Хочу поделиться одним интересным, на мой взгляд, случаем из нашей ремонтной практики, поясняющим тезис, вынесенный в заголовок. Осенью 2021 года на Пермской ТЭЦ-14 при пуске турбины Р-50-130 ЛМЗ после ремонта при наборе оборотов в диапазоне с 1600 до 2000 мин.-1 начала расти вибрация 1-го и 2-го подшипника, она быстро достигла запредельных значений и сопровождалась задеваниями по концевым уплотнениям. Турбину остановили. После вскрытия цилиндра и индицирования ротора в собственных подшипниках было зафиксировано остаточное радиальное биение ротора порядка 0,2 мм. Допуск радиального биения согласно «Техническим условиям на капитальный ремонт турбины Р-50-130» составляет 0,15 мм. Ротор в срочном порядке был доставлен на нашу базу для проведения правки.
Надо сказать, что стандартные формуляры замера радиальных биений, используемые на капитальных ремонтах, содержат, ка правило, 5-7 контрольных сечений. Чего явно недостаточно для целей исправления прогиба, поэтому каждый ротор проходит у нас входной контроль биений на роликах балансировочного станка. Количество контрольных сечений зависит от конструкции ротора и конкретной кривой прогиба, в данном случае было 18 замеров по длине ротора. Результаты замеров удивили. Если не брать во внимание биение конца массивной насадной полумуфты, то биения укладывались в пределы 0,1 мм, то есть – в допуске с полуторным запасом!
На самом деле удивительного здесь ничего нет, достаточно часто замеры биений ротора, выполненные в цилиндре, имеют существенную погрешность. Связано это либо с не до конца остывшей нижней половиной цилиндра, либо с пропариванием трубопроводов. И то и другое приводит к разнице температур верх-низ у ротора, а соответственно к его температурному прогибу. Даже на балансировочном станке мы предварительно крутим ротор какое-то время для стабилизации температурных прогибов перед индицированием или балансировкой. Понятно, что крутить ротор в собственных подшипниках при вскрытом цилиндре без подачи масла и ВПУ проблематично.
Итак, ротор прямой, необходимость в правке отпадает, а срок пуска турбины как всегда это бывает –«вчера». Надо бы признать ошибку замеров и везти ротор обратно. Но есть одно маленькое обстоятельство – факт задеваний в концевых уплотнениях имел место быть. А значит есть риск получения ротором внутренних (остаточных) напряжений в результате местного нагрева. Здесь необходимо сказать несколько слов про это коварное явление. И первое, что следовало бы сказать, это то, что явление это неочевидное, другими словами – их не видно.
Внутренние напряжения имеют свойство суммироваться с учётом знака (плюс-минус, сжатие - растяжение) с эксплуатационными напряжениями. Бывает, что при сложении суммарные напряжения уменьшаются. Это положительное свойство используется в технологии поверхностного упрочнения и ещё в ряде случаев. Но в ситуации задеваний на поверхности ротора всегда образуются растягивающие напряжения, ухудшающие усталостную прочность. Другим негативным фактором будут создаваемые внутренними напряжениями изгибающие моменты от внутренних сил. Дальше по закону Гука: есть приложенная сила (момент), будет пропорциональная ей деформация (стрела прогиба, радиус кривизны). Каждой конфигурации эпюр внутренних напряжений в сечениях и каждому расположению этих напряжённых сечений по длине вала, будет соответствовать своя геометрия оси вала. Из этого следует, что не всегда «прямизна» вала говорит об отсутствии внутренних напряжений, они могут взаимно уравновешивать друг друга. На этом основаны старые методы правки: тепловым ударом (пятном нагрева), чеканкой и т.п.
Но само их наличие, даже взаимоуравновешенных, не есть хорошо. Потому как второе коварное свойство внутренних напряжений - они релаксируют с течением времени. Причём с неодинаковой скоростью, соответственно меняется геометрия оси ротора. Скорость релаксации зависит от множества факторов, наиболее важный из них - температура среды, чем она выше, тем выше скорость релаксации.
