高压涡轮偏心环精度修复*

杨 嵩，史昊天，徐保平

(1.北华航天工业学院工业技术中心，河北 廊坊 065000；2.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222；3.国家管网压缩机组维检修中心，河北 廊坊 065000)

0 引言

燃气轮机广泛用于石油天然气的输油输气管道上，是石油天然气输油输气过程中的增压动力装置。在燃气轮机维修检查中发现，每台高压涡轮偏心环在正常运行上万小时以上可能会发生径向尺寸不同程度的缩小现象(简称微缩)，导致与之有着过盈配合关系的高压涡轮外中内三层蜂窝封严零件配合失效，影响到高压涡轮正常工作性能。目前还没发现径向尺寸有微小膨胀的情况。

针对镍基高温合金出现微缩问题，李梦飞等[1]对Nimonic 80A镍基高温合金静态再结晶行为进行研究，应变温度、应变速率和预应变有着显著影响，且Nimonic 80A静态软化分数随着变形温度、应变速率和预应变的增大而增大，静态再结晶晶粒尺寸随着温度的升高或应变速率的减低而增大。陈杏芳等[2]分析了Nimonic 80A热变形过程中随变形温度和变形量的变化组织的演变规律，从而对锻造工艺进行优化。柏宇[3]对Nimonic 80A合金性能的影响因素进行了研究解决实制过程的具体问题。张奇等[4]对GH4169进行了不同温度的固溶+时效处理的金相组织分析，确定改善GH4169钎焊后性能的最优工艺参数。魏先平等[5]研究了4种热处理方式对GH4169合金组织和力学性能的影响，得到δ相数量和形态决定材料韧塑性和γ′、γ′′相析出量和尺寸与晶粒尺寸决定材料强度的结论。在Ni-Cr高温合金中添加B可起到提高材料韧性的作用[6]。王信才[7]利用二次固溶热处理对GH4169合金板材组织和室温性能对比分析，发现重新固溶水冷态比空冷态晶粒细小，强度高；室温拉伸强度与晶粒大小有关，当晶粒细小时强度较高，反之则强度降低。邰清安等[8]研究不同热处理对GH2132合金组织和性能影响，时效温度升高合金相γ′尺寸和数量增加就提高材料的抗拉轻度和屈服强度。韦康等[9]对一种新型镍基高温合金采用3种时效制度后研究其组织、性能及长期组织稳定性。

上述学者的研究成果均从微观的金相组织进行研究，揭示了热处理方法对材料组织和性能的影响，而高压涡轮偏心环工作温度700 ℃～850 ℃正处于材料Nimonic 80A时效处理的温度范围，这为偏心环为什么会发生微缩找到源头原因。在此基础上本文主要研究高压涡轮偏心环精度修复技术，主要是从整体宏观视角出发，针对径向微缩问题展开精度修复技术的工程实践探索。精度修复技术可缩短维修周期，为企业节约维修成本，具有重要的经济价值和现实意义。

1 高压涡轮偏心环安装结构与功能

如图1所示高压涡轮偏心环安装位置结构图，高压涡轮偏心环与高压涡轮外空气封严(简称外封严)、高压涡轮中心空气封严(简称中封严)和高压涡轮内空气封严(简称内封严)组成了蜂窝气封四组件，外封严、中封严和内封严分别与高压涡轮盘篦齿组成封严配合来密封。高压涡轮偏心环安装在外封严和中封严之间，将外封严与中封严连接起来，其外径与外封严内径配合，其内径与中封严外径配合，所以说高压涡轮偏心环配合尺寸精度影响到蜂窝封严的密封效果，其配合尺寸是否合格，直接决定着其它三个蜂窝封严件是否可用。高压涡轮偏心环是燃气轮机上高压涡轮部位密封组件之一，主要功能是保证燃气轮机由垂直装配状态变为水平正常工作状态后，涡轮静子部件与转子部件同轴度。

图1 高压涡轮偏心环安装位置结构图

2 力学性能分析和金相组织机理研究

高压涡轮偏心环材质为Nimonic 80A，属于英国Nimonic高温合金系列[10]，典型的Al、Ti元素强化镍基高温合金，密度8.19 g/cm3，熔点1320 ℃～1365 ℃，主要化学成分如表1所示。

表1 Nimonic 80A化学成分 (%)

