НАДЕЖНОСТЬ И РЕСУРС ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ
Диагностика и ремонт подвески сердечника

В прошлом номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 3(51) 2008) мы ознакомили читателей с методикой виброакустической диагностики и ресурсосберегающей эксплуатации генераторов.
Сегодня наши московские авторы анализируют результаты применения различных методик контроля технического состояния подвески сердечника статора турбогенератора во время эксплуатации и при проведении ремонта. В материале показываются слабые места традиционных методов диагностики и преимущество виброакустического метода, а также даются практические рекомендации по повышению достоверности диагностики, позволяющие повысить качество ремонта и надежность работы подвески сердечника генератора.

Андрей Назолин, к.т.н., генеральный директор
Виктор Поляков, к.т.н., технический директор, ООО НТЦ «Ресурс», г. Москва

В мощных турбогенераторах для уменьшения передачи магнитных вибраций сердечника на корпус применяется упругая подвеска сердечника в корпусе статора. Например, в турбогенераторах серии ТВВ в качестве упругих пружинящих элементов используются равномерно расположенные по длине и окружности статора аксиальноориентированные стяжные ребра статора с продольными сквозными прорезями, жестко соединенные с поперечными стенками корпуса и с помощью ласточкина хвоста – с сердечником (рис. 1). Виброизоляция сердечника в корпусе статора осуществляется за счет изгиба упругих элементов ребер, податливых в радиальном и тангенциальном направлениях.

Ослабление закрепления ласточкина хвоста в пазу сердечника статора – первопричина возникновения основных неисправностей подвески. Возможность ослабления закрепления вызвана тем, что положение ласточкина хвоста в пазу зависит от целого ряда статических и динамических факторов. Среди них [1]: наличие зазоров в пазу ласточкина хвоста и радиальное расширение спинки сердечника при опрессовке, угловое положение стяжного ребра на спинке сердечника, вес сердечника, тепловое расширение сердечника, крутящий момент, действующий на сердечник во время работы генератора под нагрузкой, вибрация статора.
В исправном состоянии закрепление ласточкина хвоста в пазу близко к шарнирному, допускающему поворот, без линейного смещения [1]. При этом жесткость закрепления по длине паза можно считать величиной постоянной, не зависящей от теплового расширения сердечника, действия крутящего момента и вибраций статора. Дефектное состояние характеризуется таким ослаблением закрепления, при котором на работающем генераторе возникают радиальные и тангенциальные перемещения ласточкина хвоста внутри паза. При этом освободившаяся из закрепления часть ребра будет совершать паразитные вынужденные колебания с трением и ударами в пазу.
В верхней части статора в силу различных факторов, указанных в [1], существуют условия для ослабления жесткости закрепления стяжных ребер в пазах сердечника. В условиях вибрации это приводит к невосстановимому коррозионному износу (фреттингкоррозии) контактирующих поверхностей хвоста и паза, дальнейшему ослаблению жесткости закрепления. Продукты коррозионного износа вытесняются из-под трущихся поверхностей и легко обнаруживаются на спинке сердечника в виде налета пыли бурого цвета (окислы железа), обладающего ферромагнитными свойствами (рис. 2а). В спектре виброускорения корпуса статора наблюдается снижение амплитуды основной гармоники, номинальной 100 Гц, и появление дополнительного ряда гармоник, кратных или дробнократных основной частоте магнитных вибраций сердечника [2]. Опыт эксплуатации генераторов показывает, что трение в узлах крепления не оказывает существенного влияния на надежность работы генератора, пока в результате длительного истирания не появятся зазоры между рабочими гранями ласточкина хвоста и паза.
Появление зазоров между рабочими гранями, как правило, имеет место при сроках эксплуатации, превышающих 25–30 лет. На отдельных генераторах зазоры могут появиться в течение начального срока эксплуатации. Динамика паразитных колебаний стяжного ребра резко изменяется. Ребро начинает совершать виброударные движения.
Механические напряжения при ударных нагрузках существенно возрастают, что в свою очередь приводит к ускоренному механическому, коррозионному и электроэрозионному износу контактирующих поверхностей. Происходит повреждение сварных швов и упругих элементов ребер, ослабление затяжки гаек, разрушение изоляции листов активной стали, электроэрозионный износ элементов крепления, выкрашивание элементарных листов стали в пазу сердечника. Продукты износа попадают на изоляцию обмоток статора и ротора, что способствует снижению электрической прочности изоляции обмоток и появлению витковых замыканий в обмотке ротора.
Эту стадию развития дефекта следует считать значительной, когда требуется проведение ремонтных мероприятий по устранению дефекта.

