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汽轮机叶轮键槽裂纹超声波探伤方法研究
本​文​介​绍​了​一​种​汽​轮​机​键​槽​裂​纹​超​声​波​检​测​新​型​探​头​和​探​伤​方​法​,​对​于​连​城​电​厂#​机​第1​级​叶​轮​可​疑​信​号​采​用​折​射​角​为8​°​进​行​检​测​该​反​射​信​号​低​于​R键​槽​反​射​渡―d​B​,​而​采​用​新​研​制​的​超​声​波​探​头​检​测​,​可​疑​信​号​大​于​等​于​R键​槽​反​射​波​,​对​叶​轮​解​体​后​该​裂​纹​得​到​了​证​实​,​裂​纹​长​度​为7​m​m​。
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超声波检测技术-无损检测
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核心提示：很多电厂在汽轮机大修中，先后查出在叶轮键槽应力峰值部位产生丁不同程度的裂纹，多数出现在最后数级，一般深度为3～5mm，严重的
& & 很多电厂在汽轮机大修中，先后查出在叶轮键槽应力峰值部位产生丁不同程度的裂纹，多数出现在最后数级，一般深度为3～5mm，严重的可达20mm以上。在运行过程中，超速、热冲击、热疲劳、氢的作用和应力腐蚀等因素相互叠加，是键槽产生裂纹的根源。
& & 汽轮机叶轮的材料多数为34CrNi3Mo，其淬硬性强、可焊性差。
& & 1．减应力热焊+趁热锤击焊道法
& & (1)裂纹的处理：用薄片砂轮慢速磨掉裂纹，同时要考虑到焊接坡口尺寸，还要注意到焊缝熔合线要避开应力集中部位；经无损探伤证实裂纹确已挖除，即具备焊接条件。
& & (2)根据电厂检修的实际情况，叶轮由大轴上取下来的方法是：将大轴吊在垂直位置并能旋转，在叶轮两侧对称由外弧至内弧均匀加热至200℃，叶轮的紧配力即因热膨胀而松弛，并靠自重从主轴上滑出。
& & (3)为了降低或消除由于局部温差和大刚度拘束形成的拉应力，可采用减应力焊接法：将工件均热至300℃后，再将减应力区均热至400℃，焊接过程保持此温度。焊后脱氢0.5h，然后缓冷，此时，切向所有的切面均在400℃同时冷却，则可将拉应力降低到最小程度。
& & 为了保证优良的焊接质量，必须使熔合线结合良好、不产生淬硬组织，以及较低的残余应力。在焊接过程中，尽量使用小的线能量（快速焊、焊条不作横向摆动、薄焊层），趁热锤击焊道是降低残余应力最好的方法。
& & 趁热锤击是用特制的尖锤趁焊道结晶后温度尚在500℃以上（高于再结晶温度），快速锤击焊道，直到焊渡消失。锤击力使焊道产生塑性延伸，从而达到降低拉应力的目的。但是，这种锤击若在低温下进行，则有产生加工硬化、疲劳破坏的可能性。
& & 焊道安排应使每一层里U形表面，因为U形表面在拉应力作用下有伸展的余地，并可降低残余应力；特别是表面层应先焊好熔合区，最后在焊缝中心结尾。
& & 2．用奥氏体填料热敷过渡层恒低温冷焊法
& & (1)热敷过渡层：当叶轮在200℃左右由主轴拆下后，应立即检查裂纹并及时磨掉形成坡口；尽快将此局部升温至300℃，在坡口壁面用E2-26-21-15焊条热敷过渡层，其厚度约为4mm，其表面层高出母材2-3mm；再以300℃温度保持10min后缓慢冷却至室温。这里，局部虽然在300℃加焊过渡层，由于各焊道的外侧未受到刚度牵制，处于自由热胀冷缩状态，故冷却后基本无应力变形。
