Надежность металла корпусных деталей турбин ПВК-200-130 ЛМ3

Эксплуатационная надежность металла корпусных деталей турбин ПВК-200-130 ЛМ3

Гофман Ю. М., Филиппов А. М.

В процессе длительной эксплуатации в литых корпусных деталях турбин происходит образование дефектов - трещин. Этому способствуют особенности технологии изготовления, наличие структурной и механической неоднородности, наличие технологических литейных дефектов [1,2]. Причины образования трещин, кинетика их развития, факторы, влияющие на повреждаемость отливок деталей корпусов, на сегодняшний день изучены еще недостаточно. Представляло интерес на основе анализа повреждаемости ряда турбин ПВК-200-130 производства ЛМЗ определить общие закономерности в образовании и развитии дефектов, изучить структурные изменения в металле и механические характеристики длительно работающей стали на различных стадиях эксплуатации и разработать методы устранения дефектов. Отдельно рассмотрены причины трещинообразования на примере некоторых корпусных деталей.
Для исследования выбраны пять турбин (№7-11, условное обозначение № 1 - 5 по порядку) блоков 200 МВт Верхнетагильской ГРЭС. Для выявления дефектов наружная и внутренняя поверхности корпусов ЦВД и ЦСД контролировались во время каждого капремонта визуально и с помощью МПД. При исследовании металла корпусных деталей применялись методики оптической и электронной микроскопии, проводилось определение механических свойств на пятикратных цилиндрических разрывных образцах по ГОСТ 1497. Для металлографических исследований использовался микроскоп МИМ-8, для изучения тонкой структуры применялся микроскоп УЭМВ-100К. Фольга готовилась следующим образом: после механического утонения проводилось химическое травление в реактиве состава (в миллилитрах): Н202 400, HF 25 и Н2О 75. Окончательное утонение проводилось в электролите состава: 100 мл хромового ангидрида, 540 мл уксусной кислоты и 28 мл Н2О. Для измерений твердости использовался стационарный прибор Бриннеля, замеры проводились шариком диаметром 5 мм при нагрузке 150 кг с выдержкой 30 с по ГОСТ 9012. Оценка сопротивляемости металла развитию трещин осуществлялась по методике ВТИ, согласно которой испытывались ударные образцы с двумя надрезами и определялось критическое раскрытие трещины при рабочей температуре. Твердость по Бриннелю при рабочей температуре измерялась при нагрузке 7500 Н, шарик диаметром 5 мм, выдержка 30 с.
Анализ повреждаемости корпусных деталей показал, что впервые трещины были обнаружены после 20 - 30 тыс. ч эксплуатации. Места расположения трещин не имели четкой закономерности. Глубина выборок находилась в достаточно широких пределах: от 10 до 120 мм. Наиболее глубокие выборки были заварены. После 40 - 60 тыс. ч эксплуатации на всех проверенных корпусах ЦВД трещины выявляли в тех же районах. Трещины выявляли на радиусных переходах преимущественно на наружной поверхности отливок. С увеличением срока эксплуатации до 100 тыс. ч образование трещин происходило аналогичным образом, число выявляемых трещин значительно увеличилось. Трещины располагались на внутренней поверхности в районе старых заварок и ближе к выхлопной части. На самих ремонтных заварках и по линии сплавления дефектов обнаружено не было. На наружной поверхности образование трещин было отмечено на радиусных переходах к патрубкам отборов и в районе выхлопной части.
Некоторые изменения в характере повреждаемости корпусных деталей произошли после наработки 90-120 тыс. ч: были обнаружены дефекты на фланцах цилиндров на перемычках между отверстиями шпилек. Исследования, выполненные на вырезанных образцах после замены корпуса ЦВД, показали, что дефекты являются протяженной литейной пористостью. Пористость имеет вид разветвленных скоплений мелких и крупных несплошностей, заполненных окислами.
После эксплуатации в течение 150 - 170 тыс. ч трещины обнаруживали на радиусных переходах к регулирующим клапанам и штуцерам отборов. Глубина выборок достигала 70 - 90 мм. При этом процесс трещинообразования на внутренней поверхности получил дальнейшее развитие. Так, на корпусе ЦСД одной из турбин глубина выборок изнутри в районе первой ступени ротора достигала 70 - 90 мм. Число трещин, выявленное при различных сроках наработки на корпусах ЦВД и ЦСД, приведено в табл. 1.
Данные о числе пусков турбин в зависимости от срока наработки приведены далее.

Наибольшее число трещин было обнаружено на корпусах турбин № 1 и 2. Эти же турбины имели при 170 тыс. ч эксплуатации наибольшее число пусков. Из табл. 1 видно, что образование трещин на разных турбинах происходило после различных сроков эксплуатации. Прослеживается тенденция увеличения общего числа трещин от времени эксплуатации. На некоторых деталях трещин не было выявлено совсем.
Существенные изменения в характере повреждаемости выявлены после обследования корпусов турбин, наработавших свыше 180 тыс. ч. К ним можно отнести образование трещин, идущих от фланцевого разъема во входные патрубки боковых регулирующих клапанов в районе паровпусков. Конструктивные особенности корпусов не позволяют произвести полную выборку таких дефектов. К этому следует добавить, что увеличилось общее число трещин, выявленных на наружной и внутренней поверхности.
В ходе эксплуатации в соответствии с действующими инструкциями проводился металлографический анализ структуры металла. Описание характера структуры отдельных корпусных деталей приведено в табл. 2.
При наработке до 100 тыс. ч корпуса и крышки ЦВД и ЦСД имели различные структуры: ферритокарбидную, феррито-бейнитную и бейнитную. С увеличением времени наработки до 140-170 тыс. ч структура всех исследованных корпусных деталей становится примерно одинаковой: ферритокарбидной с большим количеством карбидов в теле ферритных зерен. Имеются выделения крупных карбидов по границам ферритных зерен. В структуре металла некоторых корпусов отмечается наличие бейнитных участков.
Тонкая структура стали исследовалась на вырезках, сделанных из корпусов ЦВД турбин № 1, 2, 5. Установлено, что в ферритных зернах имеет место высокая плотность дислокаций. Дислокации образуют сложные переплетения и ячеистую структуру. Границы ячеек широкие, на них наблюдаются выделения дисперсных округлых карбидов VC. Такие карбиды встречаются также и в свободных от дислокаций участках феррита. Наряду с этими карбидами, в феррите встречаются карбиды в виде толстых стержней и больших округлых частиц, а также небольшое число карбидов М02С. По границам зерен обнаружены крупные карбиды Ме23С6.

Таблица 2

Таблица 1

В процессе эксплуатации накоплена небольшая повреждаемость в виде микропор размером порядка 0,1 мкм, расположенных по границам ферритных зерен. Дислокационная структура и повреждаемость соответствуют середине фазы установившейся ползучести.

Рис. 1. Эскиз места расположения трещин на корпусе ЦСД