Эрозия влажнопаровых турбин АЭС, ТЭС - Виды эрозионного изнашивания турбин

Эрозия деталей паровых турбин представляет собой поверхностное изнашивание деталей под действием различных факторов, обусловленных механическим, химическим, электрическим, тепловым воздействием рабочего тела и его твердых и жидких включений.
Поверхностное изнашивание деталей паровых турбин происходит непрерывно во время эксплуатации турбин. Увеличение износа может быть обусловлено несовершенством принятых методов конструирования, конструкторско-технологическими ошибками, несовершенством технологии изготовления деталей, некачественным монтажом, работой турбины на режимах, отличных от расчетного. Рассмотрим процессы, вызывающие эрозию поверхностей деталей проточной части паровых турбин, омываемых потоками, содержащими твердый и жидкий аэрозоль, крупные частицы различного происхождения и струйки влаги (табл. 1.1).
Основными процессами, приводящими к интенсивной эрозии деталей, омываемых паром, содержащим жидкий и твердый аэрозоль — капли конденсата и твердые частицы различного происхождения, являются: механическое изнашивание под действием удара жидкости и твердых частиц; гидро- и пароабразивное изнашивание под действием абразивного воздействия твердого аэрозоля, движущегося по поверхности детали за счет кинетической энергии пара или воды; капельное изнашивание под действием удара капель; струйное изнашивание под действием удара струй. 

Таблица 1.1
Основные процессы, вызывающие эрозию поверхностей деталей паровых турбин при воздействии различных агентов

Коррозионный процесс происходит в результате комплексного воздействия химических, электрических и тепловых воздействий на металл в местах удара капель, струй жидкости и частичек твердого аэрозоля. По данным [44], коррозия оказывает значительное влияние на протекание эрозионных процессов, поэтому на классификационной схеме она может быть связана с гидроабразивной, механической, капельной и струйной эрозией.
Химическое воздействие активизируется благодаря высоким давлениям и температурам в месте воздействия капли, струи или твердой частицы. Кроме активизации химических процессов, по мнению некоторых исследователей, в месте контакта возникают значительные разности потенциалов, приводящие к разрядным явлениям.
Механическая (ударная) эрозия происходит от воздействия твердых частиц, вызывающих на лопатках и других деталях турбины выбоины, выломы и царапины. Обычно интенсивные повреждения поверхности лопаточного аппарата происходят во время пускового периода. От монтажного твердого аэрозоля — грата, частиц окалины, продуктов коррозии, частиц металла — на поверхности лопаток, особенно первых ступеней, остаются оспеннообразные вмятины и выбоины (рис. 1.26). При дальнейшей эксплуатации механическая эрозия развивается от воздействия продуктов эрозии, растворимых и нерастворимых солевых частиц. Механическая эрозия происходит также от удара о поверхность деталей крупных капель, кусков жидкой пленки и струй жидкости. Явления, сопровождающие удар частиц жидкости о поверхность детали, очень сложны. При ударе частиц жидкости возникают переменные нагрузки поверхностного слоя металла. По сравнению с ударом жидкости о поверхность детали при смыкании кавитационной каверны капельный удар происходит на значительно большей площади воздействия, чем при кавитации.

Рис. 1.26. Механическая эрозия рабочих лопаток первой ступени ЧНД мощной паровой турбины (1000 ч)
Характер разрушений на поверхности мягких и твердых металлов различен. Различен также вид износа от капельного и струйного удара. В случае удара боковой поверхности струи о металл вид деформации металла различен в зависимости от гладкой или волнообразной поверхности струи.
Мягкая сталь (НВ 80) при ударе о боковую поверхность волнообразной высокоскоростной струи в местах впадин волн получает разрушение поверхности металла в виде бусовидных мелких оспин — кратеров с расположением дорожек поперек оси струи в обе стороны от оси. По бокам от оси воздействия струи в местах формирования волнообразных дорожек на поверхности образца из мягкого металла при многократном воздействии струи на образец из твердой стали (НВ 150) появляется выкрашивание металла. На микрошлифах сечений в области выкрашивания металла обнаруживается большое число идущих вглубь межкристаллических и внутрикристаллических трещин.
