軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡異常檢測(cè)及 激光再制造修復(fù)

易濤，周武軍，鄒新長(zhǎng)，吳恬，陶家友

(1.中國石化荊門分公司設(shè)備工程部，湖北 荊門 448000；2.岳陽大陸激光技術(shù)有限公司，湖南 岳陽 414000； 3.中國石化茂名分公司煉油分部機(jī)動(dòng)工程室，廣東 茂名 525011； 4.湖南理工學(xué)院，信息光子學(xué)與空氣光通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 岳陽 414006)

0 引言

2021 年中石化某分公司的催化裝置停工大修，按計(jì)劃對(duì)軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢測(cè)。將轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片和鎖緊組件進(jìn)行拆卸，并逐級(jí)逐片進(jìn)行探傷檢查。動(dòng)葉片組裝完成后，轉(zhuǎn)子分別在二家不同廠家進(jìn)行檢測(cè)，均無法正常完成高速動(dòng)平衡檢測(cè)。通過檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子止推側(cè)聯(lián)軸器配合軸頸存在較大面積的拉傷缺陷，導(dǎo)致無法正常完成高速動(dòng)平衡檢測(cè)。損傷部位經(jīng)過激光再制造修復(fù)后，軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子順利完成高速動(dòng)平衡檢測(cè)，修復(fù)效果良好。

1 軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

如圖1 所示。該轉(zhuǎn)子由主軸、動(dòng)葉片、鎖緊組件、氣封片、聯(lián)軸器等組成，主軸結(jié)構(gòu)特殊，軸向尺寸長(zhǎng)，質(zhì)量大(4 575 kg)，特別是止推側(cè)聯(lián)軸器到該側(cè)的支撐軸頸距離長(zhǎng)。

圖1 軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 故障檢測(cè)分析

對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行初步檢查，主要對(duì)氣封、軸頸、推力盤等檢查，并進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)。轉(zhuǎn)子軸頸尺寸檢查，分別在前后軸頸處，選擇2 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)用外徑千分尺分別在0°和90°方向測(cè)量軸頸直徑，并進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)。

在每級(jí)動(dòng)葉片的首葉片位置做出明顯標(biāo)識(shí)，將每級(jí)首葉片鎖緊塊及鎖緊組件取出，按級(jí)進(jìn)行清洗、清理，統(tǒng)計(jì)數(shù)量、尺寸測(cè)繪，對(duì)損傷的組件進(jìn)行新件制作。拆下的動(dòng)葉片和隔塊，逐級(jí)做好順序標(biāo)識(shí)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子各部位機(jī)械跳動(dòng)檢測(cè)。

轉(zhuǎn)子和動(dòng)葉片全部進(jìn)行無損探傷檢測(cè)，經(jīng)潔凈處理后，進(jìn)行表面著色探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有明顯缺陷，動(dòng)葉片無需進(jìn)行更換處理。將轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片裝配[1]，原拆卸下的鎖緊組件進(jìn)行修復(fù)和新件制作，動(dòng)葉片按照原始位置依次將葉片安裝到榫槽中，更換彈簧，裝配后逐個(gè)檢測(cè)葉片之間的間隙。復(fù)核葉片頂尺寸使之符合裝配間隙要求，轉(zhuǎn)子剩磁檢測(cè)合格。

