Rotor turbin berat dan memiliki kecepatan tinggi. Jurnal rotor mungkin aus karena pengoperasian sistem oli pelumas yang buruk atau faktor lain, yang menyebabkan getaran rotor berlebihan atau bahaya keselamatan lainnya. Untuk jenis kerusakan pada diameter poros rotor yang sedang diservis, tingkat lanjut perbaikan kelongsong laser dan teknologi remanufaktur dapat menghilangkan kerusakan, dan kualitas perbaikan memenuhi persyaratan operasi rotor yang aman dalam jangka panjang. Dibandingkan dengan teknologi perbaikan pengelasan tradisional, teknologi ini lebih fleksibel dan efisien. Kasus aplikasi yang terlibat dalam artikel ini adalah teknologi perbaikan yang menggunakan laser semikonduktor sebagai sumber panas dan menggunakan metode pelapisan laser untuk melapisi lapisan perbaikan pada permukaan jurnal yang rusak. lapisan pelapis laser memiliki kekuatan ikatan yang tinggi dengan material induk, masukan panas pengelasan yang rendah, tingkat otomatisasi yang tinggi, dan kualitas las perbaikan jurnal yang utuh. Tidak ada perubahan yang jelas dalam bentuk dan ukuran rotor sebelum dan sesudah perbaikan.

Rotor adalah komponen inti turbin dan harus tahan terhadap kondisi kerja yang keras seperti suhu tinggi, tekanan tinggi, kecepatan tinggi, dan tekanan tinggi. Namun, karena kualitas oli pelumas, kotoran, dan faktor pengoperasian yang tidak menguntungkan lainnya, jurnal rotor terkadang aus, yang secara serius memengaruhi pengoperasian unit turbin yang aman dan stabil. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi remanufaktur dan perbaikan laser telah dicoba untuk menghilangkan keausan poros rotor. Dibandingkan dengan teknologi tradisional seperti pelapisan listrik, pelapisan kimia, penyemprotan termal, dan pengelasan busur, teknologi remanufaktur dan perbaikan laser memiliki keunggulan kekuatan ikatan yang tinggi, zona yang terpengaruh panas kecil, laju pengenceran rendah, deformasi kecil, kelonggaran pemrosesan selanjutnya yang kecil, pemilihan yang kuat, dan otomatisasi tingkat tinggi. Ini telah menjadi sarana penting dalam bidang remanufaktur seperti restorasi ukuran, modifikasi permukaan, dan transformasi perpanjangan masa pakai komponen penting.

Setelah 8 tahun beroperasi, jurnal rotor bertekanan rendah dari turbin uap yang digunakan di pembangkit listrik mengalami beberapa kali keausan, yang secara serius memengaruhi keselamatan pengoperasian unit. Pembangkit listrik menugaskan Pabrik Turbin Uap Shanghai untuk memperbaiki bagian jurnal yang aus.

1 Teknologi remanufaktur laser dan peralatan perbaikan

1.1 Teknologi pelapisan laser
Pelapisan laser merupakan aplikasi penting dari teknologi pemrosesan laser. Selama proses pelapisan, lapisan tipis bahan dasar dicairkan dengan menyinari sinar laser dengan kepadatan energi tinggi (umumnya 102~104W/mm2), dicampur dengan bahan pengisi yang dicairkan, dan ketebalan tertentu dari zona yang terpengaruh panas dihasilkan. Lapisan pelapisan yang terikat secara metalurgi ke bahan dasar dibentuk pada permukaan dasar untuk mencapai modifikasi permukaan, manufaktur aditif, dan operasi lainnya. Gambar 1 menunjukkan prinsip pelapisan laser.
Sebagai metode remanufaktur masukan panas rendah, pelapisan laser menunjukkan kemampuan adaptasinya terhadap perbaikan aditif rotor bertekanan rendah dengan persyaratan akurasi dimensi tinggi dan pengelasan material dasar yang sulit. Karena kepadatan energi pelapisan laser yang tinggi, pelapisan ini dapat menyelesaikan perbaikan jurnal rotor dengan dampak panas pengelasan yang lebih sedikit. Ketika Guo Shirui dan yang lainnya melakukan pengujian pada pelapisan laser rotor turbin, mereka mendeteksi suhu pada posisi 5 cm dari area pelapisan. Suhu tidak lebih tinggi dari 70 ℃ selama seluruh proses pelapisan, yang kondusif untuk mengendalikan laju pengenceran dan deformasi pengelasan. Pabrik Turbin Uap Shanghai telah melakukan pengujian proses dan pengembangan proses untuk pelapisan laser rotor pada tahap awal dan memiliki kemampuan teknis untuk produksi pelapisan laser.