Конструкционные стали и чугуны, применяемые при изготовлении турбинных деталей, имеют кристаллическое строение. Их деформация при ударах капель или струй занимает промежуточное положение по виду топографии между деформацией мягких металлов и твердых аморфных тел. Она ближе к картине деформации аморфных тел. Большое влияние на топографию деформации стали оказывает структура поверхности металла, чистота обработки поверхности, ее механические свойства, твердость и наличие дефектов.
При ударе капли или струи на поверхности стального образца возникает круглое углубление, соответствующее диаметру капли или головной части струи. Центральная гладкая зона (исключая отдельные шероховатости по границам зерен) по периферии деформирована и переходит в кольцевую зону выступов и углублений. В этой зоне линии скольжения, границы зерен, двойникования и плоскости сдвига сильно деформированы. В многофазных сплавах сдвигу подвергается наиболее мягкая фаза. Исследования показывают, что первыми признаками эрозии конструкционных сталей является появление малых поверхностных повреждений металла. Непрерывно нарастая, они приводят к хрупкому трещинообразованию. С повышением предела текучести (или твердости) металла наблюдается снижение степени разрушения поверхности. По-видимому, повреждения происходят из-за местной текучести в слабых местах, т. е. имеющих пороки в поверхностном слое. Наибольшая сопротивляемость эрозии была обнаружена у металлов с однородной совершенной микроструктурой. Такими сплавами, например, являются стеллиты — сплавы на кобальтовой основе. Они умеренно тверды и имеют некоторую долю пластичности. Их структура обычно характеризуется равномерным распределением твердой карбидной фазы в матрице с высокой механической прочностью.
Многократное воздействие капель и струй на поверхность твердого металла или сплава приводит к механическому ударному трещинообразованию. Трещины распространяются в глубь поверхности как по межкристаллитному веществу, так и по кристаллам. Происходит выламывание отдельных участков поверхности, т. е. развивается интенсивный эрозионный износ.
Гидро- или пароабразивная эрозия возникает под действием абразивного эффекта от твердого аэрозоля, транспортируемого через проточную часть турбины паровым или влажнопаровым потоком. За счет абразивного износа твердыми частицами происходит разрушение поверхности рабочих лопаток первых ступеней ЧВД и первых ступеней ЧСД после промперегрева (см. рис. 1.24). Следы гидроабразивного износа носят рабочие лопатки ступеней ЧНД в местах отбрасывания силами инерции пленок, струек и капель влаги, содержащих твердые абразивные частицы.
Гидроабразивному износу в виде вымытых бороздок подвержены неподвижные стальные и чугунные детали обойм, диафрагм и патрубков влажнопаровых частей турбины. Механизм гидроабразивного изнашивания очень сложен из-за дополнительных эффектов, обусловленных наличием жидкости. В конечном счете механизм изнашивания определяется сочетанием интенсивности механических факторов изнашивания от жидкости и абразивных частиц, а также химического фактора жидкой среды [29, 44].

Кавитационное изнашивание деталей влажнопаровых турбин происходит за счет процессов, протекающих при смыкании кавитационных каверн на поверхности детали. Образование каверн в жидкостном потоке происходит из-за слабых мест в жидкости, наличие которых обусловлено растворенными в воде газами, присутствием гидрофобных частичек твердого аэрозоля с порами, содержащими газы, или имеющих участки поверхности со слабым сцеплением с конденсатом [40]. Кавитационные каверны образуются также в центре некоторых растекающихся капель при ударе их о поверхность детали. Высказывается также ряд гипотез, объясняющих возможность образования слабых мест в жидкости, например за счет адсорбции ионов органических примесей на поверхности пузырька с образованием органического мономолекулярного слоя со слабым сцеплением с окружающей его жидкостью, и другие идеи.
