轴流压缩机转子高速动平衡异常检测及 激光再制造修复

易涛，周武军，邹新长，吴恬，陶家友

(1.中国石化荆门分公司设备工程部，湖北 荆门 448000；2.岳阳大陆激光技术有限公司，湖南 岳阳 414000； 3.中国石化茂名分公司炼油分部机动工程室，广东 茂名 525011； 4.湖南理工学院，信息光子学与空气光通信重点实验室，湖南 岳阳 414006)

0 引言

2021 年中石化某分公司的催化装置停工大修，按计划对轴流压缩机转子进行检测。将转子动叶片和锁紧组件进行拆卸，并逐级逐片进行探伤检查。动叶片组装完成后，转子分别在二家不同厂家进行检测，均无法正常完成高速动平衡检测。通过检测分析，发现转子止推侧联轴器配合轴颈存在较大面积的拉伤缺陷，导致无法正常完成高速动平衡检测。损伤部位经过激光再制造修复后，轴流压缩机转子顺利完成高速动平衡检测，修复效果良好。

1 轴流压缩机转子结构

如图1 所示。该转子由主轴、动叶片、锁紧组件、气封片、联轴器等组成，主轴结构特殊，轴向尺寸长，质量大(4 575 kg)，特别是止推侧联轴器到该侧的支撑轴颈距离长。

图1 轴流压缩机转子的结构简图

2 故障检测分析

对转子进行初步检查，主要对气封、轴颈、推力盘等检查，并进行记录、统计。转子轴颈尺寸检查，分别在前后轴颈处，选择2 个测量点，在每个测量点用外径千分尺分别在0°和90°方向测量轴颈直径，并进行记录、统计。

在每级动叶片的首叶片位置做出明显标识，将每级首叶片锁紧块及锁紧组件取出，按级进行清洗、清理，统计数量、尺寸测绘，对损伤的组件进行新件制作。拆下的动叶片和隔块，逐级做好顺序标识，进行转子各部位机械跳动检测。

转子和动叶片全部进行无损探伤检测，经洁净处理后，进行表面着色探伤检测，未发现有明显缺陷，动叶片无需进行更换处理。将转子动叶片装配[1]，原拆卸下的锁紧组件进行修复和新件制作，动叶片按照原始位置依次将叶片安装到榫槽中，更换弹簧，装配后逐个检测叶片之间的间隙。复核叶片顶尺寸使之符合装配间隙要求，转子剩磁检测合格。

对转子进行高速动平衡校验，按照动平衡精度1.0 mm/s 进行检测，转速达到工作转速5 875 r/min。在检测过程中转子二端均带有联轴器，平衡机采用万向节连接在非止推侧联轴器上，可倾瓦支撑方式，瓦间隙在0.2 mm 之内，转子旋转方向为工作旋转方向。在第一次平衡检测过程中，当转速小于5 225 r/min 时，振动数据平稳正常；但当转速临近5 225 r/min 时，非止推侧端正常，止推侧端出现失衡呈陡坡上升现象。针对此异常情况，经过多次调整，止推侧端仍出现失衡呈陡坡上升现象。逐一对每级动叶片进行敲击和对锁紧组件进行检测，未发现动叶片组装异常，再次进行高速平衡检测，检测结果未发生变化，止推侧端同样在5 200 r/min 区域出现失衡呈陡坡上升现象。为进一步探究高速动平衡检测异常的原因，对止推侧端9 级叶片进行逐级叶片静叶测频检测[2-3]，发现第5 级的频率分散度超过23%，重新对第5 级动叶片进行紧固后再次检测静叶频率，分散度<10%内。进行高速动平衡检测，检测结果跟前几次结果相同。同样在5 200 r/min时，在止推侧端出现失衡呈陡坡上升现象。经共同探讨和频谱分析[4]，动叶片的装配状况对动平衡没有太大的影响，重点对转子本身进行检查，特别是止推侧的支撑轴颈的内在质量，质量的好坏会影响动平衡。

