8000kW軋機主電動機阻尼繞組故障分析及修復

歐勇，湯弼華，劉林，陸軍，楊輝，周武

湖南湘潭鋼鐵集團有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

軋機是冶金廠的重要設備，湖南湘潭鋼鐵公司寬厚板廠的軋機主電動機功率8000k W、電壓1700V、電流3000A、轉速400r/min，價值4000萬元。由于長時間高負荷使用，轉子阻尼繞組阻尼桿出現30多處斷裂（約占總量的1/4），并伴有多處掃膛，電動機隨時可能短路燒毀。如果修復此種故障，一般是將電動機轉子返廠進行大修，或將阻尼繞組拆除，返廠更換阻尼桿修復，且安裝時需更換所有緩沖器和緊固螺栓，并重新做動平衡，修復時間均大于一個月。另外，轉子重95t，不僅周轉極為不便，而且急需復產，也沒有備件，因此公司決定采取在線修復的方式。

2 轉子阻尼繞組現狀

8 0 0 0 k W軋機主電動機是采用轉子安裝阻尼繞組的大型交流同步調速電動機，轉子直徑2.8m，轉子樞動線圈外側均布16個阻尼繞組，每個繞組9根阻尼桿，共144根阻尼桿。單個阻尼繞組為2300m m×470m m×40m m的窗框式結構，阻尼輻條和阻尼桿均由硬態T2純銅制成，輻條尺寸為470m m×40m m×30m m，桿尺寸為φ16mm×2300mm。阻尼桿中間鑲嵌在轉子鐵心硅鋼片磁極表面的凹槽中，兩端并聯插入輻條的同直徑開孔并用硬釬焊連接。

轉子軋機定修點檢時，發現電動機阻尼桿有斷裂（見圖1、圖2），抽出轉子，對阻尼桿進行檢查，有斷點35個，約占阻尼桿總量的1/4。斷點分為以下6種情況：①凹槽中部斷裂未脫落。②凹槽頭部斷裂，阻尼桿翹頭與定子發生磨損。③凹槽增大，阻尼桿頂部變成三角形。④輻條與桿的焊腳處斷裂。⑤輻條與鐵心凹槽之間斷裂。⑥輻條與桿焊腳處有啟裂特征。

圖1 阻尼桿斷開彈出

圖2 阻尼桿與鐵心磨損，銅套、阻尼桿斷裂

其中，凹槽頭部阻尼桿斷裂后，不斷在間隙中擺動，有兩種作用使凹槽增大，一種是銅棒與鐵心的相互摩擦；另一種是銅棒的感生電流傳遞通道被截斷。此時，阻尼線圈中800A的勵磁電流和300V的電壓，與C形鐵心凹槽發生短路，產生電弧燒蝕，阻尼繞組最外側的第1和第9根阻尼桿位于磁極的兩端，斷裂現象比較普遍，與之相鄰的第2根和第8根阻尼桿也時常發生開裂。

3 原因分析

軋鋼時紅鋼坯在電動機正反轉時不斷地壓入和拋出，軋制壓下量的變化使設備從靜載到滿載的間隔極短，主電動機運行時短時承受波幅較大的電流沖擊。在長期使用過程中，阻尼籠由于高速旋轉產生的離心力、正反轉時的振動沖擊、電流的熱效應以及電磁力相疊加，阻尼桿局部發生斷裂，當磁極最外側阻尼桿斷裂后，整體強度降低，相鄰的第2和第8阻尼桿極易順延開裂。對斷裂部位進行檢查，斷口大部分區域呈光亮晶粒狀，無缺陷、無延伸、無收縮，綜合工況，屬于疲勞裂紋特征（見圖3）[1]，將阻尼桿取樣進行力學性能檢測（見圖4），結果見表1。由表1可知，結果全部符合GB/T 4423—2020《銅及銅合金拉制棒》要求。

表1 阻尼桿力學性能檢測結果

圖3 阻尼桿斷口

圖4 阻尼桿力學性能檢測

4 轉子在線修復工藝難點

轉子在線修復工藝難點主要包括以下幾方面。

1）純銅的熔點1083℃，熱導率在20℃時是鋼的7倍，隨著溫度的增加，熱導率也增加，1000℃時可達到鋼的11倍。此次待修復的阻尼繞組，包含9根阻尼桿和兩根輻條，單個重47kg，且16個繞組中的12個有不同程度的斷裂。因為大純銅件焊接時，熱量損失多，所以構件要求銅輻條與阻尼桿在設計時保證接觸面盡可能大，以保證導電率和強度。當采用插入式的釬焊焊接時，如果熱源功率低，熱量來不及將焊縫加熱到釬料的熔化溫度，就已經被傳遞出去，造成基材與填充金屬熔合不良，導致接觸面積小，影響導電性和強度[2]。

