在役汽轮发电机组轴瓦及超声波探伤工艺方法介绍.ppt

,在役汽轮发电机合金轴瓦及超声波检测 方法介绍,1 轴瓦（ bearing）种类 轴瓦也称滑动轴瓦，在轴与座孔之间主要起支承载荷和传递运动的作用。 支持和约束轴的旋转或摆动的机械零件。轴和轴瓦构成动联接，借以传递载荷和约束轴的运动。 轴瓦的种类很多。按其所能承受的载荷方向可分为： 径向轴瓦，又称向心轴瓦，承受径向载荷。 止推轴瓦，又称推力轴瓦，承受轴向载荷。 径向止推轴瓦，又称向心推力轴瓦，同时承受径向载荷和轴向载荷。 按轴瓦工作的摩擦性质不同可分为滑动摩擦轴瓦（简称滑动轴瓦）和滚动摩擦轴瓦（简称滚动轴瓦）两大类。 以上几种是汽轮发电机最常用的轴瓦。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,2 汽轮发电机轴瓦目的和应用 轴瓦被安装到电站的基础上: -轴瓦的安放决定着邻近汽缸的导向,以保证它们在汽轮发电机组装配中的同轴问题。 -轴瓦支承着轴系,允许相对于轴瓦转动。 -轴瓦保证汽轮发电机组转子中心线保持在同一垂直面上。 -每个径向轴瓦能在轴线偏转的特殊情况下调整高度。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,3汽轮发电机轴瓦目的和应用 轴瓦被安装到电站的基础上: -轴瓦的安放决定着邻近汽缸的导向,以保证它们在汽轮发电机组装配中的同轴问题。 -轴瓦支承着轴系,允许相对于轴瓦转动。 -轴瓦保证汽轮发电机组转子中心线保持在同一垂直面上。 -每个径向轴瓦能在轴线偏转的特殊情况下调整高度。 汽轮发电机轴瓦的种类：推力瓦、支持瓦、可倾瓦、密封瓦等。 支持（径向）瓦起到支撑转子和转动部分的作用，推力瓦承担轴向定位和轴向推力的作用，是重要的静止部件。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,4 汽轮发电机轴瓦组件 每个轴瓦包括以下部分 -把轴瓦安放到基础上的装置。 -轴向导向装置,用来保证所有汽轮发电机固定部分同轴。 -径向轴瓦支承。 -常规的润滑油系统。 -高压润滑油系统。 -各种振动测量仪器,温度计及所需的汽机监视器的位置。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,5 径向支持轴瓦,一、轴瓦简介及轴瓦材料,用来支承汽轮机转子的重力，保持动静件中心一致，从而保证动静件之间的辐向间隙在规定范围。,6 推力轴瓦 是用来平衡转子的轴向推力。确立转子膨胀的死点，从而保证动静件之间的轴向间隙在设计范围内。 汽轮机推力瓦的作用就是为了确定转子在汽缸的轴向位置。在正常运行的情况下，汽轮机的推力瓦中，工作瓦块受力，保证汽轮机的转子不至于向发电机侧位移。但减负荷，尤其是甩负荷的情况下，由于惯性等原因，造成汽轮机有向机头侧发生位移的趋势。这时候，受力的是推力瓦中的非工作瓦块，从而保证汽轮机的转子在汽缸中轴向的相对位置不发生改变。汽轮机推力瓦分正向推力瓦和反向推力瓦。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,6 推力轴瓦 -轴的残余推力直接作用于推力轴瓦,并把此力由运动部分传到静止部分.例如,传到轴瓦座结构上。 -推力盘以汽机额定转速旋转,而推力作用的轴瓦是静止的。 充分的润滑减小了摩擦的影响,散失了热量,推力轴瓦的运转,沉浸在持久更新的温度和流量都得到控制的油中。