對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡校驗(yàn)，按照動(dòng)平衡精度1.0 mm/s 進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速5 875 r/min。在檢測(cè)過程中轉(zhuǎn)子二端均帶有聯(lián)軸器，平衡機(jī)采用萬向節(jié)連接在非止推側(cè)聯(lián)軸器上，可傾瓦支撐方式，瓦間隙在0.2 mm 之內(nèi)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向?yàn)楣ぷ餍D(zhuǎn)方向。在第一次平衡檢測(cè)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于5 225 r/min 時(shí)，振動(dòng)數(shù)據(jù)平穩(wěn)正常；但當(dāng)轉(zhuǎn)速臨近5 225 r/min 時(shí)，非止推側(cè)端正常，止推側(cè)端出現(xiàn)失衡呈陡坡上升現(xiàn)象。針對(duì)此異常情況，經(jīng)過多次調(diào)整，止推側(cè)端仍出現(xiàn)失衡呈陡坡上升現(xiàn)象。逐一對(duì)每級(jí)動(dòng)葉片進(jìn)行敲擊和對(duì)鎖緊組件進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)動(dòng)葉片組裝異常，再次進(jìn)行高速平衡檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果未發(fā)生變化，止推側(cè)端同樣在5 200 r/min 區(qū)域出現(xiàn)失衡呈陡坡上升現(xiàn)象。為進(jìn)一步探究高速動(dòng)平衡檢測(cè)異常的原因，對(duì)止推側(cè)端9 級(jí)葉片進(jìn)行逐級(jí)葉片靜葉測(cè)頻檢測(cè)[2-3]，發(fā)現(xiàn)第5 級(jí)的頻率分散度超過23%，重新對(duì)第5 級(jí)動(dòng)葉片進(jìn)行緊固后再次檢測(cè)靜葉頻率，分散度<10%內(nèi)。進(jìn)行高速動(dòng)平衡檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果跟前幾次結(jié)果相同。同樣在5 200 r/min時(shí)，在止推側(cè)端出現(xiàn)失衡呈陡坡上升現(xiàn)象。經(jīng)共同探討和頻譜分析[4]，動(dòng)葉片的裝配狀況對(duì)動(dòng)平衡沒有太大的影響，重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)子本身進(jìn)行檢查，特別是止推側(cè)的支撐軸頸的內(nèi)在質(zhì)量，質(zhì)量的好壞會(huì)影響動(dòng)平衡。

轉(zhuǎn)子返回維修單位車間后，使用單位根據(jù)轉(zhuǎn)子在高速動(dòng)平衡檢測(cè)過程中出現(xiàn)的問題，要求維修單位對(duì)轉(zhuǎn)子所有動(dòng)葉片進(jìn)行再次拆卸檢查。重新對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行潔凈處理，進(jìn)行尺寸核對(duì)，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子整體再次進(jìn)行表面著色探傷檢測(cè)和對(duì)止推側(cè)的支撐軸頸進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)[5]，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。對(duì)轉(zhuǎn)子的各部位機(jī)械跳動(dòng)檢測(cè)和高速動(dòng)平衡檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與前期檢測(cè)的數(shù)據(jù)沒有太大的差異。轉(zhuǎn)子全部動(dòng)葉片解體、檢測(cè)后再次運(yùn)輸動(dòng)平衡廠家，對(duì)拆卸動(dòng)葉片后的轉(zhuǎn)子主軸進(jìn)行高速動(dòng)平衡檢測(cè)[6]，在平衡參數(shù)未變狀況下，檢測(cè)結(jié)果與前次檢測(cè)無大的差異。

針對(duì)再次出現(xiàn)的檢測(cè)結(jié)果，使用單位、維修單位和動(dòng)平衡廠家共同討論與分析，轉(zhuǎn)子的支撐方式為可傾瓦，與實(shí)際工作狀態(tài)的橢圓瓦有差異，再能否連接在止推側(cè)端進(jìn)行平衡檢測(cè)，改可傾瓦為橢圓瓦支撐方式進(jìn)行平衡檢測(cè)，因動(dòng)平衡廠家無現(xiàn)成的橢圓瓦和連接工裝，連接工裝需要4 天以上的時(shí)間，支撐瓦制造新的要2 個(gè)星期的時(shí)間，因工期緊未再進(jìn)行平衡檢測(cè)。

高速動(dòng)平衡檢測(cè)暫停，使用單位與維修單位在這期間全力尋找資源，對(duì)該壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析論證[7]，最終形成一致的方案。轉(zhuǎn)子運(yùn)輸維修單位車間后，重點(diǎn)對(duì)該轉(zhuǎn)子自身特別是止推側(cè)端聯(lián)軸器上查找問題的原因。同時(shí)再尋找另一家高速動(dòng)平衡廠家進(jìn)行檢測(cè)復(fù)檢。

經(jīng)聯(lián)系，到第二家具有高速動(dòng)平衡檢測(cè)能力的廠家南京汽輪機(jī)廠，該廠使用的高速動(dòng)平衡機(jī)是早期德國申克公司生產(chǎn)的，型號(hào)為DH50,可承重重量為30 t。檢測(cè)目的為驗(yàn)證轉(zhuǎn)子在未裝動(dòng)葉片下，轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡檢測(cè)是否出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。該平衡機(jī)采用橢圓瓦的支撐方式，瓦與軸的間隙在0.2 mm 左右，動(dòng)平衡機(jī)采用萬向節(jié)連接非止推側(cè)軸頭，經(jīng)檢測(cè)，止推側(cè)端同樣在5 200 r/min 區(qū)間出現(xiàn)振動(dòng)失衡，設(shè)備保護(hù)跳機(jī)，無法完成高速動(dòng)平衡檢測(cè)。針對(duì)連接方式，連接非止推側(cè)端軸頭，進(jìn)行再次動(dòng)平衡檢測(cè)，結(jié)果未發(fā)生變化。