1.2 Pengenalan peralatan kelongsong laser
Peralatan untuk pekerjaan perbaikan adalah stasiun kerja pelapisan laser yang dapat dipindahkan. Stasiun kerja ini mengadopsi desain kontainer dan dapat dengan mudah diangkut ke stasiun kerja yang ditunjuk di pembangkit listrik atau pabrik untuk operasi pelapisan laser. Stasiun kerja ini cocok untuk memperbaiki berbagai komponen. Stasiun kerja ini terutama terdiri dari laser berdaya tinggi, robot 6 sumbu, pengumpan serbuk, kepala pelapisan pengumpan serbuk koaksial, dan sistem tambahan seperti catu daya dan pendinginan untuk mendukung pengoperasian sistem.

2 Uji kinerja lapisan kelongsong laser

Untuk memastikan efek perbaikan dan sifat mekanis menyeluruh dari logam pelapis, bubuk pelapis khusus dengan material yang sama dengan baja rotor bertekanan rendah 30Cr2Ni4MoV dikembangkan, dan uji pelapis bagian simulasi dilakukan untuk memverifikasi proses perbaikan dan kinerja lapisan pelapis. Persiapan sampel: Material dasar pengujian menggunakan material rotor bertekanan rendah turbin uap 30Cr2Ni4MoV, dan standarnya adalah JB/T 11020-2010 “Kondisi Teknis untuk Tempa Rotor Baja Ultra-murni Bertekanan Rendah untuk Turbin Uap Unit Superkritis dan Ultra-superkritis”, dan komposisi kimia dan sifat mekanis spesifiknya ditunjukkan pada Tabel 1.

Parameter proses pelapisan laser pada benda uji adalah: daya pemindaian 2400W~3500W, kecepatan pemindaian 10mm/s~30mm/s, kecepatan pengumpanan bubuk 1.0r/mnt~1.8r/mnt, tidak ada perlakuan panas pasca-las, dan setelahnya cladding, sampel diambil sesuai Gambar 2 untuk spesimen tarik, tekuk, metalografi dan kekerasan.

(1) Analisis struktur metalografi
Morfologi makroskopis penampang sambungan kelongsong laser ditunjukkan pada Gambar 3. Lapisan kelongsong terikat dengan baik pada substrat, dan tidak terdapat cacat makroskopis seperti retakan, pori-pori, fusi tidak sempurna, dan penetrasi tidak sempurna pada penampang. dari sendi.
Struktur mikro area material induk, area lapisan pelapis, dan zona yang terkena panas dari penampang sambungan lapisan pelapis dianalisis. Struktur mikro penampang sambungan pelapis laser ditunjukkan pada Gambar 4. Material induk, lapisan pelapis, dan zona yang terkena panas semuanya merupakan struktur bainit, tetapi morfologi organisasinya berbeda karena perbedaan dalam proses pendinginannya, dan zona yang terkena panas memiliki struktur yang paling halus.

(2) Uji kekerasan Uji kekerasan Vickers dilakukan pada sambungan pelapis. Metode pengujian sesuai dengan GB/T4340.1. Hasil uji kekerasan ditunjukkan pada Gambar 5. Garis fusi diambil sebagai titik nol dan sisi lapisan pelapis adalah arah positif. Dapat dilihat dari gambar bahwa kekerasan substrat berada dalam kisaran 250~350 HV; kekerasan substrat di dekat garis fusi dipengaruhi oleh panas pelapisan laser, dan nilai kekerasan berada dalam kisaran 360~410 HV. Lebar zona yang terpengaruh panas sekitar 1.2 mm; kekerasan lapisan pelapis cenderung stabil di luar 1 mm dari garis fusi, dan kekerasan berada dalam kisaran 270~350 HV, yang mendekati kekerasan substrat.