转子返回维修单位车间后，使用单位根据转子在高速动平衡检测过程中出现的问题，要求维修单位对转子所有动叶片进行再次拆卸检查。重新对转子进行洁净处理，进行尺寸核对，同时对转子整体再次进行表面着色探伤检测和对止推侧的支撑轴颈进行超声波探伤检测[5]，均未发现超标缺陷。对转子的各部位机械跳动检测和高速动平衡检测，检测结果与前期检测的数据没有太大的差异。转子全部动叶片解体、检测后再次运输动平衡厂家，对拆卸动叶片后的转子主轴进行高速动平衡检测[6]，在平衡参数未变状况下，检测结果与前次检测无大的差异。

针对再次出现的检测结果，使用单位、维修单位和动平衡厂家共同讨论与分析，转子的支撑方式为可倾瓦，与实际工作状态的椭圆瓦有差异，再能否连接在止推侧端进行平衡检测，改可倾瓦为椭圆瓦支撑方式进行平衡检测，因动平衡厂家无现成的椭圆瓦和连接工装，连接工装需要4 天以上的时间，支撑瓦制造新的要2 个星期的时间，因工期紧未再进行平衡检测。

高速动平衡检测暂停，使用单位与维修单位在这期间全力寻找资源，对该压缩机转子高速动平衡出现的问题进行分析论证[7]，最终形成一致的方案。转子运输维修单位车间后，重点对该转子自身特别是止推侧端联轴器上查找问题的原因。同时再寻找另一家高速动平衡厂家进行检测复检。

经联系，到第二家具有高速动平衡检测能力的厂家南京汽轮机厂，该厂使用的高速动平衡机是早期德国申克公司生产的，型号为DH50,可承重重量为30 t。检测目的为验证转子在未装动叶片下，转子进行高速动平衡检测是否出现同样的现象。该平衡机采用椭圆瓦的支撑方式，瓦与轴的间隙在0.2 mm 左右，动平衡机采用万向节连接非止推侧轴头，经检测，止推侧端同样在5 200 r/min 区间出现振动失衡，设备保护跳机，无法完成高速动平衡检测。针对连接方式，连接非止推侧端轴头，进行再次动平衡检测，结果未发生变化。

相同的转子在不同的二台高速动平衡机上进行高速动平衡检测，同在转子的止推侧端出现同样的振动失衡现象，因此说明问题矛盾集中在止推侧联轴器上。该转子从动平衡厂家运输回到维修单位车间，经使用单位和维修单位双方技术分析和讨论，决定对该部位的联轴器进行拆解检查，轴流压缩机转子的平衡问题进行验证。

验证具体过程如下：拆卸止推侧联轴器，检查联轴器和相配合的轴颈。拆卸前，对联轴器的轴向尺寸记录下数据，径向方向做好标记。经解体检查后，发现轴颈配合面的2 个面均有不同程度的拉伤，轴颈与联轴器配合的过盈量达0.18 mm。对轴颈和联轴器分别进行表面着色探伤检测，均未发现无超标缺陷。

转子联轴器拆卸后发现轴颈出现的拉伤情况后，使用单位和维修单位双方进行技术分析和讨论，对转子不带联轴器的状态下进行验证，重新送到南汽再次进行高速动平衡检测，判断是否是因联轴器的原因造成无法完成平衡检测。转子采用万向节方式连接非止推侧端的轴头上，经过检测，高速动平衡顺利地完成检测达到要求，动平衡检测合格。

