Бандажные кольца турбогенератора: что важно помнить помимо чертежей 

Когда говорят про бандажные кольца турбогенератора, часто сводят всё к геометрии и посадке с натягом. Но на практике, ломается обычно не там, где ждали. Основная ошибка — рассматривать их как простые ?обручи?, удерживающие обмотку, забывая про термомеханические циклы и остаточные напряжения после напрессовки. Именно эти факторы, а не только центробежная сила, определяют, выдержит ли кольцо долгий срок или даст трещину на первом же пуске после ремонта.

Материал — это не только марка стали

Да, все берут сталь 35ХМ или 25Х1МФ. Но здесь тонкость в истории металла. Получали заготовку кольца для одного из генераторов на ТЭЦ — вроде бы сертификаты в порядке. Но при фрезеровке почувствовали неоднородность обработки, словно структура неоднородная. Оказалось, при ковке заготовки не выдержали режим охлаждения, появились зоны с разной зернистостью. На прессовке ничего не предвещало беды, но на испытаниях при превышении оборотов на 15% (а такое бывает при резких сбросах нагрузки) пошла мелкая сетка у внутреннего паза. Пришлось снимать. Вывод: сертификат — это полдела, нужна ещё и УЗК-дефектоскопия заготовки по всему объёму, особенно в зонах перехода толщины. Не все производители это делают, экономят.

Здесь, кстати, опыт коллег из литейного производства, которые работают с износостойкими сплавами, очень показателен. Смотрю иногда на сайт ООО Хами Джида Горное Механическое Оборудование — у них на hamijida.ru акцент на контроль структуры литья для тяжёлых условий. Для бандажных колец принцип тот же: критична однородность. Их подход к отжигу и термообработке износостойких деталей для дробилок, где тоже ударные циклические нагрузки, можно частично транслировать и на наши ответственные поковки. Не копировать, но понимать философию контроля.

И ещё по материалу: сейчас много говорят про композитные бандажи. Пробовали рассматривать для одного экспериментального проекта — отказ. Не из-за прочности, а из-за разного коэффициента теплового расширения с медью обмотки и сталью сердечника. В переходных режимах возникает ?подвижка?, которая убивает изоляцию. Пока классическая сталь — самое предсказуемое.

Посадка с натягом: цифры из книги против реального цеха

В учебниках дают формулу, температуру нагрева и всё. На деле, главный враг — неравномерный прогрев кольца перед напрессовкой. Грели горелками — казалось бы, контролировали по термокраскам. Но тень от оснастки или сквозняк в цехе создают перепад даже в 30-40°C по периметру. Кольцо село с перекосом в тысячные доли, но этого хватило, чтобы создать локальную зону перенапряжения. Не разорвало сразу, но через 8 тысяч часов работы появилась усталостная трещина, начавшаяся как раз из зоны максимального остаточного напряжения от того перекоса.

Сейчас для ответственных узлов перешли на индукционный нагрев с вращением — более равномерно. Но и тут есть нюанс: скорость нагрева. Слишком быстрый нагрев — риск роста зерна в поверхностном слое, потеря усталостной прочности. Приходится жертвовать временем, но сохранять ресурс. Это тот случай, когда технологическая карта пишется кровью предыдущих неудач.

И про сам натяг. Часто заказчик требует увеличить его ?для надёжности?. Это ловушка. Чрезмерный натяг не даёт кольцу работать как упругое целое, оно становится ?жёсткой заделкой?, и все циклические нагрузки от вибраций ротора концентрируются у краёв. Видели несколько случаев сколов по внутренней кромке — это почти всегда следствие завышенного натяга при формально правильном расчёте.

Балансировка всего узла — момент, который часто упускают

Бандажное кольцо балансируют отдельно, идеально. Потом напрессовывают на ротор, который тоже отбалансирован. И думают, что всё в порядке. А после сборки всего ротора в сборе с вентилятором и контактными кольцами вдруг на высоких оборотах возникает дисбаланс на частоте, близкой к собственной частоте кольца. Почему? Потому что после напрессовки геометрия кольца немного, но меняется — его ?вытягивает? по посадочной поверхности, особенно если она имеет конусность. Оно уже не идеально круглое в напряжённом состоянии.