(3) Uji tarik Menurut GB/T 228.1-2010 “Uji tarik bahan logam Bagian 1: Metode uji suhu ruangan”, spesimen tarik pelat dipotong dari sambungan pelapis untuk uji kinerja tarik. Laju tarik dilakukan menurut GB/T 228.1 A224. Posisi patah spesimen tarik adalah las lapisan pelapis. Kekuatan luluh Rp0.2 mencapai 750 MPa, dan kekuatan tarik mencapai 845 MPa. Sifat tarik lapisan pelapis pada dasarnya setara dengan badan tempa, yang dapat memenuhi persyaratan ikatan dan kekuatan lapisan perbaikan.

(4) Uji tekuk Menurut GB/T 232-2010 “Metode Uji Tekuk Material Logam”, spesimen tekuk dipotong dari sambungan pelapis dan dilakukan uji kinerja tekuk. Ketebalan spesimen tekuk adalah 10 mm, diameter kepala tekanan tekuk adalah φ40 mm, dan sudut tekuk adalah 180°. Permukaan uji tekuk samping spesimen ditunjukkan pada Gambar 6. Tidak ada retakan, yang memenuhi persyaratan spesifikasi.

3 Pembuatan ulang dan perbaikan jurnal rotor

3.1 Status diameter poros rotor sebelum perbaikan
Sebelum perbaikan, area keausan rotor diukur. Keausan terjadi di banyak tempat pada jurnal bantalan No. 340 sepanjang 4 mm. Tempat yang paling parah adalah alur dengan kedalaman 1.3 mm yang aus. Status keausan ditunjukkan pada Gambar 7. Kondisi permukaan rotor tidak lagi memenuhi persyaratan operasi unit yang aman. Perbaikan harus segera diselesaikan melalui cara pembuatan ulang yang aman dan efektif untuk menghindari penggantian seluruh rotor.

3.2 Pemesinan sebelum perbaikan
Pertama, bagian diameter poros rotor yang rusak perlu dibersihkan. Tujuan utamanya adalah untuk memotong alur keausan dan membersihkan material di sekitarnya yang terkena keausan. Atas dasar ini, alur kelongsong disiapkan untuk menjamin kualitas kelongsong selanjutnya.
Pemrosesan pra-pengelasan dilakukan pada mesin bubut CNC. Pembubutan dilakukan dengan jumlah pemrosesan minimum, yaitu area yang rusak yang telah dibubut bersih sepenuhnya tidak akan diproses lebih lanjut, dan area yang belum dibubut sepenuhnya akan terus dibubut diameternya hingga semua bagian yang aus dibubut bersih sepenuhnya dan alur pelapis disiapkan. Jurnal sebelum pelapisan ditunjukkan pada Gambar 8.

3.3 Inspeksi sebelum perbaikan
Sebelum pelapisan, leher jurnal yang rusak dikenakan uji penetrasi dan uji ultrasonik untuk mendeteksi apakah ada retakan pada permukaan rotor dan bagian dalam atau cacat lain yang dapat memengaruhi pelapisan berikutnya.
Penguji kekerasan Leeb digunakan untuk menguji kekerasan 16 titik yang didistribusikan secara acak pada jurnal. Kekerasan seluruh area yang akan dilapisi berada dalam kisaran 260~300 HV, yang konsisten dengan kekerasan matriks rotor.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa bagian leher jurnal yang rusak telah dibersihkan seluruhnya, dan tidak terdapat cacat pada permukaan dan bagian dalam area yang akan dibalut, sehingga memenuhi persyaratan pekerjaan perbaikan kelongsong laser.

3.4 Perbaikan kelongsong laser
Selama proses pelapisan laser, robot menjepit kepala pelapis untuk mencapai pengumpanan aksial, dan putaran rotor digerakkan oleh mesin bubut.
Sebelum dibalut, area yang akan dibalut perlu dibersihkan secara menyeluruh, dan jurnal digosok dengan aseton. Operasi pelapisan selanjutnya hanya dapat dilakukan setelah dipastikan tidak ada minyak, air, atau noda lain yang tersisa.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9, operasi cladding dilakukan lapis demi lapis. Selama proses cladding, kualitas cladding perlu dipantau dan permukaan lapisan cladding perlu dibersihkan antar lapisan hingga ketebalan lapisan cladding memenuhi persyaratan dimensi. Selama proses pelapisan, suhu antar lapisan dipantau untuk menghindari panas berlebih. Setelah pelapisan selesai, jurnal rotor didinginkan secara perlahan hingga suhu kamar di bawah penutup bahan insulasi sebelum pemesinan.

