韓兵，等

　　［摘　要］介紹了某汽輪機損傷轉子修複後，在機組帶負荷（hé）過程中出現的軸振異常爬升現象，通過對故障現象及數（shù）據的分析排除了動靜碰磨（mó）的可能，結合激光熔覆的技術特點及渦流傳感器的工作原理，分析認為是（shì）由激光熔覆導致了渦流感應磁場（chǎng）的畸變，致使測量信號失真。更換為以瓦振作為振動的主要監測點後，機組安全穩定運行，未發生振動（dòng）故障。

　　0　引言
　　大型汽輪機轉子體積大、質量重，精度等級高，製作工藝（yì）複雜，但在運行中常因動（dòng）靜碰磨、潤（rùn）滑（huá）油帶來雜質等原因導致轉子損傷。一旦損傷不可恢（huī）複，返廠（chǎng）修複成本高昂，工期長，如果能（néng）在線對局部損壞的（de）汽輪機轉子進行修複再利用，無疑將大幅節省生產（chǎn）成本。
　　激（jī）光熔覆技術是20世紀70年代（dài）隨著大功率激光器的發展而興（xìng）起的一（yī）種表麵改（gǎi）性技術，能明顯改善基體表麵耐（nài）磨、耐腐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特（tè）性，可以在廉價金屬基材上製備出高性能的合金表麵而不（bú）影響基體的性質^[1-3]。目前已廣泛應用於表麵塗層、金屬構件修複等領域^[4-6]，行業內對激光熔覆技術的（de）研究及應用都非常重視。然（rán）而目前激光熔覆技（jì）術仍存在一些（xiē）短板，如（rú）熔覆層質量（liàng）不太穩定，在激光熔覆過（guò）程中，加熱和冷卻速度極快，再加（jiā）上熔（róng）覆層和（hé）基體（tǐ）材料在溫度梯度和熱（rè）膨脹係數等（děng）方麵存在差異，從而使熔覆層容易產生多種缺（quē）陷，主要包括（kuò）氣孔、裂紋、變形等，另外激光熔覆層的（de）服役（yì）性能很大程度上受熔覆材料影響^[7]，國內外研究人員仍在不斷探索。
　　本文介紹了某台百萬機組軸頸（jǐng）修複後，基體表（biǎo）麵特性發生改變，從而造成電渦（wō）流軸振信號畸變的分（fèn）析診斷過程。
　　1　激光熔覆
　　1.1技術原理
　　高能量密度激光束照（zhào）射在被加工工件表麵時（shí），在工件表麵形成微（wēi）區熔池，特製的合金粉（fěn）末在惰性氣體載氣（qì）帶動下，被送入熔池區域並熔化，隨之迅（xùn）速凝固。在激光掃描路徑的後方形成與被（bèi）加工工件母材完全冶金結合的熔覆層。
　　1.2技術優點
　　與工業中常用的堆焊、熱噴塗和等離子噴焊等（děng）相比，激（jī）光熔覆有以下優點：
　　（1）激光熔覆層與基體（tǐ）為致密冶金結合（hé），晶粒細（xì）小[8-9]，不會產生粗大組織。
　　（2）基體材料在激（jī）光加工（gōng）過（guò）程中僅表麵微熔，Z小微熔層約0.05～0.1mm。熔覆過程中（zhōng），基體熱影響區小，溫升不超（chāo）過80℃。
　　（3）激光能量集中（zhōng），作用時間短，可在熔覆層比（bǐ）較薄（báo）的情況下，獲得所要求（qiú）的（de）成分和性能（néng），節（jiē）約昂貴的合金覆（fù）層材料^[7，10]。
　　（4）軸頸激光（guāng）修複采用（yòng）熔覆區域不間斷連續圓周性工作（zuò），不存在軸向搭（dā）接，使轉子圓周性（xìng）均勻受熱，不產生熔覆區域的結（jié）構應力。
　　（5）激光器、激（jī）光頭、送粉器以及工業攝像機進行實（shí）時工作監控，自動化程度（dù）高，可（kě）控性好，能確保連續穩定工作，熔覆層質量穩定。
　　2　轉子修複（fù）過程
　　2.1轉子損傷概況
　　某發電廠4號汽輪機為上海電氣電站集團生產的超超臨界、中間（jiān）再熱（rè）、反動（dòng）凝汽式汽輪機，型號為N1000-26.25/600/600。低壓A轉子總（zǒng）長8057mm，4號瓦軸頸損傷部位Φ560h6，該段（duàn）軸頸總長約940mm，其中軸頸與軸瓦接觸（chù）部位（wèi）長度約560mm；轉子總重量109t，轉子為單點（diǎn）支撐，材質為26NiCrMoV14-5。
該機組汽輪機低壓A轉子4號瓦軸頸上共有4處（chù）周向損傷，寬度分別為25mm，60mm，30mm，55mm，其中有一溝槽，深度達2mm左右，影響設備安全運行，如圖1所示。