Пример. Ротор получил при пуске турбины множественные задевания в промежуточных и концевых уплотнениях сопровождаемые ростом вибрации. Турбину остановили, цилиндр вскрыли, биения ротора незначительно превышают допуск. Допустим, причина аварии известна и устранена. Надо устранить последствия, сроки жёсткие, зима не за горами. Принято решение отбалансировать ротор и пускать турбину (биения выше нормы, но уплотнения всё равно уже разбиты). Пуск прошёл без нареканий. Что имеем через некоторое время. Остаточные напряжения в районе регулирующей ступени под воздействием температуры 540°С релаксировали быстрее, чем в районе последних ступеней, где температура пара значительно ниже. Геометрия немного изменилась, вибросостояние на рабочих оборотах ещё вполне удовлетворительное, а вот на критике гораздо хуже. До лета дотянули. Ремонт со вскрытием, прогиб даже уменьшился, ротор повторно отбалансировали на станке в соответствии с новой кривой прогиба. Заодно заменили уплотнения. В течение следующего года релаксировали напряжения в районе низких температур у последних ступеней, геометрию опять повело, вибросостояние ухудшилось, повторные задевания в уплотнениях (рано заменили), новые напряжения. И так по кругу. Пример гипотетический, не обязательно события будут развиваться столь пессимистично, но разница температур по длине ротора может привести к различной скорости релаксации внутренних напряжений и соответственно постоянному изменению геометрии и разбалансированности ротора. А уж последствия – как повезёт.
Но, как говорится: нет худа без добра. То, что нам мешает, сможет нам помочь. Если ротор имеющий невидимые, неизвестно как распределённые по длине и по поперечному сечению внутренние напряжения поместить в печь на длину от ПКУ до ЗКУ включительно, нагреть его до температуры высокого отпуска (а это существенно выше, чем температура в турбине), то кроме прочих положительных воздействий на металл ротора, получим релаксацию напряжений. Релаксируют они до таких значений, которые уже гарантировано не будут меняться при работе в турбине. Ротор будет стабильным в эксплуатации. Операция эта так и называется – термостабилизация. Сама термостабилизация в печи протекает за считанные часы, правда с сопутствующими операциями: сборка печи, нагрев, остывание – около недели, зависит от размеров ротора. Кстати, при правке мы термостабилизацию обязательно проводим, двукратно – до и после.
Но вернёмся к нашему ротору Р-50. Несмотря на отпавшую необходимость в правке, но учитывая факт задеваний по уплотнениям, мы рекомендовали всё же провести термостабилизацию с последующим тепловым испытанием (тепловой пробой), контролем осевого канала и металла ротора, балансировкой на станке. Наши рекомендации были приняты. При нагреве в печи биения ротора в контрольных точках начали меняться как по фазе, так и по величинам. После 10-ти часовой выдержки на температуре 650°С, они стабилизировались и до полного остывания уже не менялись. При контроле биений на роликах балансировочного станка максимальное значение составило 0,11 мм, а было в этом месте (район 6-7 ступени, примерно середина ротора) 0,04 мм и фаза изменилась на 60°. В районе ПКУ-1 перед регулирующей ступенью фаза изменилась на 90°. На первый взгляд изменения небольшие: ротор как был прямой, так и остался прямым, ну то есть в допуске. Но любой балансировщик скажет, что изменение эксцентриситета пусть не всего, а лишь участка ротора на «одну десятку», серьёзно меняет картину по корректирующим массам.
А что показала балансировка на станке? Конечно, для строгости эксперимента следовало бы провести контрольную балансировку ротора перед установкой в печь. Но, увы, в аварийных условиях увеличение сроков ремонта для удовлетворения любопытства – роскошь непозволительная. Итак, на роторе в штатных плоскостях стояли грузы: на регулирующей ступени 700 гр., на 17-ой ступени 1800 гр. (заполненный сектор около 130°)! После балансировки временными грузами (свинцом) на снятие просилось порядка: 200 гр. на рег. ступени и 900 гр. на 17-ой ступени. Для 10-тонного ротора снять больше 1 кг грузов очень неплохо. Реально мы сняли ещё больше, но это уже другая, не менее интересная, история. Как-нибудь, при наличии свободного времени, поделюсь.
