В процессе эксплуатации турбин для определения механических свойств были сделаны вырезки из отдельных корпусных деталей для исследования. По данным механических испытаний прочностные характеристики, ударная вязкость и твердость металла некоторых корпусных деталей не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к металлу в состоянии поставки. Результаты определения механических свойств металла корпусов ЦВД четырех турбин после 150 000 ч эксплуатации приведены далее.
По РД 34.17.440-96: σ0,2 > 260 МПа; НВ > 145; KCU > 300 кДж/м2.
Разница в механических свойствах, определенных на корпусных деталях, связана, очевидно, с неоднородностью структуры и свойств в различных сечениях крупных отливок.
В период с 1988 по 1995 г. произведена замена цилиндров высокого и среднего давления трех турбин с наибольшим количеством выявленных дефектов и максимальным числом пусков. К моменту замены турбины отработали 220 - 235 тыс. ч и имели 700 пусков.
Корпуса ЦСД, вновь установленные вместо замененных, отличались конструкцией паровпусков. Толщина стенки корпуса отливки в районе паровпуска между паровпускным патрубком и отверстием под шпильку не превышает 50 мм, толщина стенки корпуса в месте крепления направляющего аппарата - 40 мм. На одной из замененных турбин на внутренней поверхности крышки ЦСД глубокая трещина была выявлена после наработки 64 тыс. ч и 125 пусков. Трещина находилась на стенке паровпуска со стороны стенки корпуса и имела выход на поверхность разъема. На другой турбине, отработавшей порядка 30 тыс. ч и 120 пусков, трещина была выявлена на стенке паровпуска от разъема вниз со стороны внутренней поверхности. Быстрое образование трещин в обоих случаях было связано с недостаточной конструктивной прочностью корпусов цилиндров в районе паровпуска.
Таким образом, можно заключить:
- На корпусных деталях в ходе эксплуатации образование трещин происходит уже после 20 - 30 тыс. ч.
Повреждаемость каждой турбины индивидуальна, что связано с исходным состоянием структуры стали. С увеличением времени наработки число выявляемых трещин увеличивается.
- За время эксплуатации было заварено около 220 выборок, глубина которых превышала 10% толщины стенки. Заварки выборок производились аустенитными электродами. При последующем контроле трещин на заварках не обнаруживали.
- На отдельных корпусных деталях при наработке свыше 180 тыс. ч обнаружено образование дефектов, которые невозможно удалить полностью из-за конструктивных особенностей отливок. Так, на корпусе ЦВД турбины № 1 на внутренней поверхности были выявлены трещины, распространяющиеся от фланцевого разъема во входные патрубки боковых регулирующих клапанов. Произвести полную выборку трещин на внутренней поверхности паровпускных патрубков не представлялось возможным. Корпус ЦВД турбины № 1 был заменен после 200 тыс. ч эксплуатации.
- Причиной образования наиболее существенных дефектов на внутренней поверхности в районе паровпусков является совместное воздействие механизмов ползучести и циклической усталости. На вновь установленных турбинах образование трещин было отмечено после 30 тыс. ч эксплуатации. Наиболее вероятной причиной трещинообразования является недостаточная конструктивная прочность корпусных деталей в районах паровпусков из-за уменьшения толщины стенки практически в 2 раза.
- Оценка состояния металла показала, что металл корпусов после длительной эксплуатации имеет ферритокарбидную или феррито-бейнитную структуру. Предел прочности, определенный на вырезанных образцах, составляет 420 - 510 МПа, предел текучести 250 - 390 МПа при требовании по РД σ0,2 > 260 МПа. Пластические свойства металла высокие. Ударная вязкость двух из четырех испытанных корпусов ниже требований РД (300 кДж/м2). По данным электронно-микроскопических исследований в процессе эксплуатации накоплена небольшая повреждаемость в виде отдельных микропор размером 0,1 мкм, расположенных по границам ферритных зерен, что соответствует середине фазы установившейся ползучести.
Проведенный анализ показал, что корпусные детали могут надежно эксплуатироваться при условии выполнения комплекса мероприятий по контролю металла, предусмотренного действующими РД. Замена литых деталей должна производиться при следующих условиях:
образование трещин в таких местах, где невозможно полное их удаление;
образование дефектов в районе паровпусков, вызванных исчерпанием ресурса металла отливок.
Список литературы
- Вайнман А. Б., Мартынова О. И. Новгородцева Л. Б. Исследование механизма образования трещин в литых корпусах паровых турбин высокого давления. - Теплоэнергетика, 1998, №8.
- Березина Т. Г. Разрушение литых корпусных деталей турбин из сталей 20ХМЛ и 15Х1М1ФЛ. - В кн.: Изменения структуры, свойств и накопление поврежденности при ползучести в теплоустойчивых сталях.
