Живучесть паропроводов стареющих ТЭС - Детали затвора и регулирующего органа

Детали затвора (тарелки, седла) и регулирующего органа
Детали затвора и регулирующего органа — наиболее ответственные узлы арматуры, определяющие ее эксплуатационную надежность. Исходя из условий работы арматуры ТЭС, материалы уплотнительных поверхностей деталей затворов должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. быть стойкими против эрозионного разрушения в условиях щелевого и ударного воздействий потока среды и иметь эрозионную стойкость не ниже стойкости аустенитной стали типа 12Х18Н10Т;
2. обладать высокой стойкостью против задирания поверхности контакта при возникновении в рабочих условиях удельных нагрузок в пределах 60-150 МПа, определяемых выбранными материалами, типоразмерами и конструктивными особенностями арматуры;
3. иметь твердость уплотнительной поверхности 38-48 HRC при 20 °C и 35-45 HRC при рабочих температурах;
4. обладать минимальным коэффициентом трения между уплотнительными элементами;
5. быть стойкими против общей коррозии в рабочих условиях на уровне коррозионной стойкости стали 12Х18Н10Т;
6. обладать стойкостью против межкристаллитной коррозии;
7. иметь высокую стойкость против «схватывания» при закрытом положении затвора в рабочих условиях;
8. сохранять структурную стабильность в процессе длительной выдержки (не менее 10 000 ч) при рабочих температурах;
9. иметь хорошие технологические свойства при механической обработке и шероховатость уплотнительной поверхности не ниже Ra = 0,16 мкм.

В основе выбора должна лежать возможность максимального использования тех свойств материалов, которые для затворов данной конструкции арматуры и конкретных условий их работы являются наиболее важными. Одновременно необходимо учитывать экономические и технологические показатели применяемых материалов и способы изготовления уплотнительных элементов.
В настоящее время основной способ изготовления уплотнительных поверхностей деталей затвора — наплавка твердыми сплавами. В зависимости от условий работы арматуры (в запорной — стойкость против образования задиров и схватывания между уплотнительными парами, в регулирующей — стойкость против ударной и щелевой эрозии, в предохранительной — стойкость против термоциклических нагрузок и т.п.) применяются следующие марки электродов: ЦН-6 (модификации ЦН-6М и ЦН-6Л) типа ЭН-0Х17Н7С5Г2-30, ЦН-12 (модификация ЦН-12М) типа ЭН-1Х16Н8М6С5Г4 и ЦН-2 типа ЭН-У18К62Х30В5С2-40 по ГОСТ 10051-75.
За рубежом для наплавки уплотнительных поверхностей применяют в основном стеллиты, содержащие до 60% кобальта. Отечественными аналогами кобальтовых стеллитов являются электроды ЦН-2 (ГОСТ 10051-75) — при наплавке ручным дуговым способом и сплав ПР-ВЗК (ГОСТ 21449-75) — при газовой наплавке.
С освоением технологии плазменно-дугового процесса для наплавки уплотнительных поверхностей седел и тарелок запорных задвижек ЧЗЭМ начал применять в виде гранулированных порошков сплавы на основе никеля, легированные кремнием и бором ПГ-ХН80СР2 и ХН80СРЗ (ГОСТ 21448-75). Химический состав и твердость уплотнительных поверхностей деталей затвора, наплавленных указанными выше материалами, приведены в табл. 1.25.
Из наплавочных износостойких материалов наибольшее распространение при производстве и ремонте арматуры получили электроды ЦН-6Л. Сплав 0Х17Н8С6Г, получаемый при наплавке этими электродами, технологичен, имеет малую склонность к растрескиванию в процессе наплавки и при резких изменениях температуры в процессе эксплуатации. При температурах около 500 °C и выше 600 °C он термически упрочняется, повышая твердость выше нормируемого предела. Это свойство наплавленного металла положительно влияет на его противозадирную стойкость при сухом трении.

Таблица 1.25. Материалы уплотнительных поверхностей арматуры

Т*макс — предельная максимальная температура среды.

