CN109593938A - 一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法 - Google Patents

一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，用于对受热温度高于Ac1且低于Ac2的发电机转子进行回火处理。本发明具有以下有益效果：采用本发明的技术方案后，可以快速确定发电机转子异常受热的温度和冷却速度，制定出正确的局部回火工艺，在成功消除灼伤位置马氏体组织的同时，兼顾了已经软化的过回火区，防止回火过程中进一步的过回火带来的强度降低，同时减小对正常基体的热影响，避免了转子齿上引入较大的热应力。

Description

一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法
技术领域
本发明涉及一种对发电机转子齿头进行局部热处理的方法。
背景技术
根据1960年以来国内发电机事故的不完全统计，造成发电机转子灼伤的事故主要分为电气故障(负序电流过大、转子绕组接地故障)和机械故障(机械碰磨)，见表1。从以往的处理来看，对于灼伤的发电机转子均为根据经验进行简单的打磨处理，经渗透检测合格后重新投入使用。
表1发电机转子灼伤案例
发电机运行过程中转子烧损后，受现场技术条件限值和实际生产的需要，根据转子烧损程度不同，仅过热发蓝的一般不做处理直接投入使用，出现局部烧熔的仅做修磨处理。有的事故发生后甚至没有对发电机转子进行检查，带伤运行2000h以后，进行大修时才发现转子有烧黑烧熔。汽轮发电机转子用钢淬透性强，受热温度超过Ac1后，在空气中冷却就会发生淬火，奥氏体化部分将发生马氏体或贝氏体相变，导致该部分强度(硬度)上升，塑韧性下降。如果不进行回火处理，灼伤部位在运行过程中存在产生微裂纹并进一步开裂的风险，造成灾难性后果。
对于受热温度低于Ac1的发电机转子，不用进行回火修复。而受热温度过高，使转子发生过烧甚至熔化的发电机转子，已经没有通过热处理修复的可能与必要。对于受热温度高于Ac1而又没有发生过烧的转子，需要进行回火处理。然而在确定回火工艺时，不仅需要考虑回火温度和时间，还要考虑热处理的范围。回火温度过高或时间过长，会使灼伤边缘的过回火区域强度进一步降低；而回火温度过低或时间过短，又不能降低灼伤中心淬硬区的强度。而局部热处理虽然能消除淬火产生的组织应力，但会引入较大的热应力，如果不经计算随意确定回火区域大小，会降低转子运行的安全裕度。
发明内容
本发明的目的是：提供一种能够对转子进行有效回火处理的方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，用于对受热温度高于Ac1而又没有发生过烧的转子进行回火处理，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对汽轮发电机转子的灼伤表面进行金相检验和硬度测试，确定灼伤范围大小，确定灼伤位置晶粒度和金相组织，并判断有无过烧，若如果发生相变但又没有过烧，则进入步骤2，否则该汽轮发电机转子已经没有通过热处理修复的可能与必要；
步骤2、根据电厂异常运行时间记录，对转轴材料进行相变动力学实验，得到材料的晶粒度与受热温度和时间的关系曲线；
步骤3、根据步骤2得到的关系曲线和步骤1得到的灼伤位置晶粒度，反推得到转子异常受热的温度；
步骤4、制作步骤3所得温度下的连续冷却CCT曲线，并测试步骤3所得温度下的组织硬度；
步骤5、根据步骤1得到的灼伤位置金相组织和步骤4得到的组织硬度，参照步骤4得到的连续冷却CCT曲线确定灼伤位置的冷却速度；
步骤6、根据步骤3得到的温度与持续时间、步骤5得到的冷却速度、步骤4得到的组织硬度，通过实验室小试样制备模拟转子淬硬区和过回火区域的小试样；
步骤7、通过小试样验证汽轮发电机转子各位置异常受热后的力学性能，并在此小试样基础上通过回火试验确定最佳回火温度和最佳回火时间；
步骤8、采用有限元模拟回火过程中的汽轮发电机转子齿头的温度分布，计算时通过改变加热区域的长度和深度，并根据步骤7所得的试验结果评估回火后的力学性能是否满足要求，在力学性能达标的情况下分析其残余应力，保证径向残余热应力最小，且回火不能在转子齿根部引入热应力；