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,一、轴瓦简介及轴瓦材料,7 可倾瓦+弹性环 -弹性环有柔韧性,在正常运行中可吸收部分推力 -然而,在发生变故时,用弹性环的精确的阻塞值(尺寸H的增加),用于检查。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,8 轴瓦的形式与结构 常用的轴瓦分为整体式和剖分式两种结构。图1a所示为整体式轴瓦，又称轴套，轴瓦上开有油孔和油沟，以便把润滑油导入整个接触表面。剖分式轴瓦分为上轴瓦和下轴瓦，见图1b，轴瓦两端有凸肩用作轴向定位，并能承受一定的轴向力。 图1常用的轴瓦两种结构示意图,一、轴瓦简介及轴瓦材料,一、轴瓦简介及轴瓦材料,5-1剖分式轴瓦,9 油孔、油槽和油室 油孔用来供应润滑油 油槽用来使润滑油散布到轴颈表面：轴向油槽；周向油槽 油孔、油槽开设原则 1）润滑油应从油膜压力最小处输入轴瓦； 2）油槽（沟）开在非承载区，否则会降低油膜的承载能力； 3）油槽轴向不能开通，以免油从油槽端部大量流失。 油室使润滑油沿轴向均匀分布，同时起到贮油、稳定供油和改善轴瓦散热条件的作用 位置开在非承载区。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,10 轴瓦的形式与结构 为改善轴瓦的摩擦性能，常在轴瓦的内表面浇注或轧制一层减摩材料，称为轴瓦合金或轴瓦合金，其厚度一般在0.55mm范围内，见图2。通常情况下，轴瓦合金衬层愈薄，其抗疲劳强度愈高。 图1轴瓦示意图,一、轴瓦简介及轴瓦材料,10 轴瓦的形式与结构 为使润滑油能顺利流入轴瓦的整个工作表面中，轴瓦上要制出进油孔和输油沟用以输送润滑油。对于宽径比B/d较小的轴瓦，开设油孔即可。对于宽径比较大，可靠性要求高的轴瓦，还应开设油沟。液体动压滑动轴瓦的油孔和输油沟均不应开设在轴瓦的承载区内，否则会明显降低油膜的承载能力。 轴瓦结构 单金属；双金属（有轴瓦衬）；三金属（钢青铜轴瓦衬 青铜增加轴瓦衬和瓦背联结强度）,一、轴瓦简介及轴瓦材料,11 轴瓦的材料 滑动轴承工作时，轴瓦与轴颈构成摩擦副，即使是液体摩擦轴承，在启动、停车、换向、载荷或转速变化时，也可能出现摩擦表面的直接接触。因此， 轴瓦的主要失效形式是脱胎、磨损和烧瓦。在变载荷作用下，也会出现疲劳点蚀。所以，对轴瓦材料的主要基本要求是： 良好的减摩性、耐磨性 良好的抗胶合性、顺应性，嵌入性和跑合性 足够的强度（抗压和疲劳强度） 良好的耐腐蚀性、热化学性能（传热性和热膨胀性）和调滑性（对油的吸附能力） 良好的工艺性和经济性等。,12 汽轮发电机轴瓦的材料 轴瓦合金（又称巴氏合金）由锡（Sn）、铅（Pb）、锑（Sb）、铜（Cu）等组成。 以锡或铅为基体（软）其中含有锑锡（Sb-Sn）或铜锡（Cu-Sn）的硬晶粒。硬晶粒起耐磨作用，软基体则增加材料的塑性 特点：嵌入性、顺应性最好，抗胶合性好，具有高的疲劳强度、承载能力、抗冲击能力、耐蚀性，有较好的轴瓦表面性能。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,12 汽轮发电机轴瓦的材料 巴氏合金，它主要由锡、铅、锑、铜等组成。 分为：锡基轴瓦合金（如ZSnSb10Cu6中，含锑10%，含铜6%，锡83%）； 铅基轴瓦合金（例如ZPbSb16Sn16Cu2合金中，含锑16%，锡16%，铜1.75%，其余为铅）两类。 