Nimonic 80A高温下具备优良的强度、耐腐蚀性、抗蠕变性和抗氧化性[11]。主要析出相为γ′相(主要包括但不局限于为Ni3Al、Ni3Ti等)，基体为γ固溶体。高压涡轮偏心环长期工作的温度为800 ℃，正处于该高温合金的时效热处理区间内，会造成γ′相的不断析出和长大，γ′相的总体积所占的合金体积分数会随服役时间的延长不断出现先快后慢的非线性关系增加。γ′相与γ基体晶体类型均为面心立方结构，单个晶胞内含有的原子个数相同。晶格常数是指在合金元素种类及含量对晶胞小立方体的尺寸影响最小时，晶胞小立方体的边长值。在无应力作用时，γ′相的晶格常数约为a=0.355 08 nm，γ基体的晶格常数约为a=0.356 78 nm，γ基体的晶格常数大于γ′相的晶格常数，意味着含有相同数目的金属原子时，γ′相的体积会小于γ基体，因此在高压涡轮偏心环在长期工作后，由于γ′相的增加，会造成尺寸的微弱变小，轴向尺寸很小，径向尺寸相对比较大，所以尺寸微缩在径向比轴向凸显。

Nimonic 80A的典型固溶温度为1080 ℃，将热处理温度调整为1110 ℃～1130 ℃，在此温度下保持10 min或以上时间，高压涡轮偏心环长期服役中析出的大部分γ′相会再次溶解到γ基体中，固溶后使高压涡轮偏心环的尺寸得到恢复。随后的时效处理中热处理温度750 ℃，保温4 h会析出一部分γ′相，但时间短，温度低，不足以再次造成壳体尺寸的明显缩小。固溶+时效后晶界上的碳化物M7C3继续转变为晶界碳化物M23C6，所以在晶界上沉淀出较为少量的连续M23C6。M23C6在晶界可起到阻碍晶界滑移、提高合金强度和降低晶界结合强度、引起冲击吸收能量和塑性降低的双重作用[12-13]，但仅有少量晶界析出个别M23C6型碳化物，因此，时效强度的提升还主要由晶内γ′相决定，随着晶内γ′相长大成球形质点，晶粒细化力学性能基本恢复。

3 固溶+时效的修复试验

高压涡轮偏心环固溶+时效热处理加热设备采用了型号为HZHH-1265的真空高温钎焊炉，尺寸精度检测设备：型号INSPECTOR1015.08，行程参数1000 mm×1500 mm×800 mm，MPEE：2.7+3.3L/1000的三坐标测量机。

经查航空材料手册，Nimonic 80A镍基高温合金英国牌号与国产镍基高温牌号GH80A相近。经查GH80A热处理工艺：固溶温度为1080±10 ℃，保温时间为10 min，时效温度为750±5 ℃，保温时间为4 h。经查RR(罗罗)手册Nimonic 80A热处理工艺：固溶温度为1120±10 ℃，保温时间为10 min，时效温度为750±5 ℃，保温时间为4 h，两者热处理工艺基本相同。经过750 ℃时效处理后，Nimonic 617的强度和塑性匹配良好，冲击韧性高，故将750 ℃定为改进型Nimonic 617的时效处理温度[14]。张立红研究GH80A合金相析出规律，获得GH80A最理想热处理工艺为1080 ℃×8 h空冷(或水冷)+700 ℃×16 h空冷，或1080 ℃×8 h空冷(或水冷)+850 ℃×24 h空冷+700 ℃×16 h空冷[15]。

最终高压涡轮偏心环实验中采用的的热处理工艺：固溶温度为1100±10 ℃，保温时间为10 min，时效温度为750±5 ℃，保温时间为4 h。

固溶+时效后主要是对高压涡轮偏心环有配合要求的径向尺寸进行精度检测，如图2高压涡轮偏心环尺寸检查位置示意图所示，就是对内径E9(与外封严外径配合)和外径O4(与中封严内径配合)进行尺寸精度检测。

图2 高压涡轮偏心环尺寸检查位置示意图

首先对库房中高压涡轮偏心环停用件和新购件进行尺寸精度测量比对，意在掌握新购件和停用件在修复处理前后的尺寸变化。实际实验中把2件新购件和7件停用件做为研究对象，新构件仅进行了尺寸精度检测，停用件精度超差的则要经过固溶+时效的修复处理，对修复前后每件尺寸精度进行检测，具体的检测数值如表2高压涡轮偏心环修复精度数据表所示。