步骤9、调整和验证残余应力的计算结果，完成计算验证后，实施回火，回火采用陶瓷加热器进行，确保回火过程温度精确可控。
优选地，步骤1中，进行金相检验时，若方便安装显微镜，则利用安装显微镜直接观察拍照，若不方便安装显微镜，则采用醋酸纤维纸进行覆膜。
优选地，步骤1中，进行硬度测试时，采用超声硬度计进行。
优选地，步骤4中，通过热膨胀仪制作所述连续冷却CCT曲线。
优选地，步骤7中，进行回火试验时，基准回火时间选择锻件性能热处理回火时间的1/3，试验时间以2～3h为一个间隔，基准回火温度采用锻件原性能热处理回火温度，试验温度以5～10℃为一个间隔。
优选地，步骤7中，进行回火试验时，热处理升温速率不大于220℃/h，降温速率不大于50℃/h。
优选地，步骤8中，采用有限元模拟回火过程中的汽轮发电机转子齿头的温度分布时，忽略考虑灼伤带来的影响，直接计算回火产生的热应力。
优选地，步骤9中，采用X射线衍射法或盲孔法测量汽轮发电机转子齿面若干点，作为推断转子齿内部和齿根部的残余应力计算调整和验证的依据。
优选地，步骤9中，所述陶瓷加热器包括内部轮廓与汽轮发电机转子齿头外部轮廓相匹配的至少一块陶瓷隔块一、陶瓷隔块二及至少一块陶瓷隔块三，陶瓷隔块一、陶瓷隔块二及陶瓷隔块三从测温端开始依次排布，热电偶连接有测温部的一端穿过陶瓷隔块一使得测温部位于陶瓷隔块二的内壁，所述内壁面向所述汽轮发电机转子齿头。
优选地，在所述陶瓷隔块一面向所述汽轮发电机转子齿头的内壁上设有用于穿设所述热电偶的弧形凹槽；在所述陶瓷隔块二面向所述汽轮发电机转子齿头的内壁上设有用于放置所述测温部的矩形凹槽。
本发明具有以下有益效果：采用了以上技术方案后，可以快速确定发电机转子异常受热的温度和冷却速度，制定出正确的局部回火工艺，在成功消除灼伤位置马氏体组织的同时，兼顾了已经软化的过回火区，防止回火过程中进一步的过回火带来的强度降低，同时减小对正常基体的热影响，避免了转子齿上引入较大的热应力。
(1)针对转子材料，即使是短时间异常受热，也能发生明显的晶粒尺寸变化，并能据此确定出灼伤时的受热温度。
(2)通过组织和CCT曲线可以确定灼伤位置的冷却速度。
(3)本发明提出通过实验室制备淬硬区和过回火区的小试样验证灼伤或回火后的性能，而不是在实物的比例模拟件上取样，可以大幅降低试验成本，节约试验时间，并提高试验结果的准确性。
(4)本发明提出必须以超声硬度计测试硬度，既可以减小对转子齿表面的损伤，又可以保证测量的准确性。
(5)本发明提出需要通过有限元计算局部回火产生的热应力并优化回火区域，可以防止局部回火对转子齿正常区域产生较大影响，降低转子运行的安全裕度。
(6)本发明提出有限元计算过程中忽略灼伤过程引入的组织应力和热应力，仅计算回火过程产生的热应力，可以减少大部分工作量，但对应力计算的结果影响却较小。
附图说明
图1为25Cr2Ni4MoV转子锻件余料保温5min下，晶粒度与温度的关系；
图2为25Cr2Ni4MoV转子锻件余料950℃×5min保温后的CCT曲线；
图3为经过回火试验，确定回火工艺为630℃×9h后，各受热区域的屈服强度；
图4为经过回火试验，确定回火工艺为630℃×9h后，各受热区域的抗拉强度；
图5为预加应力下里氏硬度和超声硬度的测试值；
图6为本发明使用的陶瓷加热器的总体结构示意图；
图7为陶瓷隔块一的示意图；
图8为陶瓷隔块二的示意图；
图9为陶瓷隔块三的示意图；
图10为热电偶的示意图；
图11为回火前后硬度对比；
图12为本发明使用的陶瓷加热器的应用示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供了一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，包括以下步骤：
步骤1、对汽轮发电机转子的灼伤表面进行金相检验和硬度测试，确定灼伤范围大小，确定灼伤位置晶粒度和金相组织，并判断有无过烧。如果发生相变但又没有过烧，可以进行回火修复。
进行金相检验时，可以安装显微镜的位置可直接观察拍照，不方便安装显微镜的地方采用醋酸纤维纸进行覆膜。
硬度测试采用超声硬度计进行，不能采用电厂常用的便携式里氏硬度仪，里氏硬度会由于转子齿的薄壁结构和热应力的影响产生较大偏差。