锡基轴瓦合金的摩擦系数小，抗胶合能力好，对油的吸附性强，耐腐蚀性好，易跑合，它适用于高速、重载的场合。 铅基轴瓦合金的性能较前者脆，不宜承受冲击载荷，适用于中速、中载的场合。这两类轴瓦合金的机械强度和熔点都较低，仅宜用于小于150的工况，且价格贵，一般只用作轴瓦衬的材料。 轴瓦合金的弹性模量和弹性极限都很低，在所有轴瓦材料中，它的嵌入性及摩擦顺应性最好，很容易与轴颈磨合。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,13 巴氏合金的组织,一、轴瓦简介及轴瓦材料,典型的金相组织见图1，即在暗黑色固溶体塑性基体上，分布着白亮色方块或三角形晶体相(SnSb)及白色针状(或粒状)晶体相(Cu6Sn5)，该巴氏合金的平均硬度仅为HB30。,13 巴氏合金的组织,一、轴瓦简介及轴瓦材料,ZSnSb11Cu6轴瓦巴氏合金的成分及各个组成相的作用详见表1。 SnSb11Cu6巴氏合金的固相点温度为240，液相点温度为370，其最高使用温度不得超过100，摩擦系数在有油时为0.005，无油时为0.28。 表5-1 ZSnSb11Cu6巴氏合金的成分与各组成相的作用,14 轴瓦的失效 滑动轴瓦工作时，轴瓦与汽轮发电机转轴之间要求有一层很薄的油膜起润滑作用。如果由于润滑不良，轴瓦与转轴之间就存在直接的摩擦，摩擦会产生很高的温度，虽然轴瓦是由于特殊的耐高温合金材料制成，但发生直接摩擦产生的高温仍然足于将其烧坏。 轴瓦还可能由于负荷过大、温度过高、润滑油存在杂质或黏度异常等因素造成烧瓦。,一、轴瓦简介及轴瓦材料,15.常见的典型轴瓦结构形貌,超超临界1000MW汽轮机推力轴承,超超临界1000MW汽轮机轴承,超临界600MW汽轮机轴承,亚临界300MW汽轮机轴承,125MW汽轮机轴承,汽轮机轴承,磨煤机轴瓦,舰船用轴承,1. 前言： 轴瓦在浇铸合金的过程中，存在着浇铸温度、应力分布以及基体表面处理状况等因素，因此不可避免的出现局部或部分未粘合，从而产生剥离。 运行中汽轮机合金轴瓦处于极复杂的应力状态，往往由于选材不合理，材料不符合要求，机加工质量不佳，组装工艺不良，运行工况变动等因素的影 响，目前大量老机组仍然在超期服役，大容量新机组尤其600MW及1000MW大量相继投运，合金轴瓦脱胎所引发的事故时有发生，因此在进行探伤检测工艺研究的同时有必要了解 轴瓦的浇铸工艺。,二、轴瓦合金的浇铸方法,2 轴瓦合金的浇铸方法 2.1 巴氏合金 轴瓦一般是由铸钢，如ZG230-450制成。在轴瓦的工作表面铸有一层具有一定强度、跑合性能和减磨性能及耐磨性能良好的轴承衬，这种轴承衬很容易与轴颈形成一层油膜，对轴起到保护和润滑作用。 这种轴承衬材料通常是巴氏合金，其弱点是机械强度低，并与钢铁的贴附性较差，受热易熔化。 巴氏合金由美国人巴比特发明而得名，因其呈白色，又称白合金。具有减摩特性的锡基巴氏合金和铅基巴氏合金是唯一适合相对于低硬度轴转动的材料。 与其它轴承材料相比，具有更好的适应性和压入性，广泛用于大型船用柴油机、涡轮机、交流发电机，以及其它矿山机械和大型旋转机械等。,巴氏合金主要合金成分是锡、铅、锑、铜。锑、铜，用以提高合金强度和硬度。 巴氏合金的组织特点是，在软相基体上均匀分布着硬相质点，软相基体使合金具有非常好的嵌藏性、顺应性和抗咬合性并在磨合后，软基体内凹，硬质点外凸，使滑动面之间形成微小间隙，成为贮油空间和润滑油通道，利于减摩；上凸的硬质点起支承作用，有利于承载。 巴氏合金可以分为锡基合金和铅基合金两种。 