& & (2)叶轮完全冷却后，将热敷过渡层清理干净，采用E2-26-21-15、3.2焊条冷焊，在保证熔化良好的条件下快速焊接。每次焊1/3根焊条，再次焊接时，工件温度应低于70℃（以手摸不烫为准）。每层表面呈U形，使其应力松弛，先焊表面层两侧，最后在中间结尾。在冷焊过程中，由于温度平均在100℃以内，其热应力远远低于弹性极限，故焊后基本无应力与变形。
& & 热敷过渡层设计应用奥氏体焊条，形成的是异种钢接合，保证了熔合线有足够的冶金反应时间，且不会产生淬硬组织。冷焊中问层是一个低应力状态，当叶轮投入运行时，其工作温度约为300℃，山于奥氏体的线膨胀系数大于母材，此时焊缝承受压应力状态，可以部分地抵消拉应力，因而对质量极为有利。　　【摘 要】汽轮机动叶片的安装是实现其气动设计理念和保证汽轮机安全运行的重要环节，然而我国并没有统一的汽轮机叶片安装规程" />
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350MW汽轮机中压级动叶片两种安装工艺的分析比较
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　【摘 要】汽轮机动叶片的安装是实现其气动设计理念和保证汽轮机安全运行的重要环节，然而我国并没有统一的汽轮机叶片安装规程。通过对不同制造厂的中压级动叶片的基本结构、安装工艺和实际运行结果进行分析比较，可以帮助制定合理的外包菌型叶根动叶片的安装工艺，为相关的设计、安装和监造人员提供有益的参考。 中国论文网 /8/view-5076723.htm　　【关键词】汽轮机；叶片；振动；安装工艺；紧力 　　1.事件简述 　　某电厂有两台350MW冲动式汽轮机，型式为TC4F-26。2002年，1号汽轮机在大修中解体检查发现中压第1级动叶片围带及铆接榫头磨损严重，根据厂家建议将叶片车短约3mm，更换了围带。2008年12月，1号汽轮机由A公司更换了中压第一级动叶片，叶片型线保持不变，恢复动叶片设计叶高，表面喷涂Cr-C以提高其抗固体颗粒磨损性能。 新叶片安装后运行至2013年4月机组大修，经解检查未发现异常现象。 　　2011年3月，该电厂2号汽轮机由B公司完成了高中压部分通流改造，更换了高中压转子，高压缸由8级改为10级，中压缸由6级改为7级，叶片型线采用了具有更高气动效率的流型，围带由原来的分组铆接式改为自带冠整体围带，动叶片仍采用外包菌型叶根。2012年3月，2号汽轮机在运行中轴瓦振动突变，其中1号轴瓦振动由0.066mm上升到0.138mm，经分析判断为叶片断裂[1][2]。停机检查发现中压第4级动叶片有1片断裂，2片于叶根处有宏观裂纹，经检测另发现8片于叶根处有裂纹[3]。 　　经初步分析认为该级动叶片安装紧力没有达到设计值，叶片在运行中松动、产生异常振动，导致了叶片断裂。为尽快恢复机组运行，在本次临时检修中采取了如下技术措施：更换整级叶片，安装过程中确保紧力达到设计值，将叶顶围带加厚、取消高低台结构、开燕尾槽、嵌入整圈燕尾带以增加整圈叶片的刚性[4]。机组检修后投运至2012年10月，揭缸检查未见异常。 　　同时，电厂委托专业机构对断裂和产生裂纹的旧叶片进行了检测、分析和计算。计算和分析结果显示，导致叶片断裂的充分、必要条件有两个。