相同的轉(zhuǎn)子在不同的二臺(tái)高速動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行高速動(dòng)平衡檢測(cè)，同在轉(zhuǎn)子的止推側(cè)端出現(xiàn)同樣的振動(dòng)失衡現(xiàn)象，因此說明問題矛盾集中在止推側(cè)聯(lián)軸器上。該轉(zhuǎn)子從動(dòng)平衡廠家運(yùn)輸回到維修單位車間，經(jīng)使用單位和維修單位雙方技術(shù)分析和討論，決定對(duì)該部位的聯(lián)軸器進(jìn)行拆解檢查，軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡問題進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證具體過程如下：拆卸止推側(cè)聯(lián)軸器，檢查聯(lián)軸器和相配合的軸頸。拆卸前，對(duì)聯(lián)軸器的軸向尺寸記錄下數(shù)據(jù)，徑向方向做好標(biāo)記。經(jīng)解體檢查后，發(fā)現(xiàn)軸頸配合面的2 個(gè)面均有不同程度的拉傷，軸頸與聯(lián)軸器配合的過盈量達(dá)0.18 mm。對(duì)軸頸和聯(lián)軸器分別進(jìn)行表面著色探傷檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)無超標(biāo)缺陷。

轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器拆卸后發(fā)現(xiàn)軸頸出現(xiàn)的拉傷情況后，使用單位和維修單位雙方進(jìn)行技術(shù)分析和討論，對(duì)轉(zhuǎn)子不帶聯(lián)軸器的狀態(tài)下進(jìn)行驗(yàn)證，重新送到南汽再次進(jìn)行高速動(dòng)平衡檢測(cè)，判斷是否是因聯(lián)軸器的原因造成無法完成平衡檢測(cè)。轉(zhuǎn)子采用萬向節(jié)方式連接非止推側(cè)端的軸頭上，經(jīng)過檢測(cè)，高速動(dòng)平衡順利地完成檢測(cè)達(dá)到要求，動(dòng)平衡檢測(cè)合格。

轉(zhuǎn)子不帶聯(lián)軸器高速動(dòng)平衡檢測(cè)能順利完成后進(jìn)行原因分析，基本上可以判定問題出現(xiàn)在聯(lián)軸器上[8]：

(1)對(duì)軸頸和聯(lián)軸器內(nèi)孔尺寸檢測(cè)，從檢測(cè)數(shù)據(jù)上看，裝配的過盈量0.16～0.18 mm，滿足要求；

(2)軸頸上出現(xiàn)較大面積的拉傷狀態(tài)，會(huì)影響到聯(lián)軸器與軸頸的配合接觸面的緊力，導(dǎo)致帶聯(lián)軸器高速動(dòng)平衡檢測(cè)無法通過。

3 激光再制造修復(fù)

將損傷的軸頸和聯(lián)軸器采用激光熔覆再制造的方式進(jìn)行恢復(fù)，恢復(fù)原有的形位公差和尺寸要求[9]。

對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸進(jìn)行了材料成分檢測(cè)。該材料為20 世紀(jì)80 年代開發(fā)成功的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼，其綜合機(jī)械力學(xué)性能和焊性均較良好[10]。軸頸表面硬度檢測(cè)HRC32-35，硬度適中。

選用馬氏體不銹鋼系列合金粉末材料，設(shè)備使用沈陽大陸集團(tuán)公司生產(chǎn)的DL-HL-T5000 型CO2激光器進(jìn)行激光熔覆，該激光熔覆加工設(shè)備主要包括數(shù)控加工機(jī)床、激光發(fā)生器、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)、輔助配套系統(tǒng)等。工藝參數(shù)：功率2.5～3.6 kW，掃描速度8～12 mm/s，離焦量320 mm，送粉速度3～6 g/s，光斑直徑3.2 mm。

