Жученко Л. А., Кортенко В. В., Сахнин Ю. А., Ермолаев В. В.
Парковый ресурс паровых турбин устанавливается исходя из ресурса высокотемпературных узлов части высокого давления (ЧВД), а для турбин с промперегревом и части среднего давления (ЧСД). Сведения о ресурсе остальных деталей турбин не указаны в нормативной документации и не оговариваются в технических условиях на поставку турбин, в результате чего может сложиться ошибочное мнение, что этот ресурс безграничен.
В действительности, дело в том, что ресурс деталей паровых турбин, в частности, рабочих лопаток (РЛ) и дисков, не может быть определен однозначно, так как существует множество факторов, в том числе случайных, влияющих на него, связанных с эксплуатацией и ремонтом конкретных турбоагрегатов. Поэтому заводы-изготовители, отраслевые научно-исследовательские институты, специализированные ремонтные организации постоянно работают над внедрением комплексных мероприятий, обеспечивающих надежную работу турбины в течение всего назначенного срока.
Зачастую в эксплуатации не обращается внимание на ряд факторов, снижающих ресурс РЛ и дисков, несмотря на то, что практически все они учтены в существующей нормативной документации, регламентирующей требования к эксплуатации, ремонту и контролю, поэтому необходимо рассмотреть подробнее причины их возникновения и влияние их на ресурс и надежность РЛ и дисков паровых турбин.
Рис. 1. Снятие слоя металла с накопленной поврежденностью с обода диска
Усталостные повреждения.
В турбине при эксплуатации из-за наличия неравномерности потока всегда имеются вынуждающие силы, вызывающие колебания РЛ. Вследствие колебаний РЛ в них возникают динамические напряжения, способствующие накоплению усталости, и при определенных условиях приводящие к усталостному разрушению РЛ и дисков. Уровень динамических напряжений зависит от режима эксплуатации и конструктивных особенностей проточной части. Для РЛ последних ступеней ЧНД основную роль играет такой эксплуатационный параметр, как давление в конденсаторе, который определяет интенсивность колебаний РЛ. В околоотборных ступенях дополнительные вынуждающие силы возникают из-за значительной стационарной неравномерности потока, вследствие наличия камер отборов и аэродинамического несовершенства их конструкции. В зоне фазового перехода лопатки получают дополнительное динамическое воздействие вследствие того, что конденсация пара происходит не одновременно во всем объеме, что увеличивает неравномерность поля давления в ступени.
Механические повреждения.
Наиболее распространенными и почти независящими от места расположения ступени в турбине повреждениями являются случайные механические повреждения, которые, естественно, чаще наблюдаются на РЛ, чем на дисках. Случайными эти повреждения можно считать лишь относительно, так как они могут быть обусловлены не только инородными предметами, случайно попавшими в проточную часть после ремонта, но и частями разрушившихся при эксплуатации деталей, расположенных перед данной ступенью. Типичные механические повреждения представляют собой либо забоины, которые могут быть расположены на любом участке лопатки, включая кромки, либо деформацию всего профиля, кромок или верхнего торца лопатки. Особенно опасны острые забоины, расположенные на кромках, так как в зависимости от их размеров коэффициент концентрации напряжений может быть велик, а расположение их в месте максимальных напряжений в лопатке может привести в дальнейшем к ее разрушению.
Коррозионные повреждения.
Коррозионные повреждения наблюдаются во всех типах турбин, и связаны с тем, что в паровой среде всегда содержатся коррозионно-активные вещества, а от их количества зависит лишь скорость развития повреждений. Эти повреждения можно подразделить на несколько видов: коррозионное растрескивание под напряжением, коррозионно-усталостное разрушение, питтинговая и язвенная коррозии.
Коррозионному растрескиванию под напряжением в основном подвержены РЛ и диски, расположенные в зоне фазового перехода, т.е. там, где в паре начинает образовываться жидкая фаза и происходит ее осаждение на поверхности в виде пленки. Поскольку непосредственно момент образования влаги не является постоянно привязанным к какой-то ступени, а в зависимости от параметров смещается вверх или вниз по проточной части, то в образовавшейся пленке при повышении температуры происходит увеличение концентрации коррозионно-активных веществ. Последние, скапливаясь в неровностях, которые всегда имеются на поверхностях, под действием статических напряжений вызывают растрескивание металла.
Коррозионно-усталостное разрушение связано с воздействием динамических сил, а коррозионноактивные вещества, попав в появившуюся микротрещину, ускоряют ее развитие, причем, процесс этот идет постоянно. Вследствие этого, усталостные кривые, полученные при испытаниях в коррозионной среде, отличаются от полученных при испытаниях на воздухе тем, что у них отсутствует прямой участок, параллельный оси абсцисс [1]. Это означает, что рано или поздно разрушение детали произойдет обязательно, а время до разрушения зависит от концентрации коррозионно-активных веществ и уровня динамических напряжений в детали.
