Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г. В. Карпенка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОБОТОЗДАТНІСТЬ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ПІД ЧАС ТРИВАЛОЇ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ТУРБОАГРЕГАТУ ТЕС

РІПЕЙ ІГОР ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 669.018.291:621.438

Спеціальність 05.02.01 - матеріалознавство

Львів - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України, м. Львів.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Балицький Олександр Іванович

Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка

НАН України, провідний науковий співробітник

відділу водневої стійкості металів, м. Львів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

ПАШЕЧКО Михайло Іванович

Національний університет ”Львівська політехніка”

Міносвіти і науки України, професор кафедри

фізики металів та матеріалознавства, м. Львів

кандидат технічних наук, доцент

Бачинський Юрій Григорович

Тернопільський національний педагогічний університет

ім. В. Гнатюка Міносвіти і науки України, доцент кафедри

фізики та методики викладання фізики, м. Тернопіль

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, відділ матеріалознавства і інженерії високостійких поверхневих шарів, м. Київ

Захист дисертації відбудеться ”__21__ “ __червня__ 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 при Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка

НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Погрелюк І.М.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

турбоагрегат роботоздатність конструкційний

Актуальність теми. Переважна більшість устаткування теплових електричних станцій (ТЕС) України відпрацювала чи допрацьовує визначений термін, тому дедалі актуальнішим є питання прогнозування роботоздатності конструкційних матеріалів енергоблоків ТЕС загалом і їх ключової системи турбіна-турбогенератор, зокрема. Вивчення причин виникнення пошкоджень, аварій і надзвичайних ситуацій техногенного характеру за останні роки свідчить про те, що здебільш вони мають технічний характер (незадовільний стан обладнання, його значна зношеність унаслідок закінчення нормативного терміну служби - паркового ресурсу тощо). Внаслідок зниження темпів оновлення енергетичних об'єктів особливої актуальності набуває питання управління експлуатаційним терміном їх надійного та безпечного використання.

Оцінюючи стан металу після тривалої експлуатації з урахуванням впливу технологічного середовища, змінних графіків навантажень (частих пусків-зупинок), можна підвищити надійність турбоагрегату та достовірніше визначити залишковий ресурс. Оскільки конструкційні матеріали турбоагрегату ТЕС контактують з охолоджувальними робочими середовищами, важливо вивчити їхній вплив на пошкоджуваність і характер руйнування матеріалів а також спрогнозувати залишковий ресурс, беручи до уваги такі закономірності.

Отже, актуальність вибраної теми зумовлена необхідністю встановлення механізмів деградації основних конструкційних матеріалів найбільш напружених елементів системи турбіна-турбогенератор в умовах тривалої експлуатації та з'ясування впливу робочого середовища на властивості, пошкоджуваність та руйнування цих матеріалів. Це уможливить розробку методичних підходів для підвищення їх надійності та оцінки залишкового ресурсу.

Значний внесок у дослідження фізико-механічних властивостей матеріалів турбоагрегатів ТЕС, оптимізації їхнього хімічного складу, технології виготовлення та оцінки довговічності зробили О. Балицький, М. Бугай, А. Вайнман, Р. Вісванатхан, І. Дмитрах, А. Зіньковський, В. Кузьмін, Р. Магдовскі, В. Махутов, Л. Медовар, Г. Никифорчин, О. Осташ, В. Похмурський, В. Саєнко, Г. Федоренко, Г. Фейтінгер, М. Шпайдель та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дисертаційної роботи одержано під час виконання науково-дослідних робіт Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України, в яких здобувач був виконавцем: ”Дослідження механізму взаємодії деформованого металу з електролітами на початковій стадії його корозійно-механічного руйнування”, № ДР 0197U00006, ”Дослідження кінетики активації та репасивації поверхні металів при їх корозійно-механічному руйнуванні”, № ДР 0100U004852, ”Оцінка водневої тривкості хромомарганцевих аустенітних сталей, їх зварних з'єднань та підвищення роботоздатності під час тривалої експлуатації”, № ДР 0105U004312, теми 1.3. Регіональної програми з визначення залишкового ресурсу конструкцій, споруд і машин тривалої експлуатації та розробки заходів щодо продовження терміну їх безаварійної роботи на 2003-2010 рр., договірної тематики між ДАЕК ”Західенерго”, Львівським КБ Мінпаливенерго та ФМІ НАН України (угоди № 2811; 109; 251).

Мета і завдання досліджень - встановити закономірності впливу експлуатаційних середовищ на пошкоджуваність, зміну структури, механічних властивостей конструкційних матеріалів турбоагрегату ТЕС та розробити методичні підходи для оцінки їх роботоздатності під час тривалої експлуатації і визначення залишкового ресурсу турбоагрегату.

Поставленої мети досягали вирішенням таких основних завдань:

1. Проаналізувати умови експлуатації, пошкодження конструкційних матеріалів турбоагрегату ТЕС та з'ясувати найвідповідальніші елементи, які обмежують його ресурс.

2. Дослідити вплив технологічних середовищ на структуру, механічні властивості, зокрема, тріщиностійкість, матеріалів роторних вузлів турбоагрегатів ТЕС.

3. Вивчити вплив температури, часу експлуатації та робочих середовищ на характер пошкоджень матеріалів роторів, литих деталей парових турбін, бандажів та мідних обмоток турбоагрегатів.

4. Дослідити зміни електрохімічних характеристик матеріалів роторно-бандажних вузлів із урахуванням температури та швидкості потоку технологічного середовища.