Турбину после ремонта ротора пустили без балансировки, вибрация не превышает 2,5 мм/с.
Шилехин Евгений гл. инженер
Надо сказать, что стандартные формуляры замера радиальных биений, используемые на капитальных ремонтах, содержат, ка правило, 5-7 контрольных сечений. Чего явно недостаточно для целей исправления прогиба, поэтому каждый ротор проходит у нас входной контроль биений на роликах балансировочного станка. Количество контрольных сечений зависит от конструкции ротора и конкретной кривой прогиба, в данном случае было 18 замеров по длине ротора. Результаты замеров удивили. Если не брать во внимание биение конца массивной насадной полумуфты, то биения укладывались в пределы 0,1 мм, то есть – в допуске с полуторным запасом!
На самом деле удивительного здесь ничего нет, достаточно часто замеры биений ротора, выполненные в цилиндре, имеют существенную погрешность. Связано это либо с не до конца остывшей нижней половиной цилиндра, либо с пропариванием трубопроводов. И то и другое приводит к разнице температур верх-низ у ротора, а соответственно к его температурному прогибу. Даже на балансировочном станке мы предварительно крутим ротор какое-то время для стабилизации температурных прогибов перед индицированием или балансировкой. Понятно, что крутить ротор в собственных подшипниках при вскрытом цилиндре без подачи масла и ВПУ проблематично.
Итак, ротор прямой, необходимость в правке отпадает, а срок пуска турбины как всегда это бывает –«вчера». Надо бы признать ошибку замеров и везти ротор обратно. Но есть одно маленькое обстоятельство – факт задеваний в концевых уплотнениях имел место быть. А значит есть риск получения ротором внутренних (остаточных) напряжений в результате местного нагрева. Здесь необходимо сказать несколько слов про это коварное явление. И первое, что следовало бы сказать, это то, что явление это неочевидное, другими словами – их не видно.
Внутренние напряжения имеют свойство суммироваться с учётом знака (плюс-минус, сжатие - растяжение) с эксплуатационными напряжениями. Бывает, что при сложении суммарные напряжения уменьшаются. Это положительное свойство используется в технологии поверхностного упрочнения и ещё в ряде случаев. Но в ситуации задеваний на поверхности ротора всегда образуются растягивающие напряжения, ухудшающие усталостную прочность. Другим негативным фактором будут создаваемые внутренними напряжениями изгибающие моменты от внутренних сил. Дальше по закону Гука: есть приложенная сила (момент), будет пропорциональная ей деформация (стрела прогиба, радиус кривизны). Каждой конфигурации эпюр внутренних напряжений в сечениях и каждому расположению этих напряжённых сечений по длине вала, будет соответствовать своя геометрия оси вала. Из этого следует, что не всегда «прямизна» вала говорит об отсутствии внутренних напряжений, они могут взаимно уравновешивать друг друга. На этом основаны старые методы правки: тепловым ударом (пятном нагрева), чеканкой и т.п.
Но само их наличие, даже взаимоуравновешенных, не есть хорошо. Потому как второе коварное свойство внутренних напряжений - они релаксируют с течением времени. Причём с неодинаковой скоростью, соответственно меняется геометрия оси ротора. Скорость релаксации зависит от множества факторов, наиболее важный из них - температура среды, чем она выше, тем выше скорость релаксации.