转子不带联轴器高速动平衡检测能顺利完成后进行原因分析，基本上可以判定问题出现在联轴器上[8]：

(1)对轴颈和联轴器内孔尺寸检测，从检测数据上看，装配的过盈量0.16～0.18 mm，满足要求；

(2)轴颈上出现较大面积的拉伤状态，会影响到联轴器与轴颈的配合接触面的紧力，导致带联轴器高速动平衡检测无法通过。

3 激光再制造修复

将损伤的轴颈和联轴器采用激光熔覆再制造的方式进行恢复，恢复原有的形位公差和尺寸要求[9]。

对压缩机转子轴颈进行了材料成分检测。该材料为20 世纪80 年代开发成功的汽轮机转子用钢，其综合机械力学性能和焊性均较良好[10]。轴颈表面硬度检测HRC32-35，硬度适中。

选用马氏体不锈钢系列合金粉末材料，设备使用沈阳大陆集团公司生产的DL-HL-T5000 型CO2激光器进行激光熔覆，该激光熔覆加工设备主要包括数控加工机床、激光发生器、导光聚焦系统、辅助配套系统等。工艺参数：功率2.5～3.6 kW，扫描速度8～12 mm/s，离焦量320 mm，送粉速度3～6 g/s，光斑直径3.2 mm。

转子轴颈激光熔覆完成后上机床加工，找正部位的跳动值数值要求均<0.02 mm 以内，成型尺寸按125.17～125.19 mm 加工，表面粗造度Ra 0.8 μm，圆度、圆柱度、同心度≤0.015 mm。

转子轴颈和联轴器修复完成后，进行表面着色探伤检测，确保无缺陷后进行装配。轴颈修复后轴径尺寸：Φ125.18 mm，修复后联轴器尺寸：Φ125.0 mm，修复后表面硬度值：HRC50-52。联轴器用油加热的方式，将内孔尺寸扩大至Φ125.40 mm 以上，按照原有的径向标记将联轴器安装到轴颈上，一次性安装到位，中间杜绝卡阻，自然缓冷。

将联轴器组装到转子轴颈后，不装动叶片的情况下，再进行一次高速动平衡检测，参数不变，平衡检测合格。转子主轴带联轴器完成高速动平衡检测后，转子从南汽运输至维修单位车间，将所有的动叶片、锁紧组件按原有的顺序逐级装配到转子上，最终到南汽进行最终高速动平衡检测。按照原有的平衡参数执行，高速动平衡顺利完成检测，检测结果合格。

4 故障原因分析及改进措施

轴流压缩机转子止推侧联轴器远离支撑轴颈，由于转子转速超过了其一阶或二阶临界转速，因此转子的变形量不能再被忽略，易产生挠性变形。在进行发生挠性形变的转子动平衡检验时不仅需要对系统的力和力偶进行平衡，由于转子的挠曲变形会引发转子系统的平衡力和平衡力偶的变化，因此还必须考虑由转子空间挠曲变形所引起的不平衡响应。本研究中由于转子的挠性形变，使高速转动中轴与轴颈的接触力非均匀性大幅增加，导致转子轴颈受力大的接触面发生较严重的磨损，损伤面积总共约7 331 mm2，占整个轴颈的面积51 200 mm2的14.3%。转子轴颈磨损后，其与转轴的接触力严重偏离了设计要求，致使转子高速动平衡检测无法通过。经采用激光再制造技术修复后，转子顺利通过了高速动平衡测试。

此外，在探明轴流压缩机转子高速动平衡测试异常的主要原因后，将止推侧联轴器通过刚性连接在烟气轮机上，转子止推侧联轴器高速旋转中产生的挠性变形通过烟气轮机的刚性联轴器拉住，这一解决方案阻止轴流压缩机转子止推侧联轴器的变形，不影响高速动平衡的测试。

5 结语

同一轴流压缩机转子分别在二台不同型号的高速动平衡机上检测，检测结果相同；转子在高速动平衡检测时，需要对影响高速动平衡的因素进行综合对比分析，包括支撑方式、万向节的连接方式和连接部位、动叶片的分散度等方面；在修复过程中，修复件的原来是否处理过需要及时明晰，避免增加项目的工期和成本。通过此次压缩机转子高速动平衡检测的过程、原因分析判断和激光再制造修复，为同行业类似问题解决提供有益的借鉴。