При смыкании кавитационных каверн на обтекаемое твердое тело действуют импульсные воздействия. Физический механизм воздействия пока изучен недостаточно полно, однако выяснено, что при смыкании каверны возникает настолько большое давление на твердую поверхность, что под его воздействием происходит разрушение даже тщательно обработанной поверхности материалов, обладающих наивысшей твердостью (прочностью). В настоящее время для объяснения механизма изнашивания предложены две основные модели возникновения значительных импульсных воздействий. По первой при смыкании каверны струйка жидкости со значительной скоростью ударяет о поверхность металла [42], по второй — каверна смыкается на некотором расстоянии от поверхности детали и при этом генерирует ударную волну, взаимодействующую с поверхностью металла.
Образованные каверны могут быть заполнены водяным паром, газом или газопаровой смесью. Возникновение паровых каверн носит взрывной характер. Газовые каверны образуются медленно за счет диффузионного развития. По смыканию каверн с паром или газом различают газодинамическую паровую или газовую кавитацию [29].
По внешнему виду кавитационная эрозия чугунов и сталей весьма разнообразна. Изнашивающее действие кавитации заключается в постепенном износе металла, находящегося в зоне кавитации, в виде углублений на поверхности. Сначала с поверхности удаляются мелкие частицы металла. Изнашивание носит коррозионно-усталостный характер. Пластических деформаций не наблюдается. Первоначально появившиеся углубления сливаются между собой, и вся поверхность детали в зоне кавитации покрывается углублениями и трещинами беспорядочного характера.
По исследованиям [29], изнашивающее действие гидродинамической паровой и газовой кавитации в 5—8-й степенях зависит от скорости потока воды. Наибольшее значение степени соответствует меньшему периоду воздействия кавитации. Сильное влияние на кавитационный износ оказывает шероховатость поверхности. Например, при увеличении высоты неровностей с 5 мкм до 30 мкм износ увеличивается примерно в 10 раз. При дальнейшем увеличении шероховатости износ не меняется. С ростом температуры жидкости в пределах 17—70° кавитационный износ образцов увеличивается. Износ деталей увеличивается также за счет увеличения скоростей втекания в каверны воды и увеличения удара ее о поверхность детали из-за уменьшения вязкости воды с ростом температуры.
Присутствие в струйно-капельном потоке абразивных частиц усиливает действие кавитации за счет образования слабых мест в жидкости на поверхности несмачиваемых частиц и из-за увеличения кумулятивного действия струек при смыкании каверн. Износ при совместном действии кавитации и абразивных частиц е увеличением содержания абразива в воде сначала уменьшается до минимальной величины, затем снова возрастает. Это явление объясняется снятием поверхностного слоя с микротрещинами в процессе гидроабразивного изнашивания. Дальнейшее увеличение трещин из-за кавитации приводит к износу за счет выламывания и вымывания частиц металла. С момента повышения скорости абразивного изнашивания над скоростью от кавитационного изнашивания общий износ возрастает. Интенсивность абразивно-кавитационного изнашивания сталей в значительной степени зависит от доли содержания абразива в воде. Кавитационные изъязвления выглядят более сглаженными за счет воздействия частиц аэрозоля [29].
При внешнем визуальном осмотре деталей турбин, имевших следы эрозии различных видов, можно условно различить эрозию по интенсивности и внешнему виду: на точечную — отдельные мелкие кратеры; бороздчато-штриховую — отдельные штриховые вытянутые кратеры; оспенную — от удара отдельных твердых частиц; оспенно-кратерную — отдельные более крупные кратеры; волнообразно-бороздчатую — на боковых поверхностях обойм, дисков рабочих колес; грядообразно-бороздчатую — на выходных кромках рабочих лопаток последней ступени ЧНД; глубокократерную — на входных кромках рабочих лопаток, балансировочных грузах, ободе диафрагм ЧНД; губчато-кратерную от кавитационного воздействия; поверхностно гладкоабразивную — от газоабразивного воздействия. Еще раз подчеркнем условность различия отдельных названных видов эрозии, так как характер и степень величины износа во многом зависят не только от воздействующей среды, но и от состояния поверхностного слоя металла изнашиваемой детали (марки металла, его термообработки, режимов обработки, металлографической структуры и пр.).

