【摘要】：针对某厂一台汽轮机在检修过程中，转子两侧轴径部位采用激光熔覆技术修复后，在机组开车时两侧轴承部位振动异常，结合本特利仪表探头使用说明及激光熔覆技术原理，分析和确定引起振动异常原因为激光熔覆的材质对本特利仪表探头形成的电涡流产生很大的干扰，通过实验验证不同激光熔覆材料对轴径部位振动探头的影响，并对激光熔覆材料对本特利振动探头的影响因素进行分析，同时采取有效地处理措施并提出一些检修过程中的注意事项。
【关键词】：汽轮机，激光熔覆，异常振动，影响因素
一、前言
某厂一台汽轮机发电机组2000年建成投用，采用杭州汽轮机厂生产的EHNG40/32/40型抽汽背压式汽轮机，代号T6416，被驱动机械为发电机。汽轮机组经过长时间运行后，在大修过程中检查发现，转子两侧外油挡部位轴径及轴瓦部位的轴径有不同程度的磨损，油挡部位尤其磨损严重，主轴前后轴瓦部位及油挡部位轴径有多处磨损沟槽，磨损最深处为0.50mm，在运行过程中对机组的安全运行会造成严重的影响，经过讨论采用激光熔覆技术对磨损部位进行修复。
1、激光熔覆技术简介
激光熔覆技术是随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔覆技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。目前，应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基、钛合金、铜合金、颗粒型金属基复合材料，陶瓷材料等。
2、检修方案的制定
汽机转子长度3020mm，重量1154KG，材质为28CrMoNiV。对需要激光熔覆各部位的形位公差、修复范围、加工内容确定后，采取最小去除量原则，将车削损伤深度定位0.5mm，保留轴径与轴肩R角，并避免修复完后应力集中，熔覆后保留0.5mm的熔覆层。加工示意图如图1所示。
3、转子轴颈修复过程
使用3000W大功率熔覆机，采用镍基合金材质粉末、同步送粉的方法对轴颈进行熔覆。熔覆过程中熔覆线速度保持在12mm/秒，保证轴颈跳动小于0.01mm。单层熔覆厚度高于基体面约0.5mm，熔覆完以后采用精加工切削、打磨，保证熔覆层厚度为0.5mm，修复后的轴径尺寸与修复前相同，修复后表面粗糙度小于RA0.8，熔覆层硬度在HRB22～HRB24，修复后的轴颈洁净光滑。修复过程如图2、图3所示。
图2：转子两侧轴承部位及油挡部位车削后实物图 图3：转子两侧轴承部位及油挡部位激光熔覆过程
二、机组出现异常振动的现象及原因分析
1、异常振动的现象
汽轮机大修及转子轴径等修复回装后，机组油循环，投电动盘车，盘车转速为80r/min，此时发现高低压轴承部位振动探头显示振值异常，高压侧轴承部位振动探头位号为24G02X、24G02Y，低压侧轴承部位振动探头位号为24G03X、24G03Y。检修前后投电动盘车时的前后轴承部位振值情况如表1所示：
因在盘车转速下汽机两侧轴承部位的振值异常，初步怀疑转子存在热弯曲，经过沟通后决定对汽机暖机冲转，在低速长时间运行时看两侧振值是否会有所好转。在冲转过程中，800r/min保持40分钟，2000r/min保持30分钟，在过临界的时候转速到2940r/min，汽机轴振动高联锁跳车，堕走时间5分16秒。冲转时不同转速前后轴承部位振值情况如表2所示：
2、原因分析与排查
引起汽轮机轴承部位振动异常的原因有很多，轴瓦与轴之间的间隙过大、转子轴的弯曲度过大、汽机转子动静部位摩擦、动平衡失效、润滑油的油质和油温、联轴器不对中以及仪表探头损坏或松动等等，都有可能对两侧轴承部位的振值产生很大影响。投电动盘车装置，转速80r/min时，前后轴承部位振值异常是一个最大的疑点，通过逐一分析和排查，先后排除了以下几个方面的因素：振动探头间隙电压、前后径向轴瓦间隙、激光熔覆后轴径部位的磁通量、联轴器的对中、转子各部位的跳动值、主油泵、转子的动平衡等；最后联系仪表人员进行测试，安装表架固定仪表振动探头，连线至24G03X位号，对转子不同的部位进行测量振值，数据如表3所示：
由此可判断轴径激光熔覆部位的材质对仪表振打探头的振值有很大的影响。
3、确定引起振动异常的原因
通过以上的几个方面的的原因分析和排查，可以初步确定引起汽轮机高低压侧轴承部位振值异常的主要原因是采用镍基合金材料对轴径表面进行激光熔覆修复后，表面的熔覆层与转子基体材质呈现两种金属质地。测量振动的仪表振动探头采用的是本特利3300 XL- 8电涡流探头，安装仪表振动探头的地方也正好在这个部位，振动探头电涡流产生的交变磁场遇到两种质地的金属材料，在轴径的表面产生电涡流场发生变化，从而引起测量的振动数据失真，不能真实的反映转子两侧轴承部位的振动。
三、通过实验验证不同激光熔覆材料对轴径部位振动探头的影响
1、本特利3300 XL 8探头系统原理