5. Обґрунтувати підходи з позицій матеріалознавства щодо оцінки довговічності конструкційних матеріалів турбоагрегату та продовження терміну його експлуатації.

Об'єкт дослідження - конструкційні матеріали парової турбіни та турбогенератора ТЕС, що перебувають під впливом експлуатаційних середовищ за однакових циклічних навантажень.

Предмет дослідження - вплив процесів старіння на структуру, механічні властивості матеріалів та роботоздатність турбоагрегату.

Методи дослідження. У роботі застосовані сучасні методи досліджень корозійно-механічної стійкості матеріалів енергетичного устаткування під час тривалої експлуатації. Виконано металографічні, рентгеноструктурні та фрактографічні аналізи з використанням стандартних та комп'ютерно інтегрованих методик.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Тривала експлуатація до 2,8·105 год призводить до зміни структури (розпаду перліту, збільшення кількості карбідів) та зниження до 15% рівня основних механічних характеристик корпусних сталей 20ХМФЛ і 15Х1М1ФЛ турбоагрегату ТЕС. Замірами довжин тріщин для випадків різної кількості пусків під час різних термінів експлуатації вперше виявлено, що зі збільшенням їх кількості швидкість росту експлуатаційних тріщин зростає.

2. Встановлено, що термодинамічно стабільна високоазотна сталь 12Х18АГ18Ш, порівняно з бандажною 60Х3Г8Н8В, стійкіша до водневого окрихчення та водневої втоми. Їй не властиве низькоенергоємне міжкристалітне руйнування у водні тиском 0,5 МПа протягом 1,2·105 год, проте вона високочутлива до розтріскування у розчинах хлоридів. Зниження інтенсивності деградаційних процесів азотованої сталі проявляється у відсутності мартенситних виділень, низьких концентраціях карбідів та у-фази. Зі збільшенням тривалості експлуатації у водні (понад 2,8·105 год) твердість сталі 60Х3Г8Н8В знижується. Проте у локальних місцях пошкоджених бандажних кілець внаслідок підгартувань вона збільшується, сягаючи 450 НV.

3. Встановлено, що насичений водний розчин хлориду міді суттєво підвищує швидкість росту втомної тріщини у роторній міді М1. Хлоридні та воденьвмісні середовища активізують деградацію матеріалу, зумовлюючи окрихчення мідних обмоток та появу низькоенергоємних фрактографічних ознак руйнування, що спричиняє передчасну втрату роботоздатності турбоагрегату до вичерпання його планового ресурсу.

4. Виявлено, що з підвищенням рівня міцності роторної сталі турбоагрегату ТЕС знижується опір втомному руйнуванню та збільшується швидкість росту втомної тріщини в технологічних воденьвмісних середовищах під час тривалої (до 2,8·105 год) експлуатації; поверхнева обробка (проточування, дробиноструминна обробка, чеканка) підвищує її тривалу міцність, що зумовлено залишковими напруженнями стиску та більшою стійкістю до пошкоджень, викликаних термомеханічними напруженнями та експлуатаційними середовищами.

Практичне значення одержаних результатів. Обґрунтовано можливість продовження до 5-8 років ресурсу безпечної експлуатації роторів усуненням деградованого поверхневого шару та наступною поверхневою обробкою. Це необхідно здійснювати на підставі комплексного аналізу змін мікроструктури та твердості металу, кількості пусків-зупинок, виявлених пошкоджень, а також результатів контролю методами неруйнівної дефектоскопії зон концентраторів напружень. Зі зменшенням кількості зупинок турбоагрегату розвиток тріщиноподібних дефектів корпусних виливок знижується, що сприяє продовженню його ресурсу.

Запропоновано мікрофільтрами усувати продукти експлуатаційного корозійно-механічного ушкодження обмоткової міді турбогенератора, щоб запобігти закупорюванню охолоджувальних систем обмоток та продовжити його ресурс.

Практичні рекомендації, обґрунтовані в роботі, покладено в основу проекту галузевого нормативного документа Галузевого резервно-інвестиційного фонду розвитку енергетики Мінпаливенерго України ”Методичні вказівки з оцінки технічного стану бандажів роторів турбогенераторів”.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується застосуванням сучасних методів експериментальних досліджень, комп'ютерного опрацювання результатів, узгодженістю результатів із загальновизнаними уявленнями про закономірності високотемпературної корозійно-водневої деградації і механізми руйнування конструкційних матеріалів, практичним використанням висновків і рекомендацій під час визначення ресурсу системи турбіна-турбогенератор.

Особистий внесок здобувача. Авторові належать формулювання та обґрунтування завдань у галузі досліджень впливу середовищ на корозійно-механічні властивості матеріалів ключових вузлів турбоагрегату, отримання, аналіз та узагальнення результатів. Усі основні результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать експериментальні дослідження та аналіз результатів [1, 2, 4, 5], постановка завдань і проведення досліджень [6, 8, 9, 10], узагальнення та інтерпретація результатів [3, 7, 11], їх систематизація [12, 13, 19]. Авторові належить також розробка рекомендацій, що спрямовані на продовження ресурсу конструкційних матеріалів турбоагрегату.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідали на II і IV Міжнародних конференціях ”Водородная обработка материалов” (Донецьк, 1998, 2004); ІV, V, VI і VII Міжнародних конференціях-виставках ”Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів” (Львів, 1998, 2000, 2002, 2004); ІІ і III Міжнародних конференціях ”Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (Львів, 1999, 2004); XV, XVI і ХІХ науково-технічних конференціях молодих науковців і спеціалістів ФМІ ім. Г. В. Карпенка НАН України (Львів, 2000, 2001, 2005); 6-му Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 2003); Міжнародній науково-технічній конференції ”Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій” (Київ, 2005); наукових семінарах ФМІ ім. Г. В. Карпенка НАН України, науково-технічних нарадах ВАТ ”Західенерго”.

