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有一种故障总是悄无声息的来临，出现时也不会有特别明显的征兆，今天我们来聊一聊一种非常隐蔽的故障---转子裂纹。相对而言，转子裂纹故障发生的概率比其他故障小得多，但危害却不小，可能导致转子部件脱落，甚至会引发断轴事故。 裂纹分为闭裂纹、开裂纹和开闭裂纹三种。一般当裂纹区处于压应力作用时，裂纹始终处于闭合状态，这种情况下一般对振动影响不大，不使用探伤设备很难察觉。 当裂纹处于拉应力作用时，裂纹处于张开状态。开裂纹会造成转子刚度不对称。裂纹的开闭状态与裂纹初始状态、偏心、重力大小和涡动速度有关，同时也与裂纹深度有关。通常情况下，转子每旋转一周，裂纹都会有开有闭。 是什么原因导致的轴裂纹故障呢？有研究人员整理了几十年间国内外近百起轴裂纹故障。  总结起来可归为应力集中、热应力、环境腐蚀、交变应力与疲劳、振动等五个方面。具体如下。 1. 应力集中 应力集中是弹性力学中的一类问题，指物体中应力局部增高的现象，一般出现在物体形状急剧变化的地方，如缺口、孔洞、沟槽以及有刚性约束处。当转子表面存在加工刀痕、键槽或者材料内部存在夹渣、气孔时，就会造成局部应力过大，产生裂纹。 2. 热应力 热应力的概念在我之前的专栏视频课《带你搞懂转子弯曲的来龙去脉》中热弯曲部分介绍过，是指温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。对于一些设备，工作温度较高或者冷态热态温差较大。设备如果频繁的启停机，转子外层温度快速变化，而转子内部温度变化相对滞后，会导致各部分材料之间因膨胀或者收缩而产生较大的热应力，时间久了会导致裂纹出现。 蒸汽或介质中可能携带水、硫酸盐或其他腐蚀性物质。转子长时间运行于高温环境，容易发生蠕变损伤。高温会加速蠕变，诱发裂纹，而腐蚀性物质对转子表面的腐蚀将成为裂纹的激发源，在交变应力作用下产生裂纹。其中水和其他腐蚀性物质更易在汽轮机末级凝结，因而应力腐蚀裂纹更易发生在汽轮机低压缸的末几级。  4. 交变应力与金属疲劳 我们或许都有过这样的生活经验，一根铁丝，我们很难拉断，如果在短时间内反复弯折几次铁丝就会折断。这是因为多数金属材料的疲劳断裂应力水平远低于屈服强度。低应力高循环次数和高应力低循环次数都会产生金属疲劳，其中以高周疲劳最为常见。  5. 振动 设备长时间的振动大也会引发结构疲劳，产生裂纹。 了解了裂纹产生的原因，那么转子裂纹有哪些故障特征呢？ 转子裂纹的振动响应与其所在位置、裂纹深度及受力情况等因素有很大关系，因此表现形式也是多种多样。 首先是振动带有明显非线性的性质，频率会出现1X、2X、3X等各阶频率分量。 随着裂纹深度的扩展，1X，2X分量会增大，同时相位会出现异常波动。转子上一旦存在开裂纹，转轴的刚度就不再具有各向同性，裂纹会破坏转子截面的对称性，会产生2X分量。裂纹扩展时，刚度进一步降低，1×、2×、…等频率的幅值也随之增大。这与不平衡故障现象有相似之处，但相位发生不规则波动，这一点与不平衡故障时相稳定是有差别的。 在升降速过程中，可能会出现分频共振，即1/2、1/3临界转速时，其相应2X、3X刚好与临界转速重合。 裂纹扩展速度随深度增加而加速。微裂纹逐渐扩展，最终发展成为宏观裂纹，轴上出现裂纹时，初期扩展速度很慢，径向振动值的增长也很慢，但裂纹的扩展速度会随着裂纹深度的增大而加剧。 临界转速比之前可能会有所下降。转子出现裂纹会导致刚度k下降，进而导致固有频率和临界转速降低。实验室数据表明：深度达1/4直径的裂纹，轴刚度变化10％左右，临界转速的变化约5%。 最后一点是由于裂纹转子的刚度不对称，使得对转子进行动平衡变得困难。现场如果有些设备每次做完动平衡校正以后过不多久又再次出现不平衡问题，可怀疑是否有裂纹产生。 以上是关于裂纹产生的原因和特征介绍，后面会和大家分享我亲身经历的压缩机转子裂纹的案例以及检测裂纹常用的方法，敬请期待。 你也可以识别下方图片二维码收看我的视频课程先睹为快。 |
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