步骤2、根据电厂异常运行时间记录，对转轴材料进行相变动力学实验，得到材料的晶粒度与受热温度和时间的关系曲线，如图1所示。
步骤3、根据步骤2得到的关系曲线和步骤1得到的灼伤位置晶粒度，反推转子异常受热的温度。
步骤4、通过热膨胀仪制作步骤3得到的温度下的连续冷却CCT曲线，如图2所示，并测试步骤3得到的温度条件下的组织硬度。
步骤5、根据步骤1得到的灼伤位置金相组织和步骤4得到的组织硬度，参照步骤4的的连续冷却CCT曲线确定灼伤位置的冷却速度。
步骤6、根据步骤3得到的温度与持续时间、步骤5得到的冷却速度、步骤4得到的组织硬度，通过实验室小试样制备可以得到正确模拟转子淬硬区和过回火区域的小试样。
步骤7、通过步骤6得到的小试样可以验证各位置异常受热后的力学性能，并在此小试样基础上通过回火试验确定最佳回火温度和最佳回火时间。
进行回火试验时，基准回火时间选择锻件性能热处理回火时间的1/3，试验时间以2～3h为一个间隔，基准回火温度采用锻件原性能热处理回火温度，试验温度以5～10℃为一个间隔，如图3及图4所示。为了保证转子齿不受热变形，并尽量降低回火后热应力，热处理升温速率不大于220℃/h，降温速率不大于50℃/h。
步骤8、确定最佳回火温度和最佳回火时间后，采用有限元模拟回火过程中的齿头的温度分布，计算时：通过改变加热区域的长度和深度，并根据步骤7所得的试验结果评估回火后的力学性能是否满足要求。在力学性能达标的情况下分析其残余应力，保证径向残余热应力最小，且回火不能在转子齿根部引入热应力。计算时忽略考虑灼伤带来的影响，直接计算回火产生的热应力，这样可以非常快速简单地完成计算。
步骤9、调整和验证残余应力的计算结果。采用X射线衍射法或盲孔法测量齿面若干点，作为推断转子齿内部和齿根部的残余应力计算调整和验证的依据。表2是实施本方法后的残余应力对比，相比材料的屈服强度700MPa左右，局部回火的热应力已经控制在了较低的水平。
表2回火后残余应力测试结果(MPa)
步骤10、完成计算验证后，方可实施回火，本实施采用专用的陶瓷加热器进行，确保回火过程温度精确可控。
如图6所示，本发明使用的陶瓷加热器包括陶瓷隔块一1、陶瓷隔块二2及陶瓷隔块三3。陶瓷隔块一1、陶瓷隔块二2及陶瓷隔块三3依次串联。进行热处理时，陶瓷隔块一1位于测温端，陶瓷隔块二2位于加热装置正中间，陶瓷隔块三3位于另一端。陶瓷隔块一1和陶瓷隔块三3的数量根据加热区域大小变化。
如图7、图8及图9所示，陶瓷隔块一1、陶瓷隔块二2及陶瓷隔块三3的内部轮廓与汽轮发电机转子齿头外部轮廓相匹配，使得陶瓷隔块一1、陶瓷隔块二2及陶瓷隔块三3可以快速地现场安装布置，并使陶瓷块紧贴并均匀加热转子齿头，加热热效率高。
陶瓷隔块一1面向汽轮发电机转子齿头的内壁上设有弧形凹槽。在陶瓷隔块二2面向所述汽轮发电机转子齿头的内壁上设有矩形凹槽。热电偶4通过弧形凹槽穿过陶瓷隔块一1，使得与热电偶4相连的测温铜片5位于矩形凹槽内。测温铜片5紧贴于转子齿面，不会窜动，且避开了电热丝热量的影响，可以精确测得转子齿头的实际温度。三种陶瓷隔块可固定热电偶4的位置，防止热电偶4在布置和热处理过程中发生窜动。
将隔热材料预置于陶瓷隔块二2内，起到压紧热电偶4和隔热的作用，将加热装置从转子齿头端部装入并移动至需要热处理的位置，并将热电偶4置于温度监控位置。
图12为如图6至图9所示的陶瓷加热器6的使用状态图，图中，7为转子齿。
回火后硬度测试见图11，过回火区域硬度没有进一步降低，淬硬区硬度也从最高410HV左右降低至297HV。回火后硬度明显趋于稳定。

Claims (10)

1.一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，用于对受热温度高于Ac1且低于Ac2的发电机转子进行回火处理，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对汽轮发电机转子的灼伤表面进行金相检验和硬度测试，确定灼伤范围大小，确定灼伤位置晶粒度和金相组织，并判断有无过烧，若如果发生相变但又没有过烧，则进入步骤2，否则该汽轮发电机转子已经没有通过热处理修复的可能与必要；