圖1 軸頸損傷實拍

　　2.2修複過程（chéng）
　　首先通過徑向與軸向多（duō）點檢測原始軸段的橢圓度和錐（zhuī）度等數據，並進行無損探傷及硬度檢測。初步確認（rèn）進行激光熔覆各部位（wèi）的形位（wèi）公差、修複範圍、加工內容等。遵循（xún）Z小去除量（liàng）原則，車削損傷部位（wèi），並與未損軸頸交接處保證斜角過渡，底部槽與斜麵成圓滑過渡，避免後期加工（gōng）應力集中問題（tí）。損傷部位初加工後，經（jīng）著色檢測（cè）確認無潛在缺陷，記（jì）錄加工後尺寸（cùn），如（rú）圖2所示。

圖2 加工尺寸

　　選用德國進口10000W大功率半導（dǎo）體光纖熔覆機，采用同步送粉的方法對軸頸進行熔覆（fù）。熔（róng）覆過程中轉子以低於10r/min的轉速均（jun1）勻、連續轉動，保證軸頸跳動（dòng）小於0.02mm。單層熔覆後進行打磨清理，探傷合格後繼續下一層熔覆，Z後一（yī）層熔覆厚度高於基體麵約0.5mm，以確保（bǎo）加工餘（yú）量。精加（jiā）工切削、打磨，修複後軸頸外圓尺寸與原始軸頸外圓尺寸偏差不大於0.02mm，表麵粗（cū）糙度小於RA0.8，軸頸（jǐng）圓度不大於0.02mm，徑向（xiàng）圓跳動公差不大於0.02mm，軸（zhóu）頸圓柱（zhù）度公差不大於0.01mm，修複（fù）後的軸頸與未修複部分（fèn）的（de）同軸度不大於0.02mm，熔覆（fù）層硬度在HB220～HB250，修複後的軸（zhóu）頸潔淨光滑，如圖3所示。
　　3　異常振動的分析與處（chù）理
　　3.1振動（dòng）現象
　　轉子修複後，機組（zǔ）於12月2日（rì）22：15啟機，低轉速下振動（dòng）有異常偏大現象，衝（chōng）轉過程中隨著轉速上升，振動隨之（zhī）減小，過臨界轉（zhuǎn）速時，沒有出現明顯共振峰特征。轉速升至3000r/min時，合成值50μm左右，瓦振僅約1mm/s，均處於優秀範圍內，未發現異常。

圖3 修複（fù）後軸頸（jǐng）實拍

　　機組定速3000r/min後繼續運行，DCS（分散控製係統）顯示軸振有爬升跡象，12月3日02：00，軸振合成值（zhí）已（yǐ）爬升（shēng）至100μm左右，運行（háng）人員判（pàn）斷為低壓轉子軸封（fēng）處發生動靜碰磨（mó），調整凝汽器真空及軸封汽，未取得理想效果。03：20振動繼續爬升至250μm，如圖4所示，超過手動打閘值，而瓦振仍（réng）維持在1mm/s左右，由於機組（zǔ）采用瓦振保護策（cè）略，機組尚未跳機，但麵臨是否停機的抉擇。

圖4 4X軸振（zhèn）趨勢

　　3.2分析診斷
　　機組定速3000r/min時振動較小，隨著時間的推（tuī）移，振（zhèn）動開始緩慢爬升，僅從DCS顯示的振動幅值看（kàn），很（hěn）容易誤認為機組發生了碰磨故障。然而仔（zǎi）細（xì）分析數據，發現有（yǒu）以下特點（diǎn）：
　　（1）該類型機組由於單支撐結（jié）構，4瓦承載重，軸振更（gèng）容易（yì）傳遞至瓦振，引起瓦振偏大，而（ér）4號瓦軸振合成值已（yǐ）超過250μm，瓦振僅1mm/s，屬非正常現象^[11]。
　　（2）專（zhuān）業測振儀器顯示軸振爬升時，振動1倍頻分量變化（huà）不大，幅值、角（jiǎo）度變化不（bú）大。
　　（3）4號瓦瓦（wǎ）溫、回油溫度正常，相鄰軸承振動沒有同步爬升跡象。
　　（4）軸振頻（pín）率成分非常廣，各倍頻成分都存在，且高倍頻占主要成分，如圖5所（suǒ）示。
　　（5）熱工人員檢查4X/4Y測量回路，但均未（wèi）發現異常。