3.5 Inspeksi setelah perbaikan

(1) Pemeriksaan dimensi
Rotor diukur pada mesin bubut setelah pengelasan. Toleransi dimensi dan kekasaran permukaan jurnal setelah perbaikan telah sepenuhnya dikembalikan ke persyaratan desain asli, yang dapat memenuhi persyaratan pencocokan antara bantalan dan jurnal. Selain itu, ujung dan lingkaran luar flensa kopling rotor yang diperbaiki, keliling di kedua sisi jurnal, dan area di dekat impeller tahap terakhir diukur menggunakan mikrometer. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa koaksialitas setiap posisi pengukuran kurang dari 0.02 mm, dan koaksialitas pada dasarnya tidak berubah dibandingkan dengan sebelum perbaikan.

(2) Uji kekerasan
Ketika jurnal rotor memiliki kelonggaran pemesinan 0.2 mm, uji kekerasan dilakukan pada 22 titik yang didistribusikan secara acak pada lapisan pelapis menggunakan penguji kekerasan Leeb menurut GB/T17394.1-2014 “Uji kekerasan Leeb bahan logam Bagian 1: Metode pengujian”. Hasil uji kekerasan berada dalam kisaran 272HV~354HV. Hasil uji kekerasan lapisan pelapis serupa dengan nilai kekerasan yang diukur dalam uji pelapis sebelumnya, dan deviasi antara nilai kekerasan setiap titik pada keliling yang sama tidak lebih besar dari 30HV, yang memenuhi persyaratan penggunaan.

(3) Uji penetrasi Setelah jurnal rotor dikerjakan dengan mesin halus dan kemudian digiling, jurnal tersebut dikenakan uji penetrasi sesuai dengan standar pabrik untuk produk rotor baru. Hasil uji penetrasi menunjukkan bahwa lapisan pelapis tidak memiliki cacat seperti inklusi terak, penetrasi tidak lengkap, retakan, dan pori-pori, dan kualitas lapisan pelapis memenuhi persyaratan standar. Keadaan jurnal setelah selesai ditunjukkan pada Gambar 10.

4 Efek perbaikan

4.1 Memperbaiki akurasi

Perbaikan jurnal rotor menghasilkan perbaikan lokal yang presisi dan tidak menimbulkan efek buruk pada bagian rotor lainnya. Setelah perbaikan, semua area jurnal dapat memenuhi persyaratan toleransi diameter jurnal rotor. Setelah perbaikan, koaksialitas jurnal kurang dari 0.02 mm dan kekasaran Ra≤0.4 μm, sehingga perbaikan komponen dengan persyaratan akurasi dimensi tinggi tercapai.

4.2 Pengoperasian rotor
Berdasarkan umpan balik dari pembangkit listrik, rotor bertekanan rendah dioperasikan setelah perbaikan. Suhu oli pelumas, suhu bantalan, dan getaran poros unit semuanya memenuhi persyaratan dan pengoperasiannya baik.

5 Kesimpulan dan Prospek

Teknologi remanufaktur pelapisan laser digunakan untuk menyelesaikan perbaikan posisi keausan jurnal rotor tekanan rendah turbin uap dengan sukses dan memperoleh kesimpulan berikut:

(1) Kekuatan ikatan antara lapisan kelongsong dan substrat tinggi, dan kekuatan serta komposisi kimia lapisan kelongsong memenuhi persyaratan penggunaan posisi diameter poros.

(2) Penggunaan stasiun kerja pelapisan laser bergerak dapat mewujudkan perbaikan rotor secara online, dan periode perbaikan dapat memenuhi kebutuhan siklus pemeliharaan pembangkit listrik.

(3) Jurnal rotor yang diperbaiki dengan pelapisan laser dapat memastikan bahwa toleransi ukuran jurnal, kekasaran permukaan, dll. memenuhi persyaratan gambar desain setelah perbaikan.

(4) Setelah perbaikan selesai, rotor dipasang kembali ke dalam unit, dan unit berjalan dengan stabil setelah commissioning.