海 200240)

在上海汽輪機廠(上汽廠)生產的55 MW聯合循環(huán)雙壓凝汽式汽輪機的大修過程中，對該機組轉子調閥端汽封3處應力槽位置進行著色探傷時均發(fā)現轉子有裂紋。為避免現有位置裂紋的進一步發(fā)展，或轉子其他位置出現類似裂紋，影響機組后續(xù)安全運行[1-2]，檢修人員決定對該汽輪機轉子高壓軸封及軸頸進行切削加工處理。

轉子是汽輪機的重要部件，如果運回工廠進行修復加工，除了往返運輸費用和高額保費之外，還需配做專用轉子運輸工裝，這將大大增加修復的成本[3]。另外，該電廠位于南方某省，距離上汽廠路途遙遠，返廠加工會嚴重影響機組大修工期。因此，有必要在電廠現場對轉子進行改造加工。

為了解決現場轉子裂紋加工問題，并滿足后續(xù)此類機型轉子改造的需求，上汽廠開發(fā)了專用的成套加工設備，在某4號機大修項目過程中制定、完善了轉子現場裂紋的加工工藝，并成功實施。

本文將結合現場實際加工經驗，介紹該加工工藝過程，以期為后續(xù)類似機型的轉子改造提供參考。

1 方案、結構及工藝分析

1.1 轉子裂紋位置結構分析

轉子裂紋位置如圖1所示。該轉子為高中低壓整體式轉子，應力槽位置具有如下幾個特點：

1)高壓軸封共3段，直徑不一，分別為730 mm、696 mm、616 mm；

2)3段軸封之間為應力釋放槽，應力槽連接處由R角過渡，1號至3號槽槽深分別為56 mm、33 mm、112 mm；

3)為保證轉子裂紋去除后的轉子軸封處強度，要求裂紋去除總深度單邊不超過5 mm；

圖1 轉子裂紋位置

1.2 加工方案分析

轉子改造方案設計要求加工去除3處應力槽處的裂紋。在此基礎之上，為減小今后轉子在運行過程中產生的應力集中現象，還需要對應力槽型線進行重塑，擴大R角并由大斜面進行圓滑過渡。在加工完成之后，對已加工面進行拋光處理，進一步減少應力集中的產生。

加工方案如下：

1)以0.5 mm每刀的進給量對裂紋處進行挖深車削。去除完著色顯影處的裂紋后，再次進行著色探傷，若仍然出現裂紋，則繼續(xù)車削，直至車盡裂紋為止(需在總車削深度達到5 mm后停止)；

2)用標準R12圓形車刀對應力槽拐角處進行兜圓加工，確保槽底與槽側之間切線過渡；

3)以轉子汽封齒為基準，進行大斜面車削；

4)提高轉子加工轉速，分別用顆粒直徑0.15 mm(相當于100目)和顆粒直徑0.05 mm(相當于300目)的砂皮紙依次對已加工的表面進行拋光處理，使得其表面粗糙度達到1.6 μm。

2 工藝實現

2.1 設備結構及工作原理

為了滿足上述加工方案在電廠現場的實施，需開發(fā)一套穩(wěn)定性高、可方便拆卸的專用車床設備。

該設備用于轉子加工，需要一套托架對轉子兩端進行支撐。我們對比了兩套轉子支撐方案。方案1為利用鋼制滾輪架支撐轉子兩端軸頸，同時對兩端滾輪架整體墊高，保證轉子回轉直徑。方案2為利用靜壓托架支撐轉子，能夠保證轉子回轉直徑范圍。

經過對比，方案1設備方案簡單，但是在現場加工時，對兩端滾輪架中心位置要求高，設備校調過程煩瑣。另外，鋼制滾輪架支撐于轉子軸頸位置，容易對轉子軸頸造成損傷。方案2的靜壓托架支撐(如圖2所示)為柔性支撐，中心位置校調無需十分精確，支撐位置采用靜壓油膜懸浮式支撐，對轉子不會造成任何損傷，但是設備構造復雜，需配備一套完整的液壓系統。為了確保轉子軸頸的安全，我們最終采取方案2。

圖2 靜壓托架

轉子旋轉動力采用伺服電機進行驅動。液壓支撐結構對驅動設備的功率要求較低。驅動設備與轉子之間通過萬向聯軸節(jié)以及轉子連接盤進行搭連。驅動裝置描述如表1所示。

表1 驅動裝置描述

加工組件采用手動高負載十字托盤，能夠滿足轉子加工時的大余量切削要求。轉子應力槽的型線加工以及后續(xù)拋光工作由上汽廠有經驗的師傅通過手動十字托盤進給加工完成。