4 结果分析

从图3高压涡轮偏心环工作时长与微缩量关系图可知，在被试的9件高压涡轮偏心环中有5件在径向尺寸上发生了微缩现象，这5件高压涡轮偏心环的使用记录显示工作时长均超过2.5×104h，其余4件工作时长不足2.5×104h则没有发生微缩现象。表明Nimonic 80A镍基高温合金材质的高压涡轮偏心环在工作时长达到2.5×104h可能会发生径向尺寸微缩现象。由Nimonic 80A金相组织机理可知，合金基体初态由γ相构成，服役过程不断析出γ′相，γ′相的晶格常数略小于γ相，随着高压涡轮偏心环服役时间持续加长，γ′相不断析出增加，服役时长超过2.5×104h以上，析出的γ′相达到一定的数量，足以引起高压涡轮偏心环外形尺寸发生微变，通过三坐标能检测到这种尺寸微变导致的尺寸精度超差。

从图3高压涡轮偏心环工作时长与微缩量关系图可知，微缩量的大小与工作时间长短成非线性关系。由Nimonic 80A金相组织机理可知，高压涡轮偏心环工作温度800 ℃正值该高温合金的时效温度区间造成γ′相的析出和长大，γ′相总体积占合金总体积比例会随服役时长不断出现先快后慢的非线性关系增加，这就合理地解释了微缩量的大小与服役时长成非线性关系。

从图3高压涡轮偏心环工作时长与微缩量关系图可知，偏心环发生微缩现象后内径尺寸(E9)一般比外径尺寸(O4)变形量大，但两者发生微缩的方向和趋势基本相同。由Nimonic 80A金相组织机理可知，随着服役过程不断析出γ′相，会造成高压涡轮偏心环在长期工作后，外形尺寸会微量缩小。由于高压涡轮偏心环属于长径比极小的盘类零件，径向尺寸微缩肯定要比轴向尺寸微缩凸显，内径微缩量要大于外径，微缩方向和微缩趋势基本相同。

表2 高压涡轮偏心环修复精度数据表 (时间单位：h，尺寸单位：mm)

图3 高压涡轮偏心环工作时长与微缩量关系图

从图4高压涡轮偏心环固溶+时效后修复值与超差值关系图可知，偏心环在发生微缩现象后，采用固溶+时效的修复技术可使偏心环内径(E9)和外径(O4)的修复值与超差值方向相反。由Nimonic 80A金相组织机理可知，在固溶热处理过程中高压涡轮偏心环长期服役析出的大部分γ′相会再次溶解到γ基体中，固溶后使高温涡轮偏心环尺寸得到一定的恢复。具体的试验数据表明：偏心环内径和外径共10个超差数据修复后有9个进入标准范围，仅有一个内径尺寸检测超0.01 mm不合格，验证了高压涡轮偏心环固溶+时效修复技术解决径向尺寸微缩问题的可行性和有效性。

图4 高压涡轮偏心环固溶+时效后修复值与超差值关系图

需要特别说明，由于实验成本高，周期长等实现原因造成试验样本数量偏小仅五件，在小样本基础上采集的试验数据其普遍性和代表性可能存在一定的质疑，所以仅获得一些初步结论，也存在一定的局限性。对高压涡轮偏心环尺寸微缩超差值和修复值之间的关系也没能给出结果，今后会继续积累相关数据做进一步的分析研究。

5 结论

Nimonic 80A镍基高温合金的高压涡轮偏心环是燃气轮机上高压密封件之一，工作时长超过2.5×104h时易发生微缩现象，微缩量大小与工作时长呈非线性关系，内径微缩量比外径大，内外径两者微缩方向和趋势基本相同。恢复高压涡轮偏心环尺寸精度采用的修复技术为：固溶温度1100±10 ℃，保温时间10 min，时效温度750±5 ℃，保温时间4 h的固溶+时效热处理工艺。固溶+时效的修复技术可恢复尺寸精度解决了高压涡轮偏心环的微缩问题，是一种有效可行的维修措施，在燃气轮机的实际维修中得到实践检验和工程应用。