По интенсивности износа можно различить слабую, умеренную, повышенную, сильную и весьма сильную эрозию. Слабая эрозия — отдельные точечные, оспенные, мелкократерные изъязвления. Умеренная — износ поверхности детали без заметного изменения конфигурации или контуров ее поверхности. Повышенная — износ детали с заметным изменением ее контуров, например небольшое уменьшение хорды профиля рабочей лопатки, изменение формы профиля направляющей лопатки, изменение формы обводов диафрагмы и т. д. Сильная — значительное изменение формы и конфигурации детали за счет эрозии, при котором ставится под сомнение надежность работы изношенной детали. Весьма сильная — износ, при котором дальнейшая эксплуатация турбины опасна.
В заключение по материалам данной главы следует отметить, что результаты обследования многочисленных эксплуатируемых турбин выявили наличие эрозии всех деталей турбины, омываемых паровым потоком. Из-за износа в проточную часть постоянно поступают продукты износа в виде твердых частиц различной дисперсности. Твердые частицы поступают также из парогенератора, системы РППВ и паропроводов. Несмотря на повышенные требования к чистоте пара в АПТУ за счет коррозии и эрозии пароводяного тракта в проточную часть атомной турбины вносится значительное количество твердых частиц. Присутствие твердого аэрозоля в паре усиливает действие капельной влаги на проточную часть турбины.
До недавнего времени абразивный износ в турбинах не принимался во внимание. Только в связи с весьма сильным износом рабочих лопаток регулировочных ступеней мощных турбин, работавших на паре от прямоточных котлов, было обращено внимание на этот вид абразивного износа. Однако гидро- и пароабразивное изнашивания остальных ступеней и других деталей проточной части в настоящее время явно недооцениваются.
Эрозия, кроме рабочих лопаток ЧНД, проявляется на внутренних поверхностях корпусов, обойм, валов, дисков, уплотнительных поверхностей и других элементов проточной части, омываемых влажным паром. Защита от эрозии в основном применяется для рабочих лопаток. В последнее время начинают применять покрытия из хромистой стали деталей статорной части турбин АПТУ, подверженных эрозионному износу. Разъемы корпусов навариваются защитными покрытиями. Обоймы и диафрагмы ВП части турбин выполняются стальными. Однако ряд ответственных деталей, например полотна дисков рабочих колес ВП ступеней, хвостовики и замки рабочих лопаток, головки заклепок, выходные кромки рабочих лопаток последней ступени ЧНД и другие вращающиеся детали, не имеет защиты от эрозии.
Эрозия деталей турбин определяется очень многими факторами. От предварительной оценки капельной и струйной эрозии деталей ВП части турбин в известной степени зависят такие определяющие размеры турбины величины, как разделительное давление, температура промперегрева, числа оборотов роторов, выбор размера ступеней. Эрозионная надежность ВП проточной части может стать серьезной проблемой для развития атомного турбостроения. Для ее решения в турбинах нужен комплексный подход и совместное решение аэродинамических, гидродинамических, теплофизических, металловедческих, прочностных вопросов. При постановке задач по аспектам эрозионной надежности турбин немаловажную роль играет статистический подход к выявлению мест эрозии эксплуатируемых деталей. С помощью статистического подхода к выявлению закономерностей эрозионных износов, опирающегося на физические исследования процессов эрозии, можно решить весьма актуальную проблему надежности паровых турбин.