При наплавке уплотнительных поверхностей электродами ЦН-12М получается сплав типа 13Х16Н8М6С5Г4Б. Наплавку этими электродами проводят с предварительным и сопутствующим подогревом до 500 °C. Сразу после наплавки проводят отпуск в течение 1 ч (при 700-900 °C — для перлитных сталей и при 800-900 °C — для аустенитных сталей) с последующим замедленным охлаждением. Наплавленный металл обладает высокой твердостью при рабочих температурах и устойчивостью против общей и межкристаллитной коррозии применительно к условиям работы пароводяной арматуры. Однако электроды ЦН-12М менее технологичны, чем ЦН-6Л, поскольку наплавленный сплав имеет склонность к растрескиванию и пониженную термостойкость.
Коррозионная и эрозионная стойкость относительно стойкости металла стали 12Х18Н10Т уплотнительной поверхности, наплавленной электродами ЦН-6Л, равна 0,9, электродами ЦН-12 — 1,01, электродами ЦН-2 — 1,44 и порошком ХН80СРЗ — 4,5.
В условиях периодических теплосмен (нестационарный режим работы) трещины образуются в сплавах ЦН-12М через 25 теплосмен, ЦН-2 — через 750, ЦН-6Л — через 1000, Х80СРЗ — через 1250 теплосмен. Трещины образуются, преимущественно, в зоне сплавления, переходя в наплавленный металл.
Для устранения коробления уплотнительных поверхностей в процессе эксплуатации необходимо, чтобы коэффициенты линейного расширения наплавленного слоя и основного металла были близкими по значению. Для этого при наплавке углеродистых и перлитных сталей необходимо наплавлять подслой аустенитными электродами ЭА-395/9.

Таблица 1.26. Данные для оценки эрозионной стойкости материалов деталей проточной части регулирующих органов

При выборе материалов для уплотнительных поверхностей затворов, штоков и других элементов арматуры, работающих в условиях скоростного потока среды, необходимо пользоваться экспериментальными данными по их относительной эрозионной стойкости.
Коэффициент эрозионной стойкости Kh определяют как отношение усредненных значений глубины эрозионного износа образцов из исследуемых материалов и эталонных образцов из стали 0Х18Н10Т, уровень эрозионной стойкости которой в отечественном энергетическом арматуростроении принят за единицу. Значения Kh для некоторых сталей и наплавочных сплавов, применяемых для изготовления деталей проточной части дроссельно-регулирующей арматуры, приведены в табл. 1.26 [141].
Рекомендуемые в [77] требуемые значения относительной эрозионной стойкости материалов при непрерывном ударном действии потока и его твердости в зависимости от скорости воды:

Так как одной из основных причин эрозионного разрушения проточной части арматуры является кавитационное воздействие потока среды, каждый регулирующий орган должен проверяться на возможность возникновения кавитации в процессе дросселирования в нем рабочей среды. Однако при этом критерий кавитации Кс не зависит от свойства материалов элементов проточной части. Поэтому наряду с перепадом давлений, при котором возникает кавитация, ∆ркав, определяемым по коэффициенту начала кавитации, важное значение приобретает перепад давления ∆рэр, при превышении которого возможен эрозионный износ материалов проточной части. Значение ∆рэр в МПа рекомендуется оценивать по эмпирической формуле:
(1-42)
Основываясь на известных значениях Kh для каждого материала, а также допустимых перепадах давления, необходимо оценивать пригодность этих материалов для конкретных условий.
Величина ∆рэр изделия в целом должна определяться по материалу детали проточной части, имеющему минимальный коэффициент эрозионной стойкости Kh. Такой подход позволяет экономически обоснованно подбирать материалы деталей затворов. При низких значениях ∆рэр поверхности деталей подлежат защите.
Это касается, прежде всего, корпусов водяной арматуры, изготовленных из углеродистой стали 25Л и 20ГСЛ. Участки проточной части за сужением в затворе всех без исключения регулирующих органов в корпусах, изготовленных из материалов с пониженной эрозионной стойкостью, подлежат упрочнению путем нанесения эрозионно-стойких наплавок (например, электродами типа ЭА-395/9), размещению защитных рубашек и т. д. В арматуре, допускающей работу при противоположных направлениях течения среды, должна быть предусмотрена защита всей проточной части.
Выбор регулирующих органов для конкретных условий работы с учетом кавитационных характеристик и эрозионных свойств материалов деталей проточной части позволяет существенно повысить надежность и срок службы энергетической арматуры ТЭС.