ТРЕБОВАНИЯ НТД

Нормативные документы [3, 4, 5] предусматривают проведение контроля технического состояния подвески посредством осмотров сердечника и измерения уровня 100 Гц составляющей вибрации статора.
Снижение амплитуды основной гармоники колебаний корпуса генератора 100 Гц в зоне дефекта подтверждается как экспериментальными данными, так и результатами расчетов [2]. В то же время, в соответствии с действующими нормативными документами, а именно МУ 34-70-103-85 [4], эксплуатационный контроль турбоге- нератора ведется по значению гармоники колебаний корпуса 100 Гц, которая не должна превышать 30 мкм. Следовательно, появление дефекта ослабления узлов крепления сердечника с точки зрения МУ 34-70-103-85 может трактоваться как улучшение вибрационного состояния генератора.
В соответствии с требованиями циркуляра Ц-06-96 [5] при проведении ремонта состояние крепления сердечника оценивается по результатам осмотра. В качестве признаков появления дефекта подвески принимаются: наличие продуктов контактной коррозии в виде пыли бурого цвета; разрушение креплений стяжных ребер; ослабление затяжки гаек стяжных ребер; разрушение шеек стяжных ребер. Но в случае появления зазоров между рабочими гранями ласточкина хвоста и паза, бурая пыль, как и другие признаки появления дефекта подвески, перечисленные в циркуляре Ц-06-96, может отсутствовать. Вместе с тем в результате интенсивного виброударного взаимодействия в местах соударения может происходить разрушение элементарных листов стали с образованием осколков (см. рис. 2б), которые, попадая в вентиляционные каналы, могут быть не обнаружены при осмотре, особенно если осмотр акцентирован на поиск бурой пыли.
Следовательно, нормативные методы контроля не всегда обеспечивают надежное обнаружение дефектов ослабления узлов крепления сердечника, особенно на уровне развития, близком к критическому. Более достоверные сведения о состоянии узлов крепления могут быть получены проведением виброакустических испытаний работающего генератора.

ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

Режим работы генератора

Виброударные взаимодействия элементов подвески обнаруживаются по появлению в высокочастотной части спектра виброускорений корпуса статора гармоник, целочисленно или дробно кратных основной частоте вибрации корпуса 100 Гц [6]. Например, на рис. 3 представлен спектр виброускорений корпуса генератора с дефектной подвеской, продукты износа которой показаны на рис. 2б. Важным является то, что при виброударном взаимодействии элементов подвески значительная часть энергии сигнала может лежать за пределами 1000 Гц. В этом случае для диагностики подвески неприменимы методы, основанные на анализе только низкочастотной части спектра виброускорений корпуса статора. Это будет приводить к пропуску дефектов значительного уровня и ущербу от снижения надежности и ресурса генератора.
Например, в [7] предлагается проводить диагностику подвески по СКЗ виброускорений корпуса в диапазоне частот до 1000 Гц, нормированному на значение амплитуды гармонической составляющей 100 Гц. По критериям [7], техническое состояние генератора, спектр которого показан на рис. 3, является удовлетворительным. В то же время в течение полугода эксплуатации этого генератора произошло обширное разрушение узлов крепления подвески (продукты износа элементов подвески показаны на рис. 2б).
Существенное влияние на интенсивность виброударных процессов в дефектных узлах креплений оказывает режим работы генератора, что подтверждается экспериментально и результатами расчетов [8].

Поэтому проведение измерения параметров виброакустических колебаний только в одном из текущих режимов работы генератора также может приводить к пропуску дефекта подвески. Например, в [7] предлагают проводить измерения параметров виброакустических колебаний в одном из текущих режимов работы генератора. В качестве диагностического параметра также используют значение СКЗ виброускорений корпуса в диапазоне частот до 1000 Гц, нормированное на значение амплитуды гармонической составляющей 100 Гц. Предполагается, что такой диагностический параметр практически не зависит от режима работы генератора.
Однако такое предположение не находит практического подтверждения. На рис. 4 представлены спектры виброускорений корпуса турбогенератора в двух установившихся режимах, отличающихся только значением реактивной мощности. Дефект подвески подтвержден в ходе разборки генератора при его модернизации. По критериям [7] спектр на рис. 4а свидетельствует о неудовлетворительном состоянии подвески. В то же время по спектру на рис. 4б техническое состояние подвески оценивается как хорошее. Таким образом, имеем два взаимоисключающих диагноза на одном генераторе.
Как правило, наибольшая мощность виброударных взаимодействий достигается в номинальном режиме работы. В то же время зафиксированы случаи появления виброударных взаимодействий при разгрузке генератора до технического минимума энергоблока. Следовательно, виброакустическая диагностика подвески должна проводиться как в максимальных, так и в минимальных рабочих режимах генератора.

