Ротор турбины тяжелый и имеет высокую скорость. Шея ротора может изнашиваться из-за плохой работы системы смазочного масла или других факторов, вызывающих чрезмерную вибрацию ротора или другие угрозы безопасности. При данном виде повреждения диаметра вала эксплуатируемого ротора применяется расширенный лазерная оболочка Технология ремонта и восстановления позволяет устранить повреждения, а качество ремонта соответствует требованиям долгосрочной безопасной эксплуатации ротора. По сравнению с традиционной технологией ремонта сваркой она более гибкая и эффективная. Случай применения, рассматриваемый в этой статье, представляет собой технологию ремонта, которая использует полупроводниковый лазер в качестве источника тепла и использует метод лазерной наплавки для нанесения ремонтного слоя на поверхность поврежденной шейки. Слой лазерной наплавки имеет высокую прочность сцепления с основным материалом, низкое тепловложение при сварке, высокую степень автоматизации и неизменное качество ремонтной сварки шейки. Явных изменений формы и размеров ротора до и после ремонта нет.

Ротор является основным компонентом турбины и должен выдерживать суровые рабочие условия, такие как высокая температура, высокое давление, высокая скорость и высокие нагрузки. Однако из-за качества смазочного масла, примесей и других неблагоприятных эксплуатационных факторов иногда изнашивается шейка ротора, серьезно влияющая на безопасную и стабильную работу турбоагрегата. В последние годы были опробованы технологии лазерного восстановления и ремонта для устранения износа вала ротора. По сравнению с традиционными технологиями, такими как гальваника, химическое покрытие, термическое напыление и дуговая сварка, технология лазерного восстановления и ремонта имеет преимущества высокой прочности соединения, небольшой зоны термического влияния, низкой скорости разбавления, небольшой деформации, небольшого припуска на последующую обработку, прочного отбор и высокая степень автоматизации. Он стал важным инструментом в области восстановления, такого как восстановление размера, модификация поверхности и продление срока службы важных деталей [1-4].

За 8 лет эксплуатации шейка вала ротора низкого давления паровой турбины, находящейся в эксплуатации на электростанции, была изношена во многих местах, что серьезно повлияло на безопасную работу агрегата. Электростанция поручила Шанхайскому заводу паровых турбин отремонтировать изношенные части шейки вала.

1 Технология лазерного восстановления и ремонт оборудования

1.1 Технология лазерной наплавки

Лазерная наплавка является важным применением технологии лазерной обработки. В процессе плакирования тонкий слой основного материала расплавляется путем облучения лазерным лучом с высокой плотностью энергии (обычно 102 ~ 104 Вт/мм2), смешанным с тем же расплавленным наполнителем, и определяется определенная толщина зоны термического влияния. генерируется. Плакирующий слой, который металлургически связан с базовой поверхностью, формируется на базовой поверхности для модификации поверхности, аддитивного производства и других операций. На рис. 1 показан принцип лазерной наплавки.

Лазерная наплавка, как метод восстановления с низкими затратами тепла, показывает свою пригодность для аддитивного ремонта роторов низкого давления с высокими требованиями к размерной точности и сложной сваркой основного материала. Благодаря высокой плотности энергии лазерной наплавки можно отремонтировать шейку ротора с меньшим тепловым воздействием при сварке. Когда Го Шируй и др. [5] провели испытание лазерной наплавки ротора турбины, зафиксировали температуру на расстоянии 5 см от области наплавки. Температура в течение всего процесса наплавки не превышала 70 °С, что позволяет контролировать степень разбавления и сварочную деформацию. Шанхайский завод паровых турбин ранее проводил технологические испытания и разработку процесса лазерной наплавки ротора [6-7] и имеет технические возможности для производства лазерной наплавки.

1.2 Знакомство с оборудованием для лазерной наплавки

Оборудование для ремонтных работ представляет собой мобильную станцию ​​лазерной наплавки. Рабочая станция имеет контейнерную конструкцию и может быть легко транспортирована на специально отведенное рабочее место на электростанции или заводе для операций лазерной наплавки. Подходит для ремонта различных деталей. Рабочая станция в основном состоит из мощного лазера, 6-осевого робота, устройства подачи порошка, коаксиальной головки подачи порошка и вспомогательных систем, таких как источник питания и охлаждение, для поддержки работы системы.

2 Испытание рабочих характеристик слоя лазерной оболочки

Для обеспечения ремонтного эффекта и комплексных механических свойств металла плакировки был разработан специальный плакирующий порошок из того же материала, что и сталь 30Х2Н4МФ ротора низкого давления, и было проведено испытание на плакирование моделируемой детали для проверки процесса ремонта. и производительность облицовочного слоя.