Поэтому правильная практика — обязательная низкооборотная прокатка и, если есть возможность, контрольная балансировка всего собранного ротора уже с бандажными кольцами. Да, это дороже и дольше. Но дешевле, чем потом снимать генератор с очереди из-за вибрации, которую не могут погасить.

Был характерный случай на одном из сибирских ГРЭС: после замены колец вибрация была в норме, но через полгода выросла. Разобрали — обнаружили, что ослабла посадка? Нет. На внутренней поверхности кольца, в пазу, где лежит обмотка, появились рабочие вмятины от вибрации стержней. Это говорит о том, что сам стержень был плохо расклинован. Кольцо здесь ни при чём, но диагностика всегда начинается с него. Пришлось вскрывать весь паз.

Контроль в эксплуатации: на что смотреть при ревизии

Самое слабое место — торцевые поверхности и радиусы переходов в зоне паза. Трещины усталости почти всегда стартуют оттуда. Визуально их не увидишь, нужен капиллярный контроль или магнитопорошковый. Многие энергетики пренебрегают этим, осматривают ?на глазок?, если нет явных сколов — идут дальше. Рискованный подход.

Ещё один параметр — изменение цвета побежалости на поверхности. Если видите локальные пятна с цветами от соломенного до синего — это признак локальных перегревов от контакта с токоведущими частями или от вихревых токов. Значит, нарушена изоляция между кольцом и стержнями, или есть проблемы с системой демпфирования паразитных токов Фуко. Это уже не механическая, но электромагнитная проблема, которую кольцо просто проявляет.

Замер зазоров (если конструкция предусматривает) — тоже история. Щупом тут не обойтись, нужны точные индикаторные замеры в нескольких точках по окружности. И сравнивать не с паспортом, а с данными предыдущей ревизии. Динамика изменения — вот что важно. Резкое изменение эллипсности даже на небольшую величину — тревожный сигнал о начале необратимой деформации.

Ремонт или замена: тонкая грань экономики

Часто встаёт вопрос: наварить изношенный паз и переточить или ставить новое кольцо? Сварка для бандажных колец турбогенератора — крайняя мера. Любая наплавка меняет картину остаточных напряжений, и предсказать, как поведёт себя кольцо после этого, очень сложно. Есть успешные случаи? Да, но только при локальном ремонте с последующей полной термообработкой (отжигом и закалкой с отпуском), что в условиях ремонтного цеха почти нереализуемо без искажения геометрии.

Поэтому чаще экономически целесообразнее замена. Но и тут подводный камень: новое кольцо от другого производителя может иметь иные механические характеристики при той же марке стали. Идеально — иметь запасное от того же производителя и из той же партии. Утопия, конечно. Поэтому при замене одного кольца в паре (если их два на роторе) стоит проверить их на твёрдость и ударную вязкость. Сильный разброс — путь к неравномерному нагружению.

Вот здесь как раз полезно посмотреть, как работают с ответственными деталями производители типа ООО Хами Джида Горное Механическое Оборудование. Их специализация — износостойкое литьё для горного оборудования, где каждая деталь работает на износ в агрессивной среде. Принцип строгого контроля партий и отслеживания истории обработки — отличная практика. На их сайте hamijida.ru видно, что акцент на воспроизводимость качества и прогнозируемый ресурс. Для бандажных колец это архиважно. Заказывая новое кольцо, нужно требовать не только сертификат, но и полный отчёт о термообработке, включая графики нагрева и охлаждения.

В итоге, работа с бандажными кольцами — это постоянный баланс между теорией расчётов, практикой монтажа и анализом эксплуатации. Ни один фактор нельзя упускать. И главное — помнить, что это не статичная деталь, а живой элемент, который ?дышит? и ?устаёт? вместе со всем ротором. Его состояние — это часто лакмусовая бумажка более глубоких проблем генератора.