2）待焊空隙內的釬料如果線膨脹系數小于純銅，釬焊部位在高溫和常溫波動時，會因釬料收縮產生裂紋。

3）電動機轉子的方形電樞繞組外沿，設置有5mm厚絕緣板，其外側是弧形的阻尼繞組。隨曲率不同，絕緣板與阻尼繞組的間隙在1～10mm之間不等。阻尼桿斷裂基本位于第1和第9阻尼桿，與絕緣板的間隙只有1～3mm。由于阻尼桿取出或焊接時均需加熱，此處的小間隙隔熱難度大，且阻尼桿銅件的加熱溫度高，所以易燒壞絕緣板和轉子線圈，導致轉子報廢。

4）純銅阻尼桿與C形鐵心凹槽緊密貼合，阻尼桿長且軟，更換難度大。

5）阻尼桿與C形鐵心凹槽輕微燒蝕段存在間隙過大現象，不易固定，運行時擺動大。

5 轉子在線修復工藝

（1）焊接材料的選擇 在20℃時，銅電阻率為1.67×10-8Ω·m，銀電阻率為1.47×10-8Ω·m；銅線膨脹系數為17.5×10-6/K，銀線膨脹系數為19.5×10-6/K，鋅線膨脹系數為36×10-6/K[3]。由于BAg45CuZn銀釬料含有一定成分的銅和鋅，熔點低，因此熔化時有良好的流動性、填縫性和潤濕性，導電性好、表面焊后光潔、韌性好及強度高。由于銀的電導率和線膨脹系數均稍大于銅，鋅的線膨脹系數大于銅，所以銅的釬焊接頭采用BAg45CuZn釬料。釬焊部位在高溫和常溫波動時，不會因釬料收縮而產生裂紋，所以常用作重要的導電銅構件釬焊材料，此次釬料直徑為3m m[4]。BAg45CuZn釬料化學成分和物理性能見表2，符合GB/T 10046—2018《銀釬料》要求。

表2 BAg45CuZn釬料的化學成分和物理性能

（2）焊接方法的選擇 當轉子在線修復時，阻尼繞組與線圈之間不僅空間狹窄，而且是插入式焊縫，高頻電加熱和氬弧焊均不能實施，因此只能采用火焰釬焊[5]。

采用BAg45CuZn釬料，阻尼桿對接并加純銅套管進行火焰釬焊，隨后進行力學性能檢測（見圖5），結果見表3。斷裂位置處于熱影響區，焊態的伸長率和斷面收縮率與母材相比稍有增加，焊態力學性能數據符合GB/T 4423—2020《銅及銅合金拉制棒》要求。

圖5 阻尼桿釬焊接頭力學性能檢測

表3 阻尼桿釬焊接頭力學性能檢測結果

（3）工具、材料和設備的選用

1）氣焊氣割工具，包括氧氣、乙炔、焊槍和割槍，ZX7-400焊機。

2）制作同尺寸阻尼桿。

3）輔助材料包括保溫材料、鋼板、鋼管。

（4）其他注意事項

1）根據絕緣板與阻尼繞組間的空間形狀，制作耐熱墊板，上面敷設保溫棉，只露出待加熱部位。

2）制作套管擺錘，并與頂桿配合，利用撞擊力將阻尼桿取出。

3）如果兩個待修復阻尼桿相鄰，則取出和焊接均需同步進行，一次完成，避免多次加熱。

4）銅棒取出和焊接時用兩把氣焊槍，加大氣體流量和火焰能率。

5）線圈側需專人測溫，監測升溫和熱量分布情況，＞80℃立即報警，馬上降溫并加強隔熱。

6）加熱時火焰方向朝外，以免線圈過熱。

7）將鋼管剖分，制作碳素鋼瓦，填充、鑲嵌入阻尼桿與C形鐵心凹槽之間，采用φ3.2mm的E5015焊條進行焊接固定。

8）檢查轉子鐵心拉桿螺栓移位和形變情況，并調整。

圖7 修復后的阻尼桿

9）修復狀態如圖6～圖8所示。轉子阻尼桿修復完畢，對其進行絕緣檢查，符合各項要求，裝機后運行正常。

圖6 已裝配待焊接的阻尼桿

圖8 轉子回裝

6 結束語

高功率大型電動機轉子屬于高價值核心設備，其運行特點是高轉速、高頻率、高負載，對導電性、絕緣性和可靠性要求很高，此狀態下轉子上阻尼繞組大量斷裂的修復，屬大件的純銅焊接。銅的熱導率很高，線圈與待焊處距離極近，因此焊接是一個很難的課題，在線修復案例在國內更是少有。本文對于裂紋形成的原因、修復工藝和優化思路進行了剖析，為相關設備的修復和延壽，提供了有益的借鑒。