Публікації. Основні результати роботи викладено у 19 наукових публікаціях, в тому числі 9 - у фахових журналах, 5 - у збірниках наукових праць, 5 - у збірниках тез наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел (141 найменування). Загальний обсяг становить 138 сторінок, де наведено 59 рисунків, 21 таблицю, а також додатки на 6-ти сторінках (акти впровадження результатів роботи).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, проаналізовано сучасний стан проблеми, сформульовано мету та завдання, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, подано дані про структуру роботи та її апробацію, зазначено зв'язок роботи з науковими темами та особистий внесок здобувача.

У першому розділі розглянуто особливості будови, деякі експлуатаційні параметри системи турбіна-турбогенератор. Наведено вимоги до фізико-механічних властивостей найнавантаженіших конструкційних елементів турбоагрегату, проаналізовано корозійно-механічні пошкодження парових турбін та турбогенераторів. Як свідчить статистика пошкоджень, найінтенсивніше деградують матеріали виливок корпусів парових турбін (близько 60%), проте випадки катастрофічного крихкого їх руйнування не спостерігали. Водночас пошкодження роторів парових турбін і турбогенераторів, бандажних кілець, які перебувають на одному валопроводі турбоагрегату, призводять до катастрофічних наслідків.

Серед елементів, від яких залежить надійна робота турбогенератора, чільне місце посідають мідні обмотки. Виявлено, що механічний, термоцикловий та корозійний чинники призводять до пошкоджень, що зумовлюють аварійні зупинки турбоагрегатів.

Щоб з'ясувати їх роботоздатность і оцінити ресурс турбоагрегату, необхідно комплексно вивчати механізми деградації та руйнування цих матеріалів.

На підставі аналізу стану матеріалознавчих проблем устаткування турбоагрегату сформульовано основні завдання досліджень.

У другому розділі описано матеріали та методи досліджень.

Концепція експериментальних досліджень полягала у наступному: вивчали структурно-фазовий склад, фізико-механічні властивості та тріщиностійкість матеріалів у вихідному стані (на зразках-свідках, що зберігаються на ТЕС з використанням сертифікаційних даних металу заводу-виробника), а також зміни їх властивостей під час тривалої (до 280 тис. год) експлуатації. Структуру комплексно досліджували металографічно, замірами твердості, рентгеноструктурним та мікрорентгеноспектральним аналізами. Мікроструктуру вивчали на металографічному мікроскопі МИМ-8М. Кількісно металографічні зміни в структурі металу аналізували, використовуючи програми комп'ютерного опрацювання візуальних зображень.

Вплив часу експлуатації, температури на структуру, механічні властивості роторних сталей (25Х1М1ФА, 20Х3МВФ) досліджували методом реплік на полотнинах дисків перших (високотемпературних) ступенів і для порівняння - на останніх ступенів, а корпусного литва (20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ) - на вирізках-відколках з фланцевих роз'ємів. Заміряли твердість як на зразках у стаціонарних умовах, так і безпосередньо на конструкціях турбоагрегату сертифікованими переносними приладами.

Досліджували механічні та корозійно-механічні властивості роторних сталей. З'ясовували вплив рівня зміцнення та поверхневої пластичної деформації на тріщиностійкість та тривалу міцність роторної сталі 38ХН3МФА.

З'ясовували вплив технологічних і модельних середовищ на властивості та характер руйнування бандажних аустенітних сталей (60Х3Г8Н8В, 12Х18АГ18Ш) та роторної міді (М1) за одновісного розтягу циліндричних зразків із постійною швидкістю деформації. Застосовували жорсткий режим електролітичного наводнювання, який за порівняно короткий час випробувань дає змогу встановити вплив водневого середовища та забезпечує його високий вміст у конструкційному матеріалі турбоагрегату. Схильність сталі до корозійного розтріскування характеризували за зміною відносного звуження матеріалу шР у розчині відносно значення шІ в інертному середовищі (повітря), що описує коефіцієнт впливу середовища в:

. (1)

Фазовий склад вивчали за допомогою рентгенівського дифрактометра ДРОН 3.0 у FeKб- і CuKб- випромінюванні.

Фрактографічні обстеження проводили на растровому електронному мікроскопі ISM-6100 Scanning Microscope з рентгенівським мікроаналізатором.

Визначали короткочасну тріщиностійкість К1с на компактних зразках та циклічну тріщиностійкість, будуючи залежності швидкості росту втомної тріщини (da/dN) від розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) ДK.

Швидкість корозії визначали масометричним та поляризаційним методами. Електрохімічні дослідження виконували на потенціостаті Scanning Potenciostat/Galvanostat PARC мод. 362 за допомогою комплекту електродів порівняння Metrohm AG 9101.

У третьому розділі наведено експериментальні результати досліджень циклічної тріщиностійкості та тривалої міцності роторної сталі 38ХН3МФА.

Час до руйнування за тривалого статичного навантаження гладких зразків залежить від типу середовища: для 22%-го розчину NaCl він менший порівняно з випробуваннями у воді (рис.1). Тривалу міцність роторної сталі у водних середовищах можна значно підвищити дробиноструминною обробкою. Залишкові напруження стиску, які виникають унаслідок цієї обробки, суттєво зменшують ймовірність зародження та поширення корозійних тріщин.