Пример. Ротор получил при пуске турбины множественные задевания в промежуточных и концевых уплотнениях сопровождаемые ростом вибрации. Турбину остановили, цилиндр вскрыли, биения ротора незначительно превышают допуск. Допустим, причина аварии известна и устранена. Надо устранить последствия, сроки жёсткие, зима не за горами. Принято решение отбалансировать ротор и пускать турбину (биения выше нормы, но уплотнения всё равно уже разбиты). Пуск прошёл без нареканий. Что имеем через некоторое время. Остаточные напряжения в районе регулирующей ступени под воздействием температуры 540°С релаксировали быстрее, чем в районе последних ступеней, где температура пара значительно ниже. Геометрия немного изменилась, вибросостояние на рабочих оборотах ещё вполне удовлетворительное, а вот на критике гораздо хуже. До лета дотянули. Ремонт со вскрытием, прогиб даже уменьшился, ротор повторно отбалансировали на станке в соответствии с новой кривой прогиба. Заодно заменили уплотнения. В течение следующего года релаксировали напряжения в районе низких температур у последних ступеней, геометрию опять повело, вибросостояние ухудшилось, повторные задевания в уплотнениях (рано заменили), новые напряжения. И так по кругу. Пример гипотетический, не обязательно события будут развиваться столь пессимистично, но разница температур по длине ротора может привести к различной скорости релаксации внутренних напряжений и соответственно постоянному изменению геометрии и разбалансированности ротора. А уж последствия – как повезёт.
Но, как говорится: нет худа без добра. То, что нам мешает, сможет нам помочь. Если ротор имеющий невидимые, неизвестно как распределённые по длине и по поперечному сечению внутренние напряжения поместить в печь на длину от ПКУ до ЗКУ включительно, нагреть его до температуры высокого отпуска (а это существенно выше, чем температура в турбине), то кроме прочих положительных воздействий на металл ротора, получим релаксацию напряжений. Релаксируют они до таких значений, которые уже гарантировано не будут меняться при работе в турбине. Ротор будет стабильным в эксплуатации. Операция эта так и называется – термостабилизация. Сама термостабилизация в печи протекает за считанные часы, правда с сопутствующими операциями: сборка печи, нагрев, остывание – около недели, зависит от размеров ротора. Кстати, при правке мы термостабилизацию обязательно проводим, двукратно – до и после.
Но вернёмся к нашему ротору Р-50. Несмотря на отпавшую необходимость в правке, но учитывая факт задеваний по уплотнениям, мы рекомендовали всё же провести термостабилизацию с последующим тепловым испытанием (тепловой пробой), контролем осевого канала и металла ротора, балансировкой на станке. Наши рекомендации были приняты. При нагреве в печи биения ротора в контрольных точках начали меняться как по фазе, так и по величинам. После 10-ти часовой выдержки на температуре 650°С, они стабилизировались и до полного остывания уже не менялись. При контроле биений на роликах балансировочного станка максимальное значение составило 0,11 мм, а было в этом месте (район 6-7 ступени, примерно середина ротора) 0,04 мм и фаза изменилась на 60°. В районе ПКУ-1 перед регулирующей ступенью фаза изменилась на 90°. На первый взгляд изменения небольшие: ротор как был прямой, так и остался прямым, ну то есть в допуске. Но любой балансировщик скажет, что изменение эксцентриситета пусть не всего, а лишь участка ротора на «одну десятку», серьёзно меняет картину по корректирующим массам.
А что показала балансировка на станке? Конечно, для строгости эксперимента следовало бы провести контрольную балансировку ротора перед установкой в печь. Но, увы, в аварийных условиях увеличение сроков ремонта для удовлетворения любопытства – роскошь непозволительная. Итак, на роторе в штатных плоскостях стояли грузы: на регулирующей ступени 700 гр., на 17-ой ступени 1800 гр. (заполненный сектор около 130°)! После балансировки временными грузами (свинцом) на снятие просилось порядка: 200 гр. на рег. ступени и 900 гр. на 17-ой ступени. Для 10-тонного ротора снять больше 1 кг грузов очень неплохо. Реально мы сняли ещё больше, но это уже другая, не менее интересная, история. Как-нибудь, при наличии свободного времени, поделюсь.
Турбину после ремонта ротора пустили без балансировки, вибрация не превышает 2,5 мм/с.
Шилехин Евгений гл. инженер