一是动叶片的第4阶振动频率与喷嘴的Zn激振频率的避开裕度不够。二是因设计、制造、安装等原因，该级动叶片安装紧力不够，运行中在温度、离心力等作用下，叶片之间产生间隙。二者同时存在、相互作用，产生基本合拍的共振，导致叶片发生源于微动磨损的高周疲劳断裂[2][3]。 　　2012年10月，2号汽轮机高中压缸进行解体检修。基于上述分析、计算结果，B公司采取了如下改进措施：围带改为马鞍形，同时增加厚度改变动叶片频率；改变喷嘴数量，以避开共振区；修订安装工艺以确保叶片整圈安装紧力[5]。 　　2.外包菌型叶根动叶片结构[6] 　　该电厂的1号、2号汽轮机高中压级均采用外包菌型叶根，其结构示意图（图1）和动叶片安装示意图（图2、图3）如下。 　　图1外包菌型叶根示意图 　　图2 1号汽轮机高中压级末叶片安装示意图 　　图3 2号汽轮机中压级叶片安装示意图 　　外包菌型叶根是一种较合理的叶根结构，它能较充分的发挥叶片和叶轮材料的强度性能，可以有效的防止汽流及其夹杂物对叶轮的冲蚀，便于安装；但是加工难度较大。现在冲动式汽轮机的高中压级几乎都采用外包菌型叶根，1号汽轮机中压级动叶片叶根槽顶没有顶键槽，叶顶围带采用梯形与倒梯形的组合结构，叶轮槽上开有安装窗口一个。末叶片由骑缝圆柱销来固定，骑缝销共4支，分布于末叶片及其相邻的4支叶片之间，如图2。 　　2号汽轮机中压级动叶片叶根槽顶开有半圆键槽，安装时打入顶键，以防止叶片因离心力过多甩出，叶顶围带采用马鞍形结构，叶轮槽上开有两个安装窗口，在叶轮上呈对称布置。末叶片由穿过末叶片叶根中间部位并通过叶轮的2支圆锥销来固定，如图3。 　　3.中压级外包菌型叶根动叶片安装工艺分析比较 　　3.1. A公司的叶片安装工艺[7] 　　3.1.1.叶轮检查修整。旧的动叶片拆除后，将转子上车床，对叶轮尺寸进行检查修整。厂家认为叶轮槽在高温和离心力的长期作用下会产生变形，转子上车床进行尺寸检测和修整是必要的。 　　3.1.2.叶片的安装排序。将所有的叶片进行称重，然后根据其结果确定各叶片的安装位置，用来调整窗口的加厚片应在叶轮上均匀分布。不能平衡的残余质量可在超重叶片的叶根槽顶部进行机加工去除。 　　3.1.3.叶片接触检查。抽取若干组相邻的叶片进行接触检查，要求在叶根部位有效接触面积超过三分之二，一般不主张现场拂配。 　　3.1.4.叶片试装。叶片叶根齿和叶轮槽之间的轴向和径向的设计间隙均为0.03～0.05mm，正式安装前抽取约10支叶片进行试装，用百分表测量径、轴向间隙，以确认叶片与轮槽的配合情况。 　　3.1.5.叶片安装。每级叶轮设计有一个安装窗口，先装入与窗口末叶片成180度角处的叶片，然后分别从窗口向两侧装入叶片。叶片的安装顺序应与排序表相符合。叶片装入时以小号铜锤敲击叶顶，同时用手可滑动叶片为宜，否则就需要检查叶轮和叶片的配合情况。安装过程中逐片确认叶片之间的间隙小于0.03mm。 　　3.1.6.叶片减薄。安装好除窗口处末叶片之外的所有叶片，确认窗口位置正确、末叶片与窗口无干涉。从窗口处向两边撑紧叶片，再次确认叶片之间的间隙小于0.03mm，测量窗口尺寸，拆出加厚片，分别均匀减薄。如一次未减薄到位，则需重复该步骤。 　　3.1.7.末叶片安装。减薄工作完成后，装入末叶片，钻孔，铰孔，打入销子，冲铆销孔防松。销子与销孔的紧力为0.00～0.03mm。 　　3.1.8.机械加工。车外径，加工叶顶密封槽、叶根处凸台。 　　3.1.9.低速动平衡。因不具备高速动平衡的条件，只能在现场进行低速动平衡。试验时转速为180转/分，两端不平平衡质量分别为9.23g，8.81g。