铅基合金的强度和硬度比锡基合金低，耐蚀性也差。所以客户在使用巴氏合金的时候，通常选用锡基合金。 其常用的牌号有ZChSnSb116、ZChSnSb84、ZChSnSb88等。 尽管铅基合金的性能没有锡基合金好，但是有许多轴承仍然选择使用，因为它使用起来比较经济， 其常用的牌号有ZChPbSb16162、ZChPbSb1161等。,2 轴瓦合金的浇铸方法 2.1 巴氏合金 汽轮发电机常用的巴氏合金的化学成分见下表。,2 轴瓦合金的浇铸方法 2.2巴氏合金的浇铸方法 巴氏合金广泛应用于电机行业的轴瓦生产，通常有两种浇铸方法： 1) 重力浇铸 2) 离心浇铸 优缺点比较： 重力浇铸巴氏合金设备简单，易操作，缺点是易出现很多缺陷，现场修复均使用该方法； 离心铸造能从根本上解决巴氏合金中的气孔、夹渣等缺陷，结合质量也有很大得高，因而在国内外都得到了广泛的应用。美国、日本等许多国外公司在订购电机时都明确提出轴瓦必须离心铸造巴氏合金的技术要求。 汽轮发电机轴瓦的巴氏合金的离心铸造已经成为发展的必然趋势。 我国主流轴瓦制造厂均采用了离心浇铸法。,1.在役汽轮发电机合金轴损毁情况,近年一些电厂发生过汽轮发电机组因合金轴瓦巴士合金脱落而造成的烧瓦事故时有发生。 如裕东电厂#1机组、大同二电厂5号机组、彭城电厂#1机组、青岛#2，沙岭子电厂300MW珠江电厂300MW三门峡华阳发电有限责任公司、望亭电厂，贾汪等电厂）汽轮机轴瓦均发生过烧瓦的事故。 玉环电厂1 000 MW超超临界机组运行不满2年即发生汽轮机1号轴瓦下瓦合金层剥落失效而被迫停机。 某核电机组巴氏合金轴瓦表面多次发生粘结和开裂分析。结果表明,在巴氏合金层中存在着组织分层,化合物相呈区域性偏析和聚集,轴瓦结合面附近存在大量疏松、孔洞等浇注工艺不当所形成的铸造缺陷;加之结合面附近背底金属中氢含量较高,轴瓦长期在一定温度和应力下工作,氢的不断扩散和聚集最终在巴氏合金表面形成氢鼓泡。,三、轴瓦合金的超声波检测方法,上述缺陷的存在,使轴瓦在运行过程中易造成应力集中导致裂纹的萌生和扩展。最终造成局部润滑条件恶化而导致粘结和开裂失效。 2.我国电力系统轴瓦传统探伤现状 2.1系统内无有效的超声波检测方法，传统一般采用以轴瓦衬背材料为基准参考判伤。 缺点1：壁厚差大合金层处于超声波盲区，无法准确定量 2.2采用渗透探伤 缺点2：仅能检测轴瓦与巴士合金的边缘有无开口缝隙 2.3无标准依据参照。无有效的轴瓦超声波探伤工艺方法。 2.4无专用定量试块，无专用探头 随着超超临界高参数大容量汽轮发电机组的出现，对轴瓦的安全稳定运行提出了更高的要求。因此如何有效检测合金轴瓦合金脱壳，做到防患未然至关重要。,3.新标准超声波探伤的主要技术特点： 巴士合金与钢瓦衬背体之间是两种金属的粘合，其结合面相当于异质界面，需要检测其复合界面的结合质量，传统检测均以采用合金界面反射声压与钢背衬底面反射声压声压差波高判断粘合范围见图1。 轴瓦钢衬背外壁厚度不等，底面光洁度粗糙，内部晶粒度差异以及衬背，缺陷等对声波的干扰，因此无法有效检测。,3.1. 创新点1：工艺方法： 采用合金与钢衬背结合良好与结合不良的参考试块做对比，检测区域聚交在异质界面的粘合区，避开钢衬背底波干扰,图2采用超超临界机组轴瓦连续离心浇注工艺使而每个厚度界面对称布置面积各为45mm40mm结合良好与结合不良两部分，侧为结合良好区域，侧为结合不良区域，用于确定检测灵敏度和结合程度的波形对比。,。,3.2. 创新点2：研制轴瓦探伤系列专用直探头