本特利3300 XL 8探头传感器系统的工作机理是电涡流效应。当接通传感器系统电源时，在前置器内会产生一个高频电流信号，该信号通过电缆送到探头的头部，在头部周围产生交变磁场H1。如果在磁场H1的范围内没有金属导体材料接近，则发射到这一范围内的能量都会全部释放；反之，如果有金属导体材料接近探头头部，则交变磁场H1将在导体的表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变了线圈的有效阻抗，假定金属导体是均质的，其性能是线性和各向同性的。这种变化与电涡流效应有关，又与静磁学效应有关，即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。
2、不同激光熔覆材料对轴径部位振动探头影响的实验
目前被广泛使用的激光熔覆自熔性材料主要有镍基合金材料、钴基合金材料和铁基合金材料。实验采用2Cr13材质的金属棒为基体材料，直径Φ50mm，长度400mm，分别采用镍基、钴基和铁基合金材料对其表面进行激光熔覆，熔覆后经过精车打磨，保证熔覆层厚度大于0.50mm，将实验材料安装在车床上，采用表架安装本特利3300 XL 8振动探头，设定相同的间隙电压，在不同转速下，测量其振动值，虽然车床的稳定性不是很高，但也能够正确反映不同熔覆材质对振值的影响。不同熔覆材质对振值的影响如表4所示：
从上表可以看出，镍基合金熔覆层对本特利3300 XL 8振动探头测量的振值影响最大，铁基合金材料的熔覆层对振值的影响相对较小一些。
另外将振动探头与轴径表面间隙设定为1mm时，检查不同材质在间隙一定下的间隙电压。不同熔覆材质间隙一定时间隙电压值如表5所示：
从表5可以看出，镍基合金熔覆层在测振探头与轴的表面间隙一定时，产生的间隙电压变化最大，铁基合金材料的熔覆层对间隙电压的影响相对较小一些。
3、激光熔覆材料对本特利振动探头的影响因素分析
1）汽轮机转子轴承部位轴径表面激光熔覆层与转子基体之间的金属材料不同，从外至里依次为熔覆层、融合层、转子基体材质，他们之间的金相组织不同、内部结晶结构不同，存在一定的分界线，仪表振动探头产生的涡流感应将发生无法预知的变化，再加上轻微的残磁影响，会导致测量的振动信号的失真。
2）仪表振动探头产生的电涡流效应主要集中在轴径表面，不同合金材料的熔覆层的电导率、磁导率与转子本体材质不同，不同合金材料熔覆层硬度低于转子本体材质，直接影响电涡流效应的强弱，从而影响传感器的灵敏度和线性范围，造成振动幅值大小发生变化。
3）不同激光熔覆合金材料粉末采用同步送粉的方法对轴颈进行熔覆，在熔覆过程中，产生气孔是难免的，主要是由于熔覆层收缩带来的凝固孔洞和某些物质蒸发时产生的气孔；其次激光熔覆过程产生的成分与组织不均匀，采用激光对合金粉末加热熔敷时，加热速度极快，会对转子基体材质和熔覆层带来很大的温度差，产生的熔覆层及融合层成分与组织不均匀，激光熔覆还会带来开裂和裂纹，这些缺陷也会导致测量的振值发生很大的变化。
四、解决方案的实施
经过对熔覆层对振值产生的影响分析，针对汽轮机转子轴径部位激光熔覆后产生的异常振动，主要从以下几个方面考虑去解决：
1、通过仪表人员依据本特利振动探头线型曲线，更改探头直径，调整探头与轴之间的间隙和对应的间隙电压来降低测量的振值；
2、将两侧轴承部位采用镍基合金材料激光熔覆后的熔覆层及融合层全尺寸车除，此方法需要重新制作轴瓦；
3、将两侧轴承部位采用镍基合金材料激光熔覆后的熔覆层及融合层全尺寸车除，采用铁基合金粉末材质重新对轴承部位的轴径表面进行激光熔覆；
4、两侧轴承部位采用镍基合金材料激光熔覆后的熔覆层尺寸不变，只车仪表振动探头对应的环形检测带；
前三种方法无法在短时间内完成检修恢复生产，也无法保证振值测量数据的真实性，为将转子的损伤降至最小，采用两侧轴承部位采用镍基合金材料激光熔覆后的熔覆层尺寸不变，只车仪表振动探头对应的环形检测带，经查找资料确定，车削宽度为振动探头直径的2.5-3倍，既可以保证轴承对应的轴径部位尺寸不变，也可以保证仪表振动探头测量的准确性，并且简单易操作。方案实施后，汽轮机转子在冲转过程及机组达到稳定运行后，高低压轴承部位振值异常消失，机组运行平稳。
五、结束语
目前，采用激光熔覆技术对各种轴径表面进行修复已经广泛应用于各行各业，对在轴径部位安装仪表振动探头的轴径表面修复，在修复前一定要对涡流传感器的工作原理、安装要求及影响因素要有足够的认识，一定要考虑熔覆层对仪表振动探头产生的电涡流是否产生影响，尽量避开探头安装位置。采用激光熔覆技术对轴径修复后，要检查是否影响到振动探头涡流传感器的测量，必要时需要更换测量位置，避免振值信号失真。目前，大型转动设备及机组普遍采用轴振信号作为振动保护，如果是人为因素造成振动探头测量的振值失真，在运行过程中导致汽轮机组跳车，难免会造成巨大的损失。