潘飛燕 陳 濤 方章法

(杭州汽輪機股份有限公司，浙江310022)

試驗研究

淺析汽輪機轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性試驗的雙金屬特性

潘飛燕 陳 濤 方章法

(杭州汽輪機股份有限公司，浙江310022)

根據(jù)汽輪機轉(zhuǎn)子3次熱穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)，作出撓度、溫度隨時間變化的曲線，分析撓曲類型得出：某些轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性試驗中存在雙金屬特性，即轉(zhuǎn)子撓度隨溫度上升而增大，最高溫度時達到最大值，冷卻時隨溫度降低而降低；第1次熱穩(wěn)定性試驗不合格的轉(zhuǎn)子，若存在明顯的雙金屬特性，可降低試驗溫度至進汽溫度再次進行熱穩(wěn)定性試驗。

轉(zhuǎn)子；熱穩(wěn)定性試驗；雙金屬

熱穩(wěn)定性試驗，又叫熱跑試驗，是汽輪機轉(zhuǎn)子鍛件的基本檢測項目。通過以2 r/min～4 r/min的速度慢慢轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，加熱到規(guī)定溫度后保溫一定時間，然后重新冷卻，測量此過程中的徑向跳動，來判斷轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性試驗是否合格。其目的在于保證汽輪機轉(zhuǎn)子在高溫條件下能穩(wěn)定運行，以提高汽輪機整機運行時的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)子鍛件的熱穩(wěn)定性很大程度上取決于材料特性的軸對稱性。通常都會要求轉(zhuǎn)子鍛件的軸線盡可能與鋼錠軸線重合，以保證鋼錠中偏析和夾雜物的分布是近似于軸對稱的。同時要求轉(zhuǎn)子鍛件在豎直狀態(tài)下進行熱處理，以保證最后得到軸對稱分布的微觀組織，且殘余應力也近于軸對稱分布。然而，實際生產(chǎn)中不可避免會出現(xiàn)熱穩(wěn)定性試驗不合格的轉(zhuǎn)子，對于不合格轉(zhuǎn)子，往往只簡單地采取重復去應力處理(或開槽)后再次進行熱穩(wěn)定性試驗，而事實上轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性不合格并非完全因殘余應力引起。本文結(jié)合熱穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)和撓度曲線，對熱穩(wěn)定性試驗中存在的雙金屬現(xiàn)象作一定探討，為熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果不合格的轉(zhuǎn)子提供解決方案。

圖1 熱穩(wěn)定性試驗裝置示意圖Figure 1 The sketch of thermal stability test device

1 試驗裝置

圖1是熱穩(wěn)定性試驗裝置的示意圖。轉(zhuǎn)子用帶軸承的支架支撐，由電動機減速后拖動旋轉(zhuǎn)，中間部分是組裝式加熱爐。用千分表測量轉(zhuǎn)子的徑向跳動，千分表由觸桿傳動，觸桿穿過爐壁與轉(zhuǎn)子的測試帶表面相接觸。

2 試驗轉(zhuǎn)子及準備

轉(zhuǎn)子材料為30CrMoNiV。在熱穩(wěn)定性試驗前完成轉(zhuǎn)子全部性能熱處理，包括去應力處理，并按訂貨圖樣完成相應的機加工。轉(zhuǎn)子軸頸支撐部位表面粗糙度Ra≤1.6 μm。轉(zhuǎn)子軸身處以同樣的精度加工出3個測試帶，測試帶分布如圖1所示。在轉(zhuǎn)子鍛件發(fā)電機端的圓周上，按逆時針方向相距90°分別標出A、B、C和D四個點。清理轉(zhuǎn)子表面，以除去油脂、污垢和其他異物。

3 試驗過程

試驗方法按JB/T 9021—2010《汽輪機主軸和轉(zhuǎn)子鍛件的熱穩(wěn)定性試驗方法》進行。

3.1 準備和調(diào)試

將轉(zhuǎn)子軸頸的支撐部位置于滾子上，并在加熱爐中3個測試帶附近放置3支監(jiān)視熱電偶，熱電偶盡可能靠近鍛件毛坯表面，然后以2 r/min～4 r/min的速度緩慢轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子。

3.2 讀數(shù)方法

A、B、C、D四個方位通過觸點時由千分表進行讀數(shù)，讀數(shù)精度為0.5 μm。對應每條測試帶每次獲得一組4個讀數(shù)，將其中最大值與最小值(考慮正負號)相減得到徑向跳動值，徑向跳動值之半則為撓曲度。為便于計算，將每組讀數(shù)中最小值調(diào)為零。