Дослідження кінетики росту втомних тріщин на повітрі виявили, що, змінюючи режими термічної обробки для досягнення різних рівнів міцності, можна суттєво змінити кінетику поширення тріщини тільки в низькоамплітудній області навантажень, причому тріщиностійкість менш міцної сталі КП-60 (відповідає міцності сталі ротора ТВВ-200) вища, ніж міцнішої КП-80 (рис. 2).

Водний розчин NaCl пришвидшує ріст тріщини практично в усій області значень К, причому цей вплив посилюється зі зниженням навантаження і максимальний для припорогового К (рис. 2).

Отже, сталь 38ХН3МФА з рівнем міцності КП-60 виявилась стійкішою до втомного руйнування на стадії росту тріщини, ніж міцніша сталь КП-80 як при випробуваннях на повітрі, так і за впливу розчину NaCl. Електролітичне наводнювання призводить до суттєвої зміни швидкості росту втомної тріщини. В низькоамплітудній області швидкість росту тріщини збільшується більш ніж на порядок, проте зі збільшенням К вплив наводнювання слабшає і при високих значеннях практично не простежується. Одержані результати свідчать про необхідність враховувати водневий чинник, обґрунтовуючи роботоздатність роторних сталей під час тривалої експлуатації.

Виявлено, що під час тривалої екплуатації (понад 250 тис. год) роторної сталі 25Х1М1Ф розпадається цементит бейнітної складової та до 20% знижується твердість. Зокрема, твердість металу у вихідному стані становила 245...275 НВ (цементит займав до 85% поверхні шліфа), а після 250 тис. год експлуатації - 215...235 НВ (залишки цементитної складової - не більше 60%, з'являються зерна вільного фериту). Метал полотнин дисків перших високотемпературних ступенів більш схильний до старіння, що підтверджують зміни його мікроструктури та твердості.

Обстеженнями пошкоджених валів роторів турбогенераторів виявлено зміни структури та твердості металу у місцях механо-термічного впливу. Твердість металу ротора у місцях найбільшого термомеханічного впливу вища на 75...100 НВ, ніж неушкоджених ділянок. Це свідчить про підгартування цих місць та деформаційне зміцнення металу внаслідок натиру, що підтверджують і мікроструктурні дослідження (рис. 3).

У четвертому розділі досліджено зміни мікроструктури та механічних властивостей виливок парових турбін під час експлуатації до 280 тис. год. Найінтенсивніше вони змінюються на початку експлуатації. За перші (5,0…6,0)104 год знижується міцність та незначно збільшується пластичність. Згодом, до 1,1·105 год, характеристики міцності дещо підвищуються, недосягаючи вихідних значень. Структура збіднюється легувальними елементами твердого розчину. Фазовим аналізом виявлено збільшення вмісту V, Cr та Mo у карбідах. Карбіди, які виділились пізніше, дисперсніші.

Після 1,1?105 год експлуатації механічні властивості погіршуються менш інтенсивно. Ударна в'язкість металу, що відпрацював 2,8·105 год, становить 6,6 MДж/м2 при 80°С і 11,5 MДж/м2 при 150°С (в'язка складова поверхні зламу 90%). Структура металу виливок - ферит-перлітна, на межах зерен простежуються крупні карбіди (рис. 4, a, в). У металі корпусу регулювального клапана виявлено щільний перліт та ферит (рис. 4, а) із розміром зерен, що відповідає балу 8-9. Структура металу вирізки з циліндра високого тиску вирізняється більшим зерном (бал 5-6) та незначним розпадом перлітної складової (рис. 4, в).

У структурі виливок, що відпрацювали 2,8·105 год, продовжує розпадатися перліт і збільшується кількість дрібнодисперсних карбідів у феритних зернах (рис. 4, б), а також утворюються ланцюжки крупних карбідів на межах (рис. 4, г). Сфероїдизація перліту в металі циліндра високого тиску відповідає балу 3…4, є вища, ніж у металі регулювального клапана, що пов'язано з досконалішою його вихідною структурою.

На рентгенограмах поверхні сталі після 2,8·105 год експлуатації виявлено інтенсивні лінії б-Fe, що відповідають рефлексам від площин (110), (200), (211), та інші, а також слабкі максимуми фаз (Fe,Cr)7C3 (431), (402), (530), (322), (603), (750) та Mo2C і Fe23C6 (рис. 5). У вихідному стані рентгенограми металу не фіксують фаз складних карбідів.

Простежено зниження характеристик міцності сталі 15Х1М1Ф під час тривалої експлуатації, що супроводжується збідненням твердого розчину легувальними елементами та збільшенням кількості карбідів (рис. 6).

Виявлені експлуатаційні дефекти, насамперед тріщини, у виливках усувають механічною вибіркою. Вибірки глибиною до 15% товщини стінки здебільшого не заплавляють. Особливої уваги потребують тріщини в недоступних для ремонту місцях. Замірами їх довжин (зафіксованих на внутрішній поверхні корпусу стопорного клапана за різних термінів експлуатації) встановлено, що зі збільшенням кількості пусків ріст тріщин пришвидшується (рис. 7). Тріщини виявлено на внутрішній поверхні стопорного клапана на радіусних переходах та біля фланців.

Обстежували тріщини періодично: після 5·103 год (69 пусків), 11·103 год (117 пусків) та 15,6·103 год (140 пусків). Виявлено найбільший приріст довжин тріщин під час першого обстеження - 10; 49 та 75мм (рис. 7). Швидкість їх росту за цей період становила 2·10-3; 8·10-3 та 15•10-3 мм/год. Подальшими обстеженнями зафіксовано нижчі швидкості росту тріщин (0,5·10-3; 2,5·10-3; 2,7·10-3 та 0,4·10-3; 2·10-3; 1,1·10-3 мм/год відповідно). Нерівномірність добового графіка навантаження турбіни спричинює додаткові напруження і призводить до виникнення пошкоджень.