步骤2、根据电厂异常运行时间记录，对转轴材料进行相变动力学实验，得到材料的晶粒度与受热温度和时间的关系曲线；
步骤3、根据步骤2得到的关系曲线和步骤1得到的灼伤位置晶粒度，反推得到转子异常受热的温度；
步骤4、制作步骤3所得温度下的连续冷却CCT曲线，并测试步骤3所得温度下的组织硬度；
步骤5、根据步骤1得到的灼伤位置金相组织和步骤4得到的组织硬度，参照步骤4得到的连续冷却CCT曲线确定灼伤位置的冷却速度；
步骤6、根据步骤3得到的温度与持续时间、步骤5得到的冷却速度、步骤4得到的组织硬度，通过实验室小试样制备模拟转子淬硬区和过回火区域的小试样；
步骤7、通过小试样验证汽轮发电机转子各位置异常受热后的力学性能，并在此小试样基础上通过回火试验确定最佳回火温度和最佳回火时间；
步骤8、采用有限元模拟回火过程中的汽轮发电机转子齿头的温度分布，计算时通过改变加热区域的长度和深度，并根据步骤7所得的试验结果评估回火后的力学性能是否满足要求，在力学性能达标的情况下分析其残余应力，保证径向残余热应力最小，且回火不能在转子齿根部引入热应力；
步骤9、调整和验证残余应力的计算结果，完成计算验证后，实施回火，回火采用陶瓷加热器进行，确保回火过程温度精确可控。
2.如权利要求1所述的一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，其特征在于，步骤1中，进行金相检验时，若方便安装显微镜，则利用安装显微镜直接观察拍照，若不方便安装显微镜，则采用醋酸纤维纸进行覆膜。
3.如权利要求1所述的一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，其特征在于，步骤1中，进行硬度测试时，采用超声硬度计进行。
4.如权利要求1所述的一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，其特征在于，步骤4中，通过热膨胀仪制作所述连续冷却CCT曲线。
5.如权利要求1所述的一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，其特征在于，步骤7中，进行回火试验时，基准回火时间选择锻件性能热处理回火时间的1/3，试验时间以2～3h为一个间隔，基准回火温度采用锻件原性能热处理回火温度，试验温度以5～10℃为一个间隔。
6.如权利要求5所述的一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，其特征在于，步骤7中，进行回火试验时，热处理升温速率不大于220℃/h，降温速率不大于50℃/h。
7.如权利要求1所述的一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，其特征在于，步骤8中，采用有限元模拟回火过程中的汽轮发电机转子齿头的温度分布时，忽略考虑灼伤带来的影响，直接计算回火产生的热应力。
8.如权利要求1所述的一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，其特征在于，步骤9中，采用X射线衍射法或盲孔法测量汽轮发电机转子齿面若干点，作为推断转子齿内部和齿根部的残余应力计算调整和验证的依据。
9.如权利要求1所述的一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，其特征在于，步骤9中，所述陶瓷加热器包括内部轮廓与汽轮发电机转子齿头外部轮廓相匹配的至少一块陶瓷隔块一(1)、陶瓷隔块二(2)及至少一块陶瓷隔块三(3)，陶瓷隔块一(1)、陶瓷隔块二(2)及陶瓷隔块三(3)从测温端开始依次排布，热电偶(4)连接有测温部的一端穿过陶瓷隔块一(1)使得测温部位于陶瓷隔块二(2)的内壁，所述内壁面向所述汽轮发电机转子齿头。
10.如权利要求9所述的一种汽轮发电机转子齿头局部回火方法，其特征在于，在所述陶瓷隔块一(1)面向所述汽轮发电机转子齿头的内壁上设有用于穿设所述热电偶(4)的弧形凹槽；在所述陶瓷隔块二(2)面向所述汽轮发电机转子齿头的内壁上设有用于放置所述测温部的矩形凹槽。
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