Коррозионные повреждения в виде питтингов и язв являются концентраторами напряжений и в зависимости от их размера, числа и места расположения могут привести к разрушению РЛ и дисков. Образование их в процессе эксплуатации происходит на ступенях, расположенных в зоне фазового перехода и реже в зоне влажного пара. При простоях турбины питтинги и язвы могут образовываться по всей проточной части турбины, наиболее интенсивны вблизи отборов, дренажей и запорной арматуры и являются следствием конденсации пара на поверхности проточной части неработающей турбины.
Эрозионные повреждения.
Рабочие лопатки ЧНД (в большей степени последней ступени) подвержены эрозионному износу входных кромок. Износ входных кромок связан с наличием процессной влаги и часто усугубляется сниженной по условиям котла температурой свежего пара при сохранении расчетного начального давления.
Рис. 2. Снятие слоя металла с накопленной поврежденностью с рабочих лопаток
Эрозия выходных кромок связана с подсосом влаги из конденсатора и развивается, как правило, от корня лопатки. Эрозионные повреждения, особенно в виде сквозных промывов, служат концентраторами напряжений и могут привести к усталостному разрушению РЛ. Проведенные усталостные испытания на образцах из лопаток 31 и 40 ступеней турбины Т-250/300-240 и на натурных лопатках 25 ступени Т-100/120-130 показали, что эрозионный износ может снизить предел усталости лопаток в 2 раза, в зависимости от степени износа, по сравнению с новыми лопатками.
Качество облопачивания.
Вибрационная надежность рабочих колес в значительной степени связана с качеством облопачивания. При облопачивании необходимо строго соблюдать требования сборочных чертежей завода-изготовителя, в которых указаны необходимые натяги и зазоры, требования по подгонке лопаток, требования к установке бандажей и проволочных связей. Опыт показывает, что установленные с отступлениями от требований чертежа связи могут привести к усталостному разрушению лопаток [2].
Рассмотрев типовые повреждения элементов проточной части, определим возможные варианты восстановления их работоспособности, обеспечивающие дальнейшую надежную эксплуатацию. Вариант замены поврежденной детали на новую, казалось бы, самый надежный, часто является неоптимальным не только по финансовым соображениям и срокам работ, но и представляет собой значительные технические трудности и ведет к уменьшению ресурса сопрягаемых деталей. Например, при замене РЛ с вильчатыми хвостовиками уменьшается ресурс и рабочего колеса, определяемый предельно допустимыми размерами отверстий под заклепки. В связи с этим, в настоящее время большое внимание уделяется разработке методик восстановления ресурса поврежденных деталей турбин.
Поскольку развитие макроповреждений происходит не сразу, ему предшествует длительный процесс накопления микроповреждений, возникает естественное предположение о том, что периодическое удаление поверхностного слоя с накопленной поврежденностью должно продлевать ресурс металла. В [3] были приведены исследования по определению необходимых периодичности и толщины удаляемого металла на дисках, работающих в зоне фазового перехода. Рекомендуемые авторами периодичность в среднем 70 тыс. ч и толщина слоя 0,1 - 0,5 мм должны корректироваться для конкретных условий.
Богатый опыт ремонтной практики, накопленный различными организациями, показывает, что значительное число повреждений дисков в зоне фазового перехода происходит на ободе в зоне заклепочных отверстий. Кроме того, что провести качественный контроль вокруг заклепок по традиционной технологии невозможно, так как расклепанная головка шипа закрывает не только одномиллиметровую фаску, но и до 1 мм прямой поверхности обода (рис. 1). Таким образом, трещины размером до 2 мм обнаружить крайне сложно.
Наиболее распространенными методами контроля на сегодняшний день являются метод порошковой дефектоскопии (МПД) и цветная дефектоскопия (ЦД), которые требуют соответствующей подготовки поверхности, а выполнить это условие в непосредственной близости к заклепкам практически невозможно. Значит, зона необнаружения дефектов еще увеличивается. Поэтому на ТМЗ была разработана следующая методика проведения работ.
Первоначально обод диска протачивается по 0,2 - 0,3 мм на сторону (рис. 1), при этом выступающая часть заклепок срезается заподлицо. Этим достигаются сразу две цели: открывается доступ для качественного контроля и снимается поверхностный слой с накопленной поврежденностью. Если при этом обнаруживаются трещины от заклепочных отверстий, решение принимается индивидуально по каждой трещине. Все заклепки на колесе удаляются, отверстия разворачиваются на 0,2 - 0,4 мм, осматриваются и производится установка новых заклепок.
Таким образом, снимается слой металла с накопленной поврежденностью и на диске, и на хвостовиках лопаток. Такой подход уже не один раз подтвердил свою эффективность. Например, на диске 21 ступени турбины Т-100/120-130 при контроле на Челябинской ТЭЦ было обнаружено 10 трещин от заклепочных отверстий. При контроле по указанной методике было обнаружено 37 трещин.
Большое внимание на ТМЗ уже в течение длительного времени уделяется проблеме восстановления эродированных РЛ. На настоящее время имеются опубликованные сведения о нескольких видах технологий восстановления эродированных входных кромок РЛ части низкого давления. Первая в нашей стране технология восстановления [4] была разработана сотрудниками ХПИ и Турбоатома (ХТЗ), что является вполне закономерным, так как на лопатках турбин этого завода традиционно в качестве эрозионной защиты используется электроискровое упрочнение, которое, как показали исследования [5], обладает более низкой эрозионной стойкостью, чем защитные пластины из стеллита, устанавливаемые на лопатки другими турбинными заводами.