圖5 4X軸振頻譜

　　X/Y方向同時出現相同故障必然存（cún）在某一共性問題。回查啟機數據（jù），發（fā）現振動爬升與轉子的軸向位移有明顯（xiǎn）關（guān）聯，結合此次檢修對轉子軸頸（jǐng）磨損（sǔn）部位的（de）修複，分析判斷為測量軸振的渦流傳感器隨著轉（zhuǎn）子（zǐ）的膨脹可能正好落入轉子基體與熔覆區交界（jiè）處（chù），由於激光熔覆轉子表麵的熔覆層（céng）與基體呈現2種金屬質地，使得渦流傳感器的感應（yīng）磁場（chǎng）發生（shēng）畸變，從而產（chǎn）生畸變感應（yīng）電流（liú），造成測量信號失真，即該點的軸振數據已不能真實反映4號瓦的軸振（zhèn）大小^[12]。
　　3.3改（gǎi）進措施（shī）
　　查看軸振渦流探頭的（de）安裝圖紙，發（fā）現其安裝（zhuāng）位（wèi）置確實在被修複軸頸段，如圖6所示。在明確故障原（yuán）因後，采取以下措施：
　　（1）運行過程中以（yǐ）4號瓦瓦振作（zuò）為（wéi）監測點來判斷振動狀況。
　　（2）加（jiā）強鄰近軸承的振動監視（shì）。
　　（3）4號軸振已失去監測作用，需要待下次檢（jiǎn）修時，重新調整渦流探頭安裝位置，避開修複區。
　　機組在隨後的運行中，未出現振動問題。本次對4瓦軸（zhóu）振的準確判斷保（bǎo）證了機（jī）組安全運行，避免了盲目停機。

圖6 熔覆區與軸振探頭安裝位置

　　4　渦流傳感器
　　4.1渦流傳感器（qì）原理
　　由前置器中石英振蕩器產生頻率為（wéi）1～2MHz的高頻振蕩電流，通過延伸電纜流入傳感器探頭的端部線圈，產生交變的高頻磁場^[13]。當被（bèi）測金屬體靠近這一磁場，則在（zài）此金屬表麵產生感應渦流，此感應渦流產生的磁通又反作用於（yú）探頭端（duān）部線圈，使頭（tóu）部線圈高頻（pín）電流的幅度和相位得到改變，這一變化由前置器的回路經放大、檢波和濾（lǜ）波，轉換成電壓輸出。若一定範圍內保證金屬導體的電導率（lǜ）б、磁導率（lǜ）ξ、尺寸因子τ、電（diàn）流強度I等（děng）參數不變，則此輸出電壓就（jiù）成（chéng）為端部線圈與金（jīn）屬導體表（biǎo）麵的距離D的單值函數，包含（hán）直流分量和（hé）交流分量：直（zhí）流（liú）分（fèn）量表示探頭與軸表麵的平均距離，稱為間隙（xì）電壓（yā）；交流分量反映軸相對（duì）於探頭的振（zhèn）動^[14]。
　　4.2影響因素
　　由渦流傳感器的工作原理可知，為了得到反映位移變化的單值函數（shù），需要保證被測體電導率б、磁導率ξ、尺（chǐ）寸因子τ等參（cān）數（shù）穩定。實際測量中任何破壞這種單值函數關係（xì）的因素，都會導致Z終的測量失真。
　　（1）熔覆區與基體之間的金（jīn）相組織不同、結晶結構（gòu）不同，區間（jiān）存在明顯的分界（jiè）線^[15]，渦流感應將發生不可預知的（de）變化，加之（zhī）殘磁的存（cún）在也會影響感應（yīng）磁場，導致振動信號的（de）波形發生畸變。
　　（2）電渦流效應主要集中在被測體表麵，熔覆區合金材料的電導率б、磁導率ξ與基體不同（tóng），硬度往往也高於基體^[16]，直接（jiē）影響渦流效應的強弱，從而影（yǐng）響傳感器的靈敏度和線性範圍，造成振動幅值大小發生變化。
　　（3）不規則的被測體表麵會帶來實際的（de）測量附加誤差，甚（shèn）至出現尖峰值，因此被（bèi）測體表麵應該平整光滑（huá），不應存在凸（tū）起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。激光熔覆修複後軸頸圓柱麵存在一定的徑向圓跳動公差，將在振動幅值上疊加10～20μm的誤差。
　　5　結論
　　（1）機組4號瓦振動爬升現象與動靜碰磨故障（zhàng）有相似（sì）之處，但通過頻譜分析否定了這一判斷。對振動故障的分析診（zhěn）斷需要全麵掌握各（gè）方麵數據，嚴謹分析，不可基於單一數據和單一現（xiàn）象。
　　（2）隨著（zhe）浙江（jiāng）省內特高壓落地負荷增加，火電機組參與調峰，啟停（tíng）頻繁，容易造成轉子（zǐ）疲勞損傷，產生裂紋，也增加了轉子發生動靜碰磨的可能，損傷轉子（zǐ）。
　　（3）激光熔覆技（jì）術已廣泛（fàn）用於轉子表麵的損傷修複（fù），過程（chéng）中一般先對損傷轉子進行（háng）車削處理，勢必擴大修複區域。故修（xiū）複後要（yào）檢查是（shì）否影響到渦流傳感器的測量，必要時更換測量位置，避免信號失（shī）真，喪失對該測點的振動監測。
　　（4）對渦流傳感器的工作原理、安裝要求及影響因素要有足夠的（de）認識，汽（qì）輪發（fā）電機組普遍采用軸（zhóu）振（zhèn）信號作為振動保護，若人為因素造成測量失真導致（zhì）機（jī）組跳機，損失巨大。

　　注（zhù）：原文發表於《浙江電力》2018年第11期
　　原文標題：激光熔覆修複軸頸引起的軸振信號畸變分析與診斷
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