Другие дефекты

Линейчатые спектры виброускорений корпуса имеют место также при появлении распушения крайних пакетов и ослаблении узлов крепления обмотки статора [6]. Например, на рис. 5 показан спектр виброускорений корпуса ТВВ-320-2, имеющего ослабление узлов крепления обмотки статора. Вид спектра практически не отличается от спектра генератора с ослабленной подвеской, но мощность виброакустического сигнала сильно зависит от температуры дистиллята, охлаждающего обмотку, что используется для распознавания дефектов в способе [10].
Для генератора, имеющего распушение крайних пакетов, характерно, что снижение реактивной нагрузки приводит к увеличению мощности виброакустического сигнала. Это объясняется известными [11] закономерностями возрастания аксиального магнитного поля в торцевых частях машины по мере снижения реактивной мощности. На генераторе с ослабленной подвеской снижение реактивной нагрузки приводит к уменьшению мощности виброакустического сигнала, так как уменьшается индукция рабочего поля машины и сила магнитного тяжения сердечника. Эти характерные признаки используются для распознавания дефектов в способе [9]. Метод диагностики [7] также является одним из вариантов способа [9], но в силу допущенных упрощений (применяются только пункты 1 и 2 формулы изобретения) он не обеспечивает распознавания дефектов.

РЕМОНТ ПОДВЕСКИ ГЕНЕРАТОРА

Дефекты подвески устраняются во время ремонта генератора.
Ранее укрепление подвески проводилось приваркой верхних стяжных ребер к сердечнику, что является трудоемкой технологической операцией и может привести к попаданию сварочного града на изоляцию обмотки. В настоящее время в ОАО «Электросила» для укрепления подвески разработаны специальные отжимные устройства, не требующие для своей установки сварки и других сложных и трудоемких работ [12]. Установка таких устройств полностью устраняет виброударные взаимодействия на ослабленных участках подвески.
На рис. 6 показана история развития дефекта ослабления подвески на турбогенераторе ТВВ-320-2. На этом генераторе после модернизации был установлен программно-технический комплекс виброакустического мониторинга дефектов статора [6], результаты работы которого приведены на рис. 6. Здесь по оси абсцисс указано время в сутках, а по оси ординат – значение диагностического параметра, отражающего максимальную интенсивность соударений в дефектных узлах крепления подвески за сутки. Значение диагностического параметра является функцией от мощности виброакустического сигнала в полосе частот от 0 до 5 кГц включительно. Как видно на рис. 6, установка отжимных устройств полностью устранила виброударные взаимодействия ослабленных участков стяжных ребер с сердечником.
При проведении ремонтных работ важно правильно определить участки подвески, требующие укрепления. Традиционным является метод ударного возбуждения, в котором степень ослабления закрепления стяжного ребра определяется качественно по характеру звука после удара [1].
В [7] предложено ввести количественную оценку путем измерения низшей собственной частоты изгибных колебаний стяжного ребра после его ударного возбуждения. Такое техническое решение, бесспорно, является рациональным. Но здесь важно обоснованно установить пороговое значение низшей собственной частоты, соответствующее неудовлетворительному состоянию подвески. В [7] исходят из условия предотвращения резонансных колебаний стяжного ребра на частоте магнитных колебаний сердечника. При частоте собственных колебаний стяжного ребра на выведенном в ремонт генераторе менее 115 Гц качество закрепления подвески считается неудовлетворительным. Рекомендуется выполнить ремонтные работы по ее закреплению.
Ошибочность такого подхода заключается в том, что на работающей машине действие крутящего момента, приложенного к сердечнику, постоянной и периодической силы магнитного тяжения, тепловое расширение активной стали могут существенно изменить условия посадки ласточкина хвоста в пазу, а значит, и значение низшей собственной частоты колебаний стяжного ребра. В случае ухудшения условий посадки возможно появление интенсивных виброударных процессов с разрушением элементов креплений в местах ударного взаимодействия. Это необходимо учитывать при задании порогового значения низшей собственной частоты колебаний стяжного ребра. Например, после проведения модернизации генератора ТВВ-320-2 измерения показали, что низшая собственная частота колебаний ослабленного участка стяжного ребра составляет 120 Гц. На основании критериев [7] техническое состояние подвески было признано удовлетворительным. Через полгода эксплуатации во время останова генератора была проведена повторная оценка состояния упругой подвески осмотром и методом ударного возбуждения. На верхней части спинки сердечника были найдены многочисленные капли расплавленного металла (продукт контактной электроэрозии), осколки стали (продукт механического разрушения) и окатыши из порошка, не успевшего окислиться, намагниченного железа (продукт фреттинг-коррозии), которые легко разрушались при сдавливании пальцами. Образцы этих продуктов износа показаны на рис. 2б. Необходимо также отметить, что в техническом отчете по эксплуатационным тепловым испытаниям генератора сделан вывод о появлении витковых замыканий в роторе уже в течение первых 1,5 месяцев эксплуатации модернизированного генератора. Осмотром выявлено, что наибольшим разрушениям подвергся участок подвески со стяжным ребром, чья низшая собственная частота на момент включения генератора после его модернизации составляла 190 Гц. В результате ускоренного износа за полгода эксплуатации низшая собственная частота этого ребра уменьшилась до 105 Гц.
Таким образом, опыт диагностики и ремонтных работ показывает, что при появлении признаков виброударной активности элементов подвески следует проводить ремонтные работы по ее укреплению.
На генераторах ТВВ необходимо проводить укрепление всех верхних призм с собственной частотой ниже 200 Гц. При этом успешность проведения ремонта следует подтверждать результатами послеремонтных виброакустических испытаний генератора. На генераторах других типов пороговое значение низшей собственной частоты стяжных ребер может быть иным.