　　3.2.B公司的叶片安装工艺[8] 　　3.2.1.叶片安装排序。叶片未进行称重，加厚片均匀分布在两个窗口的两侧，其它叶片则主要根据叶片的接触情况来确定安装顺序，以减少拂配工作量。 　　3.2.2.叶片接触检查，拂配。检查叶片接触情况，要求接触面积75%以上，否则需拂配至合格。 　　3.2.3.叶片试装，配制顶键。试装所有的叶片，测量配合间隙，配制顶键。 　　3.2.4.第一支末叶片定位。测量旧末叶销孔的相对位置，在新末叶上预钻孔，预铰孔，制作工艺销，安装第一支末叶片。 　　3.2.5.安装叶片。从第二个窗口按预定的顺序装入叶片，装第一个窗口两侧的加厚叶片时用两支备用标准叶片代替两支加厚叶片分别装在窗口的两侧。安装时逐片装入顶键并确认叶根之间的间隙小于0.03mm、叶片的辐射线位置准确。 　　3.2.6.撑紧，消除间隙。安装完除第二支末叶片以外的所有叶片后，用专用楔形工装在窗口处撑紧叶片至叶根之间的间隙为0。 　　3.2.7.测量，减薄加厚片。测量叶轮的窗口尺寸及销孔的相对位置，根据二者的测量结果分别减薄第二个窗口两侧的加厚片，以尽量既保证新末叶片上的销孔与叶轮上的旧销孔对正，又能让末叶片有0.80～1.0mm的安装紧力。 　　3.2.8.安装第二支末叶片。装入第二个窗口处的末叶片，扩铰销孔至叶轮与叶片同孔。为延长汽轮机转子的使用寿命，销孔直径的扩大量以小于0.20mm为宜。铰好销孔后测量孔径、配制锥销，锤入。 　　3.2.9.重新安装第一支末叶片，以形成设计的整圈紧力。拆出第一支末叶片和两支代替加厚叶片装入的备用标准叶片。将第一支末叶片安装时换出的加厚叶片减薄成比标准叶片厚0.40～0.50mm的叶片，并将其分别装于换下备用标准叶片的位置，以保证整圈叶片有1.6～2.0mm的安装紧力。按原顺序装好其它叶片，用锤敲入第一支末叶片。 　　3.2.10.铰销孔，配制销子。按前述末叶片销孔铰制要求铰好销孔，测量孔径，配制锥销，锤入，冲铆所有锥销的大头端防松。 　　3.2.11.机械加工。车外径，加工叶顶汽封齿。 　　3.2.12.高速动平衡。进行高速动平衡，配重合格后轴颈处的振动值分别为0.56mm/s和0.30mm/s，达到优良水平。 　　3.3.比较与分析[6][9] 　　3.3.1.运行结果分析。1号汽轮机中压级叶片在安装过程中并不强调安装紧力，经过4年多时间的运行并未出现异常现象，可见其有效的抑制了叶片松动可能带来的危害。2号汽轮机中压级叶片在安装过程非常的重视安装紧力的形成，但却产生了叶片源于微动磨损的高周波疲劳断裂事件，说明叶片在运行过程中产生了松动，形成了共振并导致叶片断裂。 　　3.3.2.动叶片的结构。1号机中压级叶片的叶根槽顶部没有顶销，主要通过控制叶根与轮槽之间的间隙来防止叶片在旋转时因离心力作用过多甩出，同时其叶顶围带采取梯形与倒梯形组合方式也能防止叶片因甩出而出现过度的松动，但是叶片与叶轮之间的间隙小对加工精度提出了更高的要求，并且装新叶片前需要对叶轮进行准确的检测、修整。2号汽轮机中压级叶片采用了顶键，安装时就能消除叶片与叶轮槽之间的径向间隙；叶顶围带采用马鞍形结构，当叶片受蒸汽作用力发生扭转时能抑制叶片的松动；但是打入了顶键的叶片很难被拆下，所以加厚叶片就只能装在窗口就近而不能均匀分布，另外叶片在工作时的扭转量只能在理论上时行计算，实际扭转量及其与负荷的关系较难得出准确的数值。 　　