轉(zhuǎn)子軸頸激光熔覆完成后上機(jī)床加工，找正部位的跳動(dòng)值數(shù)值要求均<0.02 mm 以內(nèi)，成型尺寸按125.17～125.19 mm 加工，表面粗造度Ra 0.8 μm，圓度、圓柱度、同心度≤0.015 mm。

轉(zhuǎn)子軸頸和聯(lián)軸器修復(fù)完成后，進(jìn)行表面著色探傷檢測(cè)，確保無缺陷后進(jìn)行裝配。軸頸修復(fù)后軸徑尺寸：Φ125.18 mm，修復(fù)后聯(lián)軸器尺寸：Φ125.0 mm，修復(fù)后表面硬度值：HRC50-52。聯(lián)軸器用油加熱的方式，將內(nèi)孔尺寸擴(kuò)大至Φ125.40 mm 以上，按照原有的徑向標(biāo)記將聯(lián)軸器安裝到軸頸上，一次性安裝到位，中間杜絕卡阻，自然緩冷。

將聯(lián)軸器組裝到轉(zhuǎn)子軸頸后，不裝動(dòng)葉片的情況下，再進(jìn)行一次高速動(dòng)平衡檢測(cè)，參數(shù)不變，平衡檢測(cè)合格。轉(zhuǎn)子主軸帶聯(lián)軸器完成高速動(dòng)平衡檢測(cè)后，轉(zhuǎn)子從南汽運(yùn)輸至維修單位車間，將所有的動(dòng)葉片、鎖緊組件按原有的順序逐級(jí)裝配到轉(zhuǎn)子上，最終到南汽進(jìn)行最終高速動(dòng)平衡檢測(cè)。按照原有的平衡參數(shù)執(zhí)行，高速動(dòng)平衡順利完成檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格。

4 故障原因分析及改進(jìn)措施

軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子止推側(cè)聯(lián)軸器遠(yuǎn)離支撐軸頸，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過了其一階或二階臨界轉(zhuǎn)速，因此轉(zhuǎn)子的變形量不能再被忽略，易產(chǎn)生撓性變形。在進(jìn)行發(fā)生撓性形變的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢驗(yàn)時(shí)不僅需要對(duì)系統(tǒng)的力和力偶進(jìn)行平衡，由于轉(zhuǎn)子的撓曲變形會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡力和平衡力偶的變化，因此還必須考慮由轉(zhuǎn)子空間撓曲變形所引起的不平衡響應(yīng)。本研究中由于轉(zhuǎn)子的撓性形變，使高速轉(zhuǎn)動(dòng)中軸與軸頸的接觸力非均勻性大幅增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸頸受力大的接觸面發(fā)生較嚴(yán)重的磨損，損傷面積總共約7 331 mm2，占整個(gè)軸頸的面積51 200 mm2的14.3%。轉(zhuǎn)子軸頸磨損后，其與轉(zhuǎn)軸的接觸力嚴(yán)重偏離了設(shè)計(jì)要求，致使轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡檢測(cè)無法通過。經(jīng)采用激光再制造技術(shù)修復(fù)后，轉(zhuǎn)子順利通過了高速動(dòng)平衡測(cè)試。

此外，在探明軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡測(cè)試異常的主要原因后，將止推側(cè)聯(lián)軸器通過剛性連接在煙氣輪機(jī)上，轉(zhuǎn)子止推側(cè)聯(lián)軸器高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的撓性變形通過煙氣輪機(jī)的剛性聯(lián)軸器拉住，這一解決方案阻止軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子止推側(cè)聯(lián)軸器的變形，不影響高速動(dòng)平衡的測(cè)試。

5 結(jié)語

同一軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子分別在二臺(tái)不同型號(hào)的高速動(dòng)平衡機(jī)上檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果相同；轉(zhuǎn)子在高速動(dòng)平衡檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)影響高速動(dòng)平衡的因素進(jìn)行綜合對(duì)比分析，包括支撐方式、萬向節(jié)的連接方式和連接部位、動(dòng)葉片的分散度等方面；在修復(fù)過程中，修復(fù)件的原來是否處理過需要及時(shí)明晰，避免增加項(xiàng)目的工期和成本。通過此次壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡檢測(cè)的過程、原因分析判斷和激光再制造修復(fù)，為同行業(yè)類似問題解決提供有益的借鑒。