П'ятий розділ присвячено дослідженню впливу водню та хлоридовмісних середовищ із катіонами міді на кінетику втомної тріщини та корозійні властивості бандажних сталей.

Виявлено зростання швидкості росту втомної тріщини в сталі 60Х3Г8Н8В у всьому діапазоні ДK за умов електролітичного наводнювання (рис. 8, а). Для низькоамплітудної області навантажень цей ефект максимальний, а в високоамплітудній відмінність між швидкістю поширення тріщини на повітрі і під час наводнювання незначна. Для високоазотної хромомарганцевої сталі 12Х18АГ18Ш (рис. 8, б) вплив електролітичного наводнювання однакової інтенсивності на циклічну тріщиностійкість матеріалу значно менший.

На підставі результатів втомних випробувань гладких зразків виявлено, що сталь 12Х18АГ18Ш має вищий, аніж сталь 60Х3Г8Н8В, опір руйнуванню як на повітрі, так і під час електролітичного наводнювання.

Дослідження високоазотної хромомарганцевої сталі за повільного розтягу виявили, що дистильована вода та 22%-ий розчин хлориду натрію (табл. 1) незначно знижують пластичні характеристики сталі. Руйнування зразків череззеренне, високоенергоємне. Проте у 22%-му розчині СuCl2 границя міцності знижується у чотири рази, а відносне видовження - втричі. До того ж сталь стає схильною до корозійного розтріскування, про що свідчить високий коефіцієнт впливу середовища (79%). Руйнування зразків низькоенергоємне міжзеренне, на зламі осаджується мідь.

Таблиця 1. Механічні характеристики сталі 12Х18АГ18Ш та коефіцієнт впливу середовища

Середовище	В, МПа	д, %	ш, %	, %
Повітря	1206	20	58,0	-
Дист. вода	1196	20	57,7	0,5
22% NaCl, деаер.,75°C	1195	18	55,0	5,2

У хлоридовмісних середовишах катіони міді (ІІ) концентрацією 0,02...1,00 г-іон/л пришвидшують корозію сталі 12Х18АГ18Ш до 0,52...14,50 мм/рік.

Розчини галідів інтенсифікують ріст втомної тріщини у високоазотній сталі (рис. 9), який супроводжується пітингуванням у насиченому розчині CuCl2. Тріщина поширюється разом із контактним осадженням іонів міді, що значно інтенсифікує анодне розчинення меж зерен, спричинене іонами Cu2+, що діють як катодні окиснювачі. В результаті тріщина росте міжкристалітно тільки у цьому середовищі, а виявлене міжкристалітне руйнування на реальному бандажі з цієї сталі свідчить про негативний вплив саме іонів міді на деградацію сталі.

В процесі експлуатації унаслідок недотримання режимів нагрівання бандажів під час профілактичних оглядів та дії водневого газоподібного середовища за циклічних і статичних напружень, значення яких у перехідних режимах можуть сягати 70...80% від границі текучості матеріалу, виділяються карбіди на межах та по тілу зерен (рис. 10, б), а також зміна форми і розмірів кристалітів. Екстремальною ознакою старіння матеріалу є поява крихкої дрібнодисперсної у-фази, що полегшує зародження та поширення тріщини (рис. 10, в), яка ініціює вторинні мікротріщини.

Швидкість поширення тріщини за тривалого статичного навантаження (табл. 2) суттєво залежить від температури та складу середовища, що необхідно враховувати в процесі знімання та посадки бандажа на бочку ротора, його поверхневої обробки, а також під час визначення впливу охолоджувального середовища. Експериментальні результати та експлуатаційний досвід свідчать про те, що сталь 12Х18АГ18Ш забезпечує вищий ресурс бандажа, порівняно зі сталлю 60Х3Г8Н8В.

Таблиця 2. Швидкість росту тріщини у бандажних сталях за тривалого статичного навантаження в різних корозивних середовищах

Сталь	КІ, МПа	Середовище
		20°С, H2O	80°С, H2O	105°С, 22% NaCl	20°С, 22% CuCl2
12Х18АГ18Ш	30...55	4,5	7	30	150
60Х3Г8Н8В	50	12	300	420	800

У шостому розділі наведено експериментальні результати корозійно-механічного руйнування роторної міді М1.

Виявлено, що за умов контакту міді з галідо- та хлоридовмісними розчинами внаслідок розгерметизації системи охолодження обмоток чи неякісної водоочистки захисні властивості патіни погіршуються, що й призводить до збільшення швидкості корозії міді.

Рентгеноструктурним аналізом продуктів корозії міді у 1 М розчині NaCl виявлено сполуки CuCl2 та гідратовану форму CuCl2·2H2O, які добре розчинні та дисоціюють, утворюючи катіони міді (ІІ). Продукти корозії СuCl, Cu(OH)2, CuBr у 1M NaCl та 1M KBr не можуть формувати розчинів із високим вмістом катіонів міді, тому в дослідженнях їх не розглядали. Проте вони закупорюють охолоджувальні системи мідних обмоток, тому запропоновано контролювати їх концентрацію та усувати фільтруванням.