Большая работа по разработке и опробованию сварочных технологий была проведена НПО ЦКТИ совместно с ЛМЗ и ТМЗ в 80-е годы [5, 6]. На основании опытной технологии ТМЗ в АО Теплоэнергосервис была создана и согласована в РАО “ЕЭС России” серийная технология промышленного восстановления рабочих лопаток ЧНД, имеющих эрозионные повреждения (в период с 1993 по 1999 г. восстановлено 170 комплектов рабочих лопаток). В Мосэнерго на базе ЦРМЗ внедрена технология восстановления РЛ, разработанная ВТИ совместно с ЦРМЗ [7].
Необходимо отметить, что существующие технологии, кроме используемых ТМЗ и АО Теплоэнергосервис, имеют одно общее качество: все они направлены на восстановление изношенной входной кромки и не предусматривают восстановление ресурса лопатки в целом.
На ТМЗ в настоящее время идет процесс дальнейшей отработки и совершенствования технологии восстановительного ремонта РЛ. В процессе отработки технологии разработана конструкторская документация, содержащая следующие требования к ремонту, обеспечивающие восстановление ресурса всей лопатки в целом и гарантирующие надежность дальнейшей эксплуатации отремонтированных лопаток:
анализ эксплуатационных режимов и истории комплекта лопаток;
дефектация комплекта лопаток; входной контроль;
восстановление геометрии входной кромки в зоне защиты;
восстановление противоэрозионной защиты; снятие слоя металла с накопленной поврежденностью с выходной кромки по всей высоте РЛ и с входной - от корня до зоны ремонта (рис. 2);
опиловка входных и выходных кромок, имеющих сквозные промывы;
контроль входных и выходных кромок и отверстий под демпферные связи на отсутствие трещин;
выведение всех механических повреждений, контроль мест ремонта;
контроль собственных частот колебаний РЛ; усталостные испытания на образцах из лопаток до восстановления и после восстановления;
нанесение износостойких покрытий на входные и выходные кромки лопаток.
Усталостные испытания проводятся при восстановлении с разлопачиванием на образцах, вырезанных из лопаток в зонах, наиболее повреждаемых для каждого типа лопаток. Испытания проводятся в 2 этапа: на образцах из лопаток после эксплуатации (две-три лопатки из комплекта, поступившего на восстановление) и на образцах из лопаток восстановленных (одна-две лопатки). Результаты испытаний сравниваются с пределом усталости образцов из новых лопаток.
Необходимо добавить, что восстановление ресурса лопаток снятием слоя металла с накопленной усталостью используется нами на практике для любых ступеней в зависимости от наработки, наличия повреждений лопаток и связей, статистики повреждения данной ступени.
Выводы
- Ресурс РЛ, дисков ЧСД и ЧНД паровых турбин не может быть определен достоверно расчетными методами, является индивидуальным для каждой конкретной турбины и зависит от условий ее эксплуатации и качества проводимых ремонтов.
- В связи со снижением качества эксплуатации и ремонтов турбинного оборудования в настоящее время все чаще проявляются факторы, снижающие надежность и ресурс РЛ и дисков, поэтому разработка и совершенствование методик восстановления ресурса РЛ и дисков является актуальной задачей.
- При восстановлении ресурса РЛ и дисков необходимо применение комплексных технологий, учитывающих возможность восстановления всех необходимых характеристик детали.
Список литературы
- Михайлов-Михеев П. Б. Справочник по металлическим материалам турбино- и моторостроения. М. - Л.: Машгиз, 1961.
- Жученко Л. А., Ермолаев В. В., Билан В. Н. Анализ повреждений проволочных демпферных связей, устанавливаемых на рабочие колеса паровых турбин. Совершенствование турбин и турбинного оборудования. Екатеринбург: Тр. УГТУ, 2000.
- Восстановление живучести турбинных дисков путем периодического удаления поврежденного слоя металла / Суворов Д. М., Лихачев В. А, Израилев Ю. Л., Гуторов В. Ф.- Электрические станции, 1992, № 9.
- Конструктивная прочность рабочих лопаток паровых турбин, восстановленных наплавкой и термической обработкой / Тананко И. А., Погребной Н. А. и др. - Энергомашиностроение, 1981, № 5.
- Гонсеровский Ф. Г Упрочнение и ремонт стальных паротурбинных рабочих лопаток после эрозионного износа. - Электрические станции, 1988, № 8.
- Гонсеровский Ф. Г. Семнадцатилетний опыт эксплуатации лопаток паровых турбин после ремонта с применением сварки. - Теплоэнергетика, 2000, № 4.
- Технология ремонта рабочих лопаток паровых турбин / Хромченко Ф. А, Комаров В. А., Карев А. Н., Должанский П. Р. - Сварочное производство, 1999, № 4.