ВЫВОДЫ

1. Нормативные методы ремонтного и вибрационного контроля турбогенератора не обеспечивают надежное обнаружение дефекта ослабления креплений сердечника статора, особенно на уровне развития, близком к критическому. Более достоверные сведения о состоянии узлов крепления, особенно на генераторах, выработавших установленный стандартами срок службы, могут быть получены проведением виброакустических испытаний работающего генератора.
2. Виброакустические испытания работающего генератора должны проводиться в режимах номинальной и минимальной нагрузки энергоблока. Методика испытаний должна обеспечивать распознавание вида дефекта.
3. Появление признаков виброударной активности элементов подвески сердечника указывает на необходимость проведения ремонтных работ по ее укреплению. При этом на турбогенераторах типа ТВВ необходимо проводить укрепление всех верхних стяжных ребер с собственной частотой ниже 200 Гц. На генераторах других типов порог отбора ослабленных участков стяжных ребер может быть другим. Успешность проведения ремонта следует подтверждать результатами послеремонтных виброакустических испытаний генератора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иогансен В.И. К расчету упругой подвески сердечника статора // Сб. Турбо- и гидрогенераторы. Методы исследования и расчета. Л.: ВНИИЭлектромаш. – 1974.
2. Назолин А.Л. Математическое моделирование влияния неидеальных связей в упругой подвеске машины на передачу вибрации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. – 2004. – № 3.
3. РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования. – М.: ЭНАС, 1998.
4. МУ 34-70-103-85. Методические указания по проведению вибрационных испытаний турбо- и гидрогенераторов. – М.: СПО Союзтехэнерго, 1986.
5. Циркуляр Ц-06-96. О повышении надежности турбогенераторов мощностью 100–800 МВт, работающих в режимах недовозбуждения. – М.: РАО «ЕЭС России», 1996.
6. Назолин А.Л., Поляков В.И. Виброакустическая диагностика и ресурсосберегающая эксплуатация // Новости ЭлектроТехники. – 2008. – № 3(51).
7. Кузнецов Д.В., Шандыбин М.И. Применение методов виброконтроля для оценки состояния упругой подвески сердечника статора турбогенератора // Электрические станции. – 2007. – № 10.
8. Назолин А.Л., Поляков В.И. Виброударные режимы движения в дефектном узле подвески сердечника статора мощного генератора // Сборник трудов XV Международного симпозиума «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем». – Москва – Звенигород: РАН – ИМАШ РАН им. А.А.Благонравова, 2006.
9. Патент РФ № 2216841. Способ обнаружения дефектов статора на работающей электрической машине. Назолин А.Л., Поляков В.И. 2003. Бюл. № 32.
10. Патент РФ № 2273085. Способ распознавания дефектов сердечника статора на работающей электрической машине с раздельным охлаждением сердечника и обмотки. Назолин А.Л., Поляков В.И. 2006. Бюл. № 9.
11. Вольдек А.И., Данилевич Я.Б., Косачевский В.И., Яковлев В.И. Электромагнитные процессы в торцовых частях электрических машин. – Л.: Энергоатомиздат, 1983.
12. Иогансен В.И. Исследование и разработка методов расчета и конструирования основных узлов высокоиспользованных турбогенераторов. Автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук. – СПб: ОАО «Электросила», 2003.