3.3.3.排序方法。1号汽轮机中压级叶片的排序主要根据称重的结果进行，残余不平衡质量需要加工去除，可以尽量减少无用质量的存在。2号汽轮机中压级叶片的排序则主要根据叶片的接触情况进行以减少拂配的工作量。 　　3.3.4.叶片径向面接触检测。1号汽轮机中压级叶片安装过程中，只是抽查了接触情况，并且不主张现场拂配，认为接触情况主要取决于叶片及叶轮本身的加工质量而手工拂配较难保证精度。2号汽轮机中压级叶片安装过程中对所有叶片都进行逐片检测并对不符合要求的进行拂配。 　　3.3.5.末叶片数量及其安装方法。1号汽轮机中压级每级叶轮有一个窗口，一支末叶片，末叶片通过4支不穿过叶轮的骑缝圆柱销来固定。制作销孔时较简单且不需要加工叶轮。2号汽轮机中压级每级叶轮有两个窗口，两支末叶片每支末叶片由2支穿过叶轮的锥销进行固定，每次更换叶片时都要扩大销孔，不利于延长转子寿命，且操作较复杂。 　　3.3.6.安装紧力的要求。1号汽轮机中压级叶片安装过程中并强调安装紧力，只要求消除叶根与围带之间的间隙。2号汽轮机中压级叶片安装要求整周叶片要有1.6～2.0mm的安装紧力，为此安装的过程变得较为困难和复杂；尤其最后1支末叶片装入时需用大锤砸入，易损伤叶片。 　　3.3.7.动平衡方式。1号汽轮机在电厂附近的工厂更换叶片，没有进行高速动平衡的专用设备，只有在现场进行低速动平衡；而2号汽轮机叶片更换在制造厂进行，进行了高速动平衡，其效果更为精确。 　　4.结论 　　4.1.从本质安全的角度出发，汽轮级中压级叶片的设计应该同时考虑整圈叶片和单支叶片的频率，从根本上消除共振的可能性，使叶片运行时无论是处于整圈状态还是单支状态都能安全工作。 　　4.2.仅靠形成较大的安装紧力来保证叶片在运行时保持整圈状态有较大的难度，应该首先在结构设计和加工精度方面予以改进。 　　4.3.末叶片固定方式采用骑缝销比采用穿过叶轮的销子更易于安装，并且利于保护汽轮机转子。 　　参考文献： 　　[1]张学延， 张卫军， 王延博. 汽轮发电机组突发性振动问题分析[J]. 中国电力， 2001.12. 　　[2]张学延. 汽轮发电机组振动诊断[M]. 北京，中国电力出版社，2008.11. 　　[3]深圳市广深沙角B电力有限公司2号机第14级动叶片断裂故障原因分析， 西安热工研究院内部报告， 2012.5. 　　[4] Z944第14级围带加工及安装技术要求， 北京全四维动力科技有限公司内部报告， 2012.3. 　　[5] Z944第14级动叶片完善设计技术措施， 北京全四维动力科技有限公司内部报告， 2012.8. 　　[6]中国动力工程学会. 火力发电设备技术手册[M]，第2卷，北京，机械工业出版社，1998.12. 　　[7]沙角B电厂1号汽轮机第9级动叶片安装工艺， 东芝公司汽轮事业部内部报告， 2008.10. 　　[8]南京汽轮机厂Z944第14级动叶片安装工艺， 南京汽轮电机厂内部报告，2012.9. 　　[9]机械设计手册编委会. 机械设计手册[M]， 第1卷. 北京. 机械工业出版社， 2004.8. 　　作者简介： 　　谢理达；1977年出生，男，汉族，祖籍湖南，学士，工程师，现担任沙角B电厂机械维修汽机专工。
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