為了提高應力槽的加工精度，在設備上設計安裝了軸向及徑向止推限位裝置。

設備主要結構如圖3所示。

圖3 設備主要結構圖

2.2 刀具選擇

經過多次切削試驗，最終確定采用55°菱形車刀進行裂紋挖深，采用R12圓形車刀進行圓弧型線加工，采用95°菱形車刀進行大斜面的加工。刀具均采用可轉位硬質合金刀具，可以很好地適應現場復雜的加工環(huán)境。型線加工完成后，分別采用顆粒直徑0.15 mm(相當于100目)和顆粒直徑0.05 mm(相當于300目)的砂紙對加工部位進行打磨拋光。

2.3 工藝方案

要實現轉子現場改造，首先要對機組長期運行后轉子的變形量及轉子本體結構、材料的金屬性能等進行梳理。在此基礎上，結合轉子出廠前的加工和安裝工藝，我們制定了轉子的現場加工工藝方案，工藝流程如圖4所示。

圖4 現場改造工藝流程圖

2.3.1 設備搭建及校調

根據設計的部件位置尺寸，在電廠的0 m層對設備擺放位置進行劃線。按照圖4的流程，比對劃線位置，依次放置機床底板、靜壓托架、液壓裝置、旋轉驅動以及刀架。

安裝時，保證兩端支撐的靜壓托架回裝中心在一條直線上。通過對劃線位置的精確控制，實現靜壓托架位置中心粗調基準對齊。然后復測兩端靜壓托架對角線長度，用千斤頂進行位置微調，將長度值差控制在1 mm以內。

2.3.2 落轉子并測量跳動

將轉子從汽輪機層起吊至靜壓托架上。在轉子軸頸落至軸瓦上方10 mm左右時，開啟油箱頂軸油及回油。待轉子落至靜壓軸瓦上，手動盤動轉子，以此來判定靜壓軸瓦與轉子軸頸之間是否已形成完整的靜壓油膜。

靜壓軸瓦與瓦枕之間為球面接觸，圖5為靜壓軸瓦，圖6為瓦枕。該設計方案可以方便地調節(jié)靜壓軸瓦俯仰位置和左右旋轉角度，保證軸瓦面與轉子軸頸支撐面間隙一致，創(chuàng)造優(yōu)良的靜壓油膜形成環(huán)境。

圖5 靜壓軸瓦

圖6 瓦枕

在轉子軸頸處及靠背輪端面分別架一只靠表，用來測量轉子跳動量。通過調節(jié)徑向止推裝置和軸向止推裝置，使得轉子跳動幅值小于0.05 mm。

2.3.3 裂紋及應力槽型線車削

針對滲透檢測探傷顯示的裂紋位置，以每刀0.5 mm的進給量去除裂紋。在加工過程中使用放大鏡實時監(jiān)視切削部位裂紋的變化情況，在肉眼和放大鏡不能發(fā)現裂紋時進行一次著色探傷，檢查裂紋是否完全切除，盡可能以最小的切削量完全去除裂紋。

加工大斜面以及圓角時，應確保圓滑過渡，不得有接面的現象或表面明顯的凸起，通過加工，最大程度減小槽內應力集中。

2.3.4 加工表面檢測

在工藝的最后階段進行表面著色探傷，確認裂紋已完全去除。分別利用顆粒直徑0.15 mm(相當于100目)和顆粒直徑0.05 mm(相當于300目)的砂皮紙對加工表面進行拋光處理。測量加工表面粗糙度，記錄檢驗結果。

3 工程實踐

某燃氣輪機電廠聯合循環(huán)機組的汽輪機進行了大修，檢修人員發(fā)現轉子高壓軸封3處應力槽位置均有裂紋產生。為防止裂紋進一步擴展，影響機組后續(xù)安全運行，電廠委托上汽廠對該汽輪機轉子高壓軸封軸頸進行切削加工處理?，F場加工情況如圖7所示。

對3處裂紋加工處理時間(包含裂紋去除、型線加工及表面拋光處理)以及裂紋去除深度進行了統計，結果如表2所示。

表2 應力槽裂紋去除時長及加工深度統計

按照工藝方案對3處應力槽的裂紋情況進行著色檢查，并對其表面粗糙度進行檢驗，結果如表3所示。

轉子現場加工圖如圖7所示。7天內完成了該轉子3處裂紋的去除以及型線加工， 設備運行良好。考核指標滿足圖紙要求，加工后的表面粗糙度小于1.6 μm，且加工面均圓滑過渡，無明顯凸起點。應力槽加工效果如圖8所示。

表3 應力槽加工結果

圖7 轉子現場加工圖

圖8 應力槽加工效果圖

4 結 論

本文通過分析55 MW聯合循環(huán)機組汽輪機轉子裂紋產生的位置及轉子的結構，介紹了現場去除轉子裂紋的方法。程序化、固化在線改造工藝流程，有利于保證電廠現場加工質量、縮短改造工期。該方法具有的優(yōu)勢總結如下：

1)該套改造工藝方案可解決轉子電廠現場改造問題，具有快速、高效、準確的特點；

2)轉子現場改造工藝技術可靠，后續(xù)可推廣至其他具有類似結構的機組改造中。