Полярографічним аналізом продуктів корозії міді у розчинах галідів виявлено, що порівняно з дистильованою водою хлориди у 25, а броміди у 200 разів пришвидшують корозію матеріалу. Якщо у 1М NaCl масовий та глибинний показники корозії (К і П) дорівнювали 2,60 г/(м2·год) та 2,25 мм/рік, то у 1М KBr cтановили відповідно 20,6 г/(м2·год) і 20,2 мм/рік.

Експериментально вcтановлено, що в аерованому 22%-му розчині NaCl мідь М1 активна і схильна до загальної корозії. Після 12 хв витримки візуально спостерігали повне розчинення сформованої на повітрі оксидної плівки. Для цієї корозійної системи характерний катодний контроль. Характеризуючи катодні криві (рис. 11), виявили, що у діапазоні температур 20…90°С швидкість корозії обмежується дифузією деполяризатора (кисню) до катода.

Водні розчини хлоридів суттєво понижують циклічну тріщиностійкість міді М1, незважаючи на високу циклічну в'язкість руйнування сплаву. Для прикладу, у насиченому розчині NaСl при Кmах= 20 МПам швидкість підростання втомної тріщини збільшується від 7·10-9 до 3·10-8 м/цикл.

З підвищенням температури катодний та анодний процеси суттєво пришвидшуються і знижується корозійна тривкість матеріалу. Потенціал корозії зміщується у від'ємний бік на 0,075 В з підвищенням температури від 20 до 90°С (табл. 3), а густина корозійного струму збільшується на 0,66 A/м2.

Малий діапазон зміни коефіцієнта Тафеля ba свідчить, що із підвищенням температури анодне розчинення міді відбувається за одним і тим самим електрохімічним механізмом. Середнє значення коефіцієнта ba становить 0,076±0,007 В і характерне для реакції іонізації міді із коефіцієнтом переносу заряду Z = 1:

Cu + 2Cl ® CuCl + . (2)

Таблиця 3. Вплив температури на електрохімічні параметри анодного розчинення роторної міді М1 у 22 %-му NaCl

Т, єС	Eкор, В	Iкор, A/м2	bc, В	ba, В
20	- 0,075	0,19	- 0,040	0,066
45	- 0,102	0,39	- 0,058	0,074
50	- 0,125	0,48	- 0,068	0,076
60	- 0,125	0,77	- 0,114	0,081
90	- 0,150	0,85	- 0,224	0,083

Для такого анодного процесу характерний змішаний контроль. Швидкість процесу обмежується дифузією аніонів Cl- до анода та відведенням аніонів CuCl в об'єм розчину, а також перенапругою іонізації міді.

На підставі досліджень властивостей міді у дистильованій воді виявили, що з підвищенням температури від 20 до 75°С стаціонарний потенціал корозії міді Екор збільшується (рис. 12, а), практично незалежно від швидкості обертання електрода. Вище 75°С він знижується, очевидно, внаслідок нижчої розчинності кисню і перебігу корозії з водневою деполяризацією.

Встановлено неоднозначний вплив температури випробувань у діапазоні 20…75°С (рис. 12, б) на поляризаційний опір Rр як показник швидкості корозії. Зокрема, з підвищенням температури до 30°С показник Rр знижується, вказуючи на збільшення швидкості корозії, проте з подальшим її підвищенням зростає.

Неоднозначний вплив і швидкості обертання електрода , що імітує потік охолоджувального середовища. Зокрема, за низьких температур спостерігається типова залежність зниження поляризаційного опору з ростом , проте при 75 і 90°С показник Rр за швидкості обертання до 80 с-1 зростає, що свідчить про зниження інтенсивності корозійних процесів.

У сьомому розділі викладено матеріалознавчі аспекти визначення залишкового ресурсу конструкційних елементів турбоагрегату, які враховують зміну механічних властивостей, в тому числі тріщиностійкість, матеріалів під час тривалої експлуатації. Наведено результати власних досліджень (сталь 60Х3Г8Н8В) та зіставлено їх з літературними даними (сталь 12Х18АГ18Ш).

На підставі аналізу тріщин, виявлених на бандажних кільцях турбогенераторів із сталей 60Х3Г8Н8В і 12Х18АГ18Ш, та визначення середньої швидкості їх росту (у діапазоні 0,1…14,0 мм/рік) встановили, що вона співмірна із швидкостями, отриманими експериментально на цих сталях у досліджуваних середовищах.

Роботоздатність бандажних кілець запропоновано оцінювати на підставі неруйнівної дефектоскопії та оцінки мікроструктури, твердості сталі, а довговічність - з врахуванням поверхневого дефекту, за який прийнято плоску напівеліптичну тріщину.

Для визначення критичного стану, що передує руйнуванню (вичерпанню довговічності), запропоновано використовувати підходи механіки руйнування. Критичним є стан, коли максимальне вздовж фронту тріщини значення КІН досягає К1с. Оцінку критичних розмірів дефектів слід визначати згідно з чинними нормативними документами та беручи до уваги вплив середовища під статичним навантаженням.

Враховувати циклічне навантаження в оцінці залишкового ресурсу (у вигляді кількості циклів) рекомендовано проводити наступним чином. За відомими параметрами механічного навантаження, які відповідають певному типу експлуатаційного режиму та довжини тріщини, визначати максимальне значення розмаху ДК та, використовуючи експериментально визначену для певного матеріалу кінетичну діаграму росту тріщини, оцінювати актуальну швидкість експлуатаційної тріщини. Напрацювання, протягом якого тріщина підросте від початкової величини до критичної (за комбінованого впливу навантажень різних типів), слід визначати, враховуючи раніше визначену швидкість росту тріщини та кількість таких циклів на рік.