3.3 第1次冷測

測試各測試帶的各點徑向跳動，直到徑向跳動小于0.050 mm，正式記錄各組數(shù)據(jù)，并以此作為第一次冷測值，記為C1。

3.4 熱測

以50℃/h的速度加熱至640℃后(第3次熱穩(wěn)定性試驗中增加了540℃的熱測)，保溫，直到鍛件加熱均勻。在該溫度下每小時測定1次跳動值，如果連續(xù)3次測得的跳動值的分散度都在0.015 mm以內(nèi)，以此3次測定的平均值作為正式熱測值，記為H(第3次熱穩(wěn)定性試驗中540℃的熱測值記為H′)。

3.5 第2次冷測

記錄熱測值后，以不大于20℃/h的速度開始降溫，在降溫過程中繼續(xù)以2 r/min～4 r/min的速度緩慢旋轉(zhuǎn)，每小時記錄1次千分表讀數(shù)。當轉(zhuǎn)子體表面溫度降到260℃時，可以打開加熱爐冷卻，直到冷卻至接近38℃。

當轉(zhuǎn)子體表面溫度低于38℃時，每小時測定1次千分表讀數(shù)，如果連續(xù)3次測得跳動值的分散度都在0.015 mm之內(nèi)時，則將此3次測定的平均值作為正式的第2次冷測值，記為C2。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果

表1為轉(zhuǎn)子第1次熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果，由于試驗結(jié)果不合格，在對轉(zhuǎn)子鍛件進行去應力處理后再次進行了熱穩(wěn)定性試驗。表2和表3分別為該轉(zhuǎn)子第2次和第3次熱穩(wěn)定性試驗的結(jié)果。

JB/T 9021—2010規(guī)定，熱穩(wěn)定性合格的條件包括以下三項：

(1)測試帶上各測試點正式熱測值與第2次冷測值的差值(H-C2)均不大于0.025 mm；

(2)各測試帶的4個差值(H-C2或H′-C2)中最大正值和最大負值不考慮符號相加不大于0.05 mm；

表1 第1次熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 1 The results of first thermal stability test 單位為10-2 mm

表2 第2次熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 2 The results of second thermal stability test 單位為10-2 mm

表3 第3次熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 3 The results of third thermal stability test 單位為10-2 mm

(3)第1次冷測值與第2次冷測值的差值(C1-C2)不大于0.05 mm。

但判定條件(1)存在一定問題。因為測試帶上各測試點正式熱測值與第2次冷測值的讀數(shù)是將A、B、C、D四點的某一點取零后或相減的相對數(shù)值，四點中取零點不同，會得到不同的讀數(shù)，故其相減后的差值并非鍛件的實際撓度，而應根據(jù)條件(2)來確定鍛件撓度。因此，實際判定時，僅按照條件(2)和(3)執(zhí)行。

因此，轉(zhuǎn)子第1次和第2次的熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果均為不合格。第3次熱穩(wěn)定性試驗(包括540℃和640℃兩個溫度)的測試結(jié)果均合格。

4.2 撓度曲線分析

根據(jù)熱穩(wěn)定性試驗的實際記錄數(shù)據(jù)(包括各測點溫度和實際跳動記錄值)，將各測試帶每一時間點A、B、C、D四個方位的記錄數(shù)值中最大值和最小值(考慮正負號)相減，得到徑向跳動值，徑向跳動值之半為撓度。

以第2測試帶為例，圖2為3次熱穩(wěn)定性試驗的撓度、溫度隨時間變化的曲線。

從圖2(a)和圖2(b)可以看出，第2測試帶的撓度、溫度隨時間變化的曲線具有以下共同的特點：升溫階段，轉(zhuǎn)子撓度隨溫度上升而增大，增大到某一最大值后開始下降，而后在640℃保溫階段，撓度保持在一穩(wěn)定值。冷卻階段，撓度隨著溫度的降低而減小，在260℃左右打開試驗爐后，轉(zhuǎn)子撓度出現(xiàn)一定的波動，而后隨著溫度的進一步降低而逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定。與圖2(a)和圖2(b)不同的是，圖2(c)中增加了540℃的保溫熱測，在640℃撓度趨于一穩(wěn)定值后，隨著溫度的下降，撓度減小，在540℃保溫階段，又趨于一穩(wěn)定值，此后撓度的變化趨勢與前兩次熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果類似。