Базовые приготовления:
Базовым материалом для испытаний является материал ротора низкого давления паровой турбины 30Cr2Ni4MoV, а стандартом является JB/T 11020-2010 «Технические условия для поковок роторов низкого давления из сверхчистой стали для паровых турбин сверхкритических и сверхкритических агрегатов», а также его конкретный химический состав и механические свойства приведены в таблице 1.

Параметры процесса лазерной наплавки образца: мощность сканирования 2400–3500 Вт, скорость сканирования 10 мм/с–30 мм/с, скорость подачи порошка 1.0–1.8 об/мин, отсутствие термообработки после сварки и после плакирования отбирались образцы по рисунку 2 на растяжение, изгиб, металлографические образцы и образцы твердости.

(1) Анализ металлографической структуры

Макроскопическая морфология поперечного сечения соединения лазерной наплавки показана на рисунке 3. Оболочный слой хорошо связан с подложкой, в поперечном сечении отсутствуют макроскопические дефекты, такие как трещины, поры, непровары и непровары. сустава.

Проанализированы микроструктуры области основного материала, области плакирующего слоя и зоны термического влияния поперечного сечения стыка плакирующего слоя. Микроструктура поперечного сечения соединения лазерной наплавки показана на рисунке 4. Исходный материал, слой оболочки и зона термического влияния представляют собой бейнитные структуры, но их организационная морфология различна из-за различий в процессах охлаждения и нагрева. -Зона поражения имеет тончайшую структуру.

(2) Испытание на твердость

Испытание на твердость по Виккерсу проводилось на стыке облицовки. Метод испытаний соответствовал GB/T4340.1. Результаты испытаний на твердость показаны на рисунке 5. Линия сплавления принимается за 0-точку, а сторона плакирующего слоя – за положительное направление. Из рисунка видно, что твердость подложки находится в диапазоне 250–350 HV; на твердость подложки вблизи линии плавления влияет тепло лазерной наплавки, значение твердости находится в диапазоне 360 ~ 410 HV, а ширина зоны термического влияния составляет около 1.2 мм; твердость плакирующего слоя имеет тенденцию быть стабильной на расстоянии более 1 мм от линии плавления, а твердость находится в диапазоне 270 ~ 350 HV, что близко к твердости подложки.

(3) Испытание на растяжение

В соответствии со стандартом GB/T 228.1-2010 «Испытание металлических материалов на растяжение, часть 1: Метод испытания при комнатной температуре», из плакирующего соединения вырезали пластинчатый образец для испытания на растяжение. Скорость растяжения определяли согласно GB/T 228.1 A224. Положением разрушения растянутого образца был сварной шов плакирующего слоя. Предел текучести Rp0.2 достигал 750 МПа, а предел прочности - 845 МПа. Прочность на растяжение плакирующего слоя была в основном такой же, как и у поковки, что могло соответствовать требованиям к силе сцепления и прочности ремонтного слоя.

(4) Испытание на изгиб

В соответствии со стандартом GB/T 232-2010 «Метод испытаний на изгиб металлических материалов» из стыка оболочки вырезался образец для испытания на изгиб. Толщина изгибаемого образца составляла 10 мм, диаметр гибочной головки φ40 мм, угол изгиба 180°. Испытательная поверхность образца на боковой изгиб показана на рисунке 6. Трещин нет, и она соответствует требованиям технических условий.

3 Восстановление и ремонт шеек ротора

3.1 Состояние диаметра вала ротора до ремонта

Перед ремонтом была измерена зона износа ротора. Износ произошел во многих местах на длине 340 мм шейки подшипника №4. Самое серьезное место — стертая канавка глубиной 1.3 мм. Состояние износа показано на рисунке 7. Состояние поверхности ротора больше не соответствует требованиям безопасной эксплуатации агрегата. Необходимо срочно завершить ремонт с помощью безопасных и эффективных средств восстановления, чтобы избежать замены всего ротора.

3.2 Механическая обработка перед ремонтом

Сначала необходимо очистить поврежденную часть диаметра вала ротора. Основное назначение – срезать канавку износа и очистить прилегающие к ней материалы, подвергшиеся износу. На этой основе подготавливается облицовочный паз, обеспечивающий последующее качество облицовки.

Предсварочную обработку производят на токарном станке с ЧПУ, а токарную обработку выполняют с минимальным объемом обработки, то есть полностью выточенный начисто поврежденный участок в дальнейшем обрабатываться не будет, а не полностью выточенный участок - продолжайте поворачивать диаметр до тех пор, пока все изношенные детали не будут полностью выточены начисто и не завершится подготовка облицовочной канавки. Журнал до наплавки показан на рисунке 8.