ВИСНОВКИ

У дисертації узагальнено закономірності впливу експлуатаційних середовищ на пошкоджуваність, зміну структури і механічних властивостей, в тому числі тріщиностійкість, конструкційних матеріалів турбоагрегату ТЕС, а також розроблено матеріалознавчі засади щодо оцінки їх довговічності.

1. На підставі аналізу експлуатаційної деградації конструкційних матеріалів системи турбіна-турбогенератор виявили визначальні конструктивні елементи, що обмежують його ресурс. Для парової турбіни такими є ротори та корпусні деталі, для турбогенератора - роторно-бандажний вузол.

2. Металографічними дослідженнями сталей роторів парових турбін після 5,0?104…2,0•105 год експлуатації виявлено мікроструктурні зміни, пов'язані з розпадом та сфероїдизацією цементиту бейнітної складової та зниженням твердості (на 10…12%) і міцності металу.

3. Встановлено, що внаслідок підгартування під час експлуатації локальних ділянок роторів ТГ їх твердість зростає на 50...100 HB. Це призводить до зниження опору руйнуванню. Запропоновано підвищувати тривалу міцність роторної сталі у наводнювальних середовищах поверхневим зміцненням ППД (дробиноструминною обробкою або чеканкою). Водночас зміцнення сталі термічною обробкою для підвищення границі текучості від 600 до 800 МПа спричиняє суттєве зниження опору втомному росту тріщини.

4. Виявлено, що тривала експлуатація (до 2,8·105 год) литої сталі 20ХМФЛ парових турбін супроводжується утворенням складних карбідів та зниженням на 15% основних механічних характеристик, а зі збільшенням кількості пусків турбоагрегату ріст експлуатаційних тріщин пришвидшується. З'ясовано, що під час обчислення допустимого терміну експлуатації сталі з наявними тріщинами необхідно враховувати зміну швидкості її підростання залежно від кількості пусків турбоагрегату між обстеженнями.

5. Експлуатована у водні азотиста сталь 12Х18АГ18Ш має вищий, ніж сталь 60Х3Г8Н8В, опір водневому окрихченню і втомному росту тріщини як на повітрі, так і під час електролітичного наводнювання та не виявляє низькоенергоємного міжкристалітного руйнування. Катіони міді концентрацією від 0,02 до 1,00 г-ioн/л у хлоридовмісному середовищі підвищують швидкість корозії сталі від 0,52 до 14,50 мм/рік, на 80% знижують її пластичність і зумовлюють виразкову корозію та міжзеренне корозійне розтріскування, що понижує ресурс турбоагрегату.

6. Виявлено, що роторна мідь схильна до загальної корозії в аерованому 22%-му розчині NaCl. Рентгеноструктурним аналізом продуктів корозії міді у насичених розчинах хлоридів зафіксовано солі, основи, оксиди та гідрооксиди міді. Аналіз даних про кількість й розміри виявлених нерозчинних частинок та усунення їх за допомогою мікрофільтрів є необхідний крок для запобігання закупорюваності охолоджувальних систем турбоагрегату та продовження його ресурсу.

7. Оцінками живучості бандажних кілець встановлено, що критична глибина дефекту, розміщеного на внутрішній поверхні бандажа зі сталі 60Х3Г8Н8В, не перевищує 20,0 мм для ротора генератора ТГВ-200 та 22,5 мм для ТГВ-300.

8. Результати роботи використані Львівським КБ Мінпаливенерго України під час підготовки нормативних документів ”Методичні вказівки з оцінки технічного стану бандажів роторів турбогенераторів” та ”Методичні вказівки з діагностики технічного стану і оцінки ресурсу литих корпусних деталей парових турбін”, а також на Добротвірській та Бурштинській ТЕС під час діагностичних оглядів та ремонтних робіт на турбоагрегатах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Balitski A., Krohmalny O., Ripey I. Hydrogen cooling of turbogenerators and the problem of rotor retaining ring materials degradation // International Journal of Hydrogen Energy. - 2000. - Vol. 25. - № 2. - P. 167-171.

2. Балицький О., Крохмальний О., Ріпей І. Корозійно-механічні властивості мідних обмоток потужних турбогенераторів // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - Cпец. вип. № 1. - Т. 1. - 2000. - С. 255-260.

3. Вплив параметрів охолоджуючого середовища на корозійну тривкість мідних обмоток турбогенераторів серії ТЗВ / О. Балицький, О.Крохмальний, Д. Завербний, І. Ріпей // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - Спец. вип. № 3. - 2002. - С. 113-118.

4. Балицький О., Ріпей І. Корозійно-механічні властивості роторних сталей парових турбін // Праці наукового товариства ім. Шевченка. Матеріалознавсто і механіка матеріалів. - Львів, 2003. - Т. ІХ. - C. 108-118.

5. Балицький О. І., Крохмальний О. О., Ріпей І. В. Корозійно-механічне руйнування сталі 12Х18АГ18Ш у хлоридовмісних середовищах з катіонами міді // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2003. - № 5. - C. 27-30.

6. Оцінка пошкоджень колектора водяного економайзера тріщинами термічної втоми / Р. Косаревич, О. Студент, Я. Онищак, А. Марков, І. Ріпей, Б. Русин, Г. Никифорчин // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2004. - № 1. - C. 109-114.

7. Corrosion-mechanical accidents with rotor-retaining ring units made from stainless steels and Ti-alloys / A. Balitskii, P. Kawiak, E. Lach, G. Mascalzi, I. Ripey, R. Thomas // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - Спец. вип. № 4. - 2004. - С. 93-97.