根據(jù)上述曲線的變化特點，基本可忽略殘余應力非對稱分布對轉(zhuǎn)子的影響，因為因殘余應力導致轉(zhuǎn)子跳動過大的特點是加熱到一定溫度后，撓度保持恒定值，即使冷卻到室溫撓度也不再變小，而3次試驗均沒有表現(xiàn)出該特征。升溫階段和冷卻階段，轉(zhuǎn)子撓度表現(xiàn)出較大的波動，主要是由于加熱或冷卻速度較快或由于鍛件本身吸熱或放熱條件不同，使轉(zhuǎn)子心部和外部產(chǎn)生較大的溫差，致使轉(zhuǎn)子發(fā)生變形而產(chǎn)生較大的撓度。隨著保溫的進行或冷卻至室溫后，鍛件內(nèi)外溫差逐漸消失，撓度值也趨于穩(wěn)定。如果去除以上影響因素，不難發(fā)現(xiàn)，3次試驗的撓度曲線均表現(xiàn)為：隨著加熱溫度的升高，撓度增加；保溫階段，撓度基本不變；隨著溫度的降低，撓度下降。轉(zhuǎn)子撓度依賴于溫度的跳動，呈現(xiàn)雙金屬特性。理論上分析，這種雙金屬特性主要是由于轉(zhuǎn)子鍛件的組織不均勻引起熱膨脹系數(shù)不一致，并且隨著溫度的升高，熱膨脹系數(shù)差異引起的轉(zhuǎn)子徑向尺寸變化也越明顯，從而表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子各個測點跳動值依賴于溫度的變化。

(a)第1次熱穩(wěn)定性試驗

(b)第2次熱穩(wěn)定性試驗

(c)第3次熱穩(wěn)定性試驗

通常，這種呈現(xiàn)雙金屬特性的轉(zhuǎn)子鍛件而造成的熱穩(wěn)定性試驗不合格，一般是由于鍛件組織不均勻所引起的，后續(xù)處理很難消除，通過重新熱處理可能會得到一定的改善。但本文的試驗轉(zhuǎn)子，在經(jīng)過3次去應力處理和兩次熱穩(wěn)定性試驗后，第3次熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果為合格，這與轉(zhuǎn)子在較高溫度(640℃左右)長時間的保溫有密切關系。長時間的高溫保溫使得轉(zhuǎn)子的材質(zhì)均勻性有所改善，從而使原本較弱的雙金屬特性表現(xiàn)得較前兩次熱穩(wěn)定性試驗更為微弱，以至于不足以引起轉(zhuǎn)子超出標準要求的跳動。參照德國鋼鐵行業(yè)標準SEP 1950：1997《渦輪機軸的熱穩(wěn)定性試驗》，轉(zhuǎn)子鍛件的雙金屬特性往往是以比較弱的形式顯現(xiàn)，對具有雙金屬特性的轉(zhuǎn)子，可將熱穩(wěn)定性試驗溫度控制到進汽溫度進行。圖2(c)中的540℃試驗就是按照輪室溫度加50℃進行，結(jié)果顯然優(yōu)于640℃。因此，對于第1次熱穩(wěn)定試驗不合格轉(zhuǎn)子，可結(jié)合撓度曲線分析，如果具有明顯的雙金屬特性，可通過降低試驗溫度至進汽溫度進行試驗，如果仍不能滿足要求，再考慮重新熱處理或者報廢。

5 結(jié)論

(1)某些轉(zhuǎn)子鍛件熱穩(wěn)定試驗中表現(xiàn)雙金屬特性：隨著加熱溫度的升高，撓度增加；保溫階段，撓度趨于穩(wěn)定；隨著溫度的降低，撓度下降。

(2)雙金屬特性主要是由于轉(zhuǎn)子鍛件的組織不均勻引起熱膨脹系數(shù)不一致。

(3)對于熱穩(wěn)定試驗不合格的轉(zhuǎn)子，可結(jié)合撓度曲線分析，若具有明顯的雙金屬特性，可降低試驗溫度至進汽溫度再次進行試驗。

[1] 于秀平,王群,孫煜偉，等.轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定性測試方法分析[J].大型鑄鍛件,2012(3):20-21.

[2] 鮮勇.關于汽輪機主軸和轉(zhuǎn)子體鍛件“熱跑”及打中心孔問題的討論[J].大型鑄鍛件,2002(1):51-53.

編輯 杜青泉

Analysis of Bimetallic Property in Thermal Stability Test of Steam Turbine Rotor

Pan Feiyan, Chen Tao, Fang Zhangfa

Based on the data of three thermal stability tests of steam turbine rotor, the variation curve of deflection and temperature with time has been figured out. By analyzing the type of deflection, the results show that the bimetallic property appears in the thermal stability test of rotor. In other words, the deflection of rotor increases as the temperature rises. The deflection reaches the maximum value at the maximum temperature, and reduces as the temperature falls down during cooling. For the rotor whose first thermal stability test is failed, if the bimetallic property appears obviously, the thermal stability test can be performed again after the test temperature falls down to the inlet temperature.

rotor; thermal stability test; bimetallic

2016—10—10

潘飛燕(1982—)，女，工程師，碩士，從事汽輪機材料開發(fā)與標準化。

TK263.61

B