3.3 Проверка перед ремонтом

Перед плакированием поврежденная шейка шейки подвергается испытанию на проникновение и ультразвуковому контролю для выявления наличия трещин на поверхности и внутри ротора или других дефектов, которые могут повлиять на последующую плакировку.

Твердомер используется для проверки твердости по 16 точкам, случайно распределенным по журналу. Твердость всей плакируемой области находится в диапазоне 260–300 HV, что соответствует твердости основы ротора.

Результаты испытаний показывают, что поврежденная часть шейки шейки полностью зачищена, дефектов на поверхности и внутри наплавляемого участка нет, что соответствует требованиям ремонтных работ по лазерной наплавке.

3.4 Ремонт лазерной наплавки

Во время процесса лазерной наплавки робот зажимает наплавочную головку для обеспечения осевой подачи, а вращение ротора приводится в движение токарным станком.

Перед облицовкой облицовываемый участок необходимо тщательно зачистить, а шейку протереть ацетоном. Последующие операции по облицовке можно выполнять только после подтверждения отсутствия остатков масла, воды и других пятен.

Как показано на рисунке 9, операция облицовки выполняется слой за слоем. В процессе плакирования необходимо контролировать качество плакирования и очищать поверхность плакирующего слоя между слоями до тех пор, пока толщина плакирующего слоя не будет соответствовать размерным требованиям. В процессе облицовки контролируется температура между слоями, чтобы избежать перегрева. После завершения плакирования шейка ротора перед механической обработкой медленно охлаждается до комнатной температуры под слоем изоляционного материала.

3.5 Осмотр после ремонта

(1) Проверка размеров. После сварки ротор измеряется на токарном станке. После ремонта допуски на размеры и шероховатость поверхности шейки были полностью восстановлены до исходных проектных требований, что может соответствовать требованиям соответствия между подшипником и шейкой. Микрометром измерялись размеры торца и наружного круга ремонтируемого фланца муфты ротора, окружности обеих сторон шейки вала и площади возле конечного рабочего колеса. Результаты измерений показали, что соосность каждого измерительного положения составила менее 0.02 мм, а соосность практически не изменилась по сравнению с состоянием до ремонта.

(2) Испытание на твердость. Когда на шейке вала ротора оставался припуск 0.2 мм, испытание на твердость по Либу было проведено в 22 точках, случайно распределенных на плакирующем слое, с использованием твердомера по Либу в соответствии с GB/T 17394.1-2014». Металлические материалы. Испытание на твердость по Либу. Часть 1: Метод испытания». Результаты испытаний на твердость находились в диапазоне 272–354 HV. Результаты испытаний на твердость плакирующего слоя были аналогичны значениям твердости, измеренным при предыдущем испытании наплавки, а отклонение между значениями твердости каждой точки на одной и той же окружности составляло не более 30 HV, что соответствовало условиям эксплуатации. требования.

(3) Пенетрантный контроль После обработки шейки ротора и последующего шлифования шейка была подвергнута капиллярному контролю в соответствии с заводским стандартом для новых роторных изделий. Результаты капиллярных испытаний показали, что плакирующий слой не имеет дефектов в виде шлаковых включений, непроваров, трещин и пор, а качество плакирующего слоя соответствует требованиям стандарта. Состояние журнала после завершения показано на рисунке 10.

4 Эффект ремонта

4.1 Точность ремонта

Благодаря журнальному ремонту ротора достигается точный локальный ремонт без негативного воздействия на другие части ротора; после ремонта требования к допускам диаметра шеек ротора могут быть соблюдены во всех областях, соосность шеек после ремонта составляет менее 0.02 мм, а шероховатость Ra≤0.4 мкм, что обеспечивает ремонт деталей с высокой точностью размеров. требования.

4.2 Работа ротора

По отзывам электростанции, ротор низкого давления был введен в эксплуатацию после ремонта, температура смазочного масла, температура подшипников и вибрация вала агрегата соответствовали требованиям, работа прошла хорошо.

5 Заключение и перспективы

Технология лазерного наплавочного восстановления была использована для успешного ремонта изношенного положения шейки ротора низкого давления паровой турбины и получены следующие выводы:

(1) Прочность связи между слоем оболочки и подложкой высока, а прочность и химический состав слоя оболочки соответствуют требованиям использования положения диаметра вала.

(2) Использование передвижной рабочей станции для лазерной наплавки позволяет осуществлять оперативный ремонт ротора, а период ремонта может соответствовать потребностям цикла технического обслуживания электростанции.

(3) Шейка ротора, отремонтированная путем восстановления лазерной наплавки, может гарантировать, что допуск на размер шейки, шероховатость поверхности и т. д. будут соответствовать требованиям проектных чертежей после ремонта.

(4) После завершения ремонта ротор снова устанавливается в агрегат, и агрегат после ввода в эксплуатацию работает стабильно.