8. Балицький О., Онищак Я., Ріпей І. Пошкоджуваність та живучість роторів парових турбін // Машинознавство. - 2004. - № 5. - С. 23-27.

9. Балицький О. І., Ріпей І. В., Процах Х. А. Деградація вилитих елементів парових турбін ТЕС зі сталі 20ХМФЛ під час тривалої експлуатації // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2005. - № 3. - C. 123-125.

10. Пошкодження та надійність роторів турбогенераторів / О. Балицький,

І. Ріпей, Х. Процах, П. Кав'як // Тези доп. міжнар. наук.-техн. конф. ”Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій” (1-4 листоп. 2005 р.). - К.: Ін-т проблем міцності ім. Г. С. Писаренка, 2005. - Т. 1. - С. 27-28.

11. Опір корозійно-механічному руйнуванню високоазотної немагнітної хромомарганцевої сталї при статичному та циклічному навантаженні / О. Балицький, І. Волков, О. Крохмальний, І. Ріпей, М. Швець // Матеріали 4-ї міжнар. конф.-вист. ”Проблеми корозії і протикорозійного захисту матеріалів” (”Корозія-98”) (9-11 черв. 1998 р.). - Львів, 1998. - C. 159-162.

12. Балицький О. І., Крохмальний О. О., Ріпей І. В. Тріщиностійкість хромомарганцевих сталей під циклічним та статичним навантаженням і живучість бандажів потужних турбогенераторів // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій. - Львів: Каменяр, 1999. - Вип. 2, Т. 3. - С. 105-109.

13. Technological environments influence on resource and reliability NPP and FPP equipment rotors / A. Balitskii, L. Bilyi, P. Kawiak, Ya. Onystchak, I. Ripey, R. Viswanathan // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій / За заг. ред. В. В. Панасюка. - Львів: Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАН України, 2004. - P. 515-520.

14. Балицкий А. И., Крохмальный О. А., Рипей И. В. Водородное охлаждение мощных турбогенераторов и проблема деградации материалов роторно-бандажного узла // Водородная обработка материалов: Сб. инфор. материалов Второй междунар. конф. "ВОМ-98" (2-4 июн. 1998 г.). - Донецк, 1998. - С. 175.

15. Ріпей І. Тріщиностійкість та корозія мідних обмоток турбогенераторів у хлоридовмісному середовищі // Матеріали XV відкритої наук.-техн. конф. молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України (КМН-2000) (23-25 трав. 2000 р.). - Львів: Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАН України, 2000. - C. 10-11.

16. Ріпей І. Корозія та характер руйнування мідних сплавів, які застосовуються в електроенергетиці // Матеріали XVI відкритої наук.-техн. конф. молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України (КМН-2001) (16-18 трав. 2001 р.). - Львів: Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАН України, 2001. - C. 83-86.

17. Ріпей І. В. Пошкоджуваність мідних обмоток турбогенераторів: причини та діагностика виникнення // Матеріали для енергетики: Зб. наук. пр. - Вип. 1. - Львів, 2001. - C. 52-54.

18. Ріпей І., Онищак Я. Пошкодження та живучість роторів парових турбін // Тези доп. Шостого міжнар. симп. укр. інженерів-механіків у Львові: (21-23 трав. 2003 р.). - Львів: Кінпатрі лтд., 2003. - C. 159-160.

19. Influence of rotor structural materials and technological hydrogen environment iteraction on resorce of turbogenerator / A. Balitskii, L. Bilyi, P. Kawiak, P. Kochmanski, I. Ripey // Hydrogen treatment of materials: Proc. of the Fourth Intern. Conf. ”HTM-2004” (May 17-21, 2004). - Donetsk; Svyatogorsk, 2004. - P. 513-516.

Анотація

Ріпей І.В. Роботоздатність конструкційних матеріалів під час тривалої експлуатації турбоагрегату ТЕС. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів, 2006.

Проаналізовано випадки пошкоджень конструкційних матеріалів системи турбіна-турбогенератор і встановлено визначальні елементи, які обмежують ресурс турбоагрегату. Виявлено закономірності зміни структури та властивостей теплостійких сталей турбоагрегату під час тривалої експлуатації. Простежено зміни швидкості росту тріщин у корпусних виливках залежно від кількості пусків турбоагрегату. Виявлено зміни структури та зниження рівня твердості роторів парових турбін під час тривалої експлуатації. У місцях максимального механо-термічного впливу роторів турбогенераторів зафіксовано зміни структури та властивостей. З'ясовано вплив хлоридних та воденьвмісних середовищ на роботоздатність роторних і бандажних сталей, а також мідних обмоток турбогенераторів.

Ключові слова: ротор, корпусне литво, бандажні кільця, мідні обмотки, корозійне розтріскування, тривала міцність, корозійна втома, в'язкість руйнування.

Аннотация

Рипей И. В. Работоспособность конструкционных материалов в процессе длительной эксплуатации турбоагрегата ТЭС. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Физико-механический институт им. Г.В.Карпенко НАН Украины, Львов, 2006.

Проанализированы повреждения конструкционных материалов системы турбина-турбогенератор и установлено ответственные элементы, которые лимитируют ресурс турбоагрегата. Выявлено закономерности изменений структуры и свойств теплостойких сталей турбоагрегата в процессе длительной эксплуатации. Определено изменение скорости роста трещин в корпусном литье в зависимости от количества пусков турбоагрегата. Исследовано изменение структуры и твердости роторных сталей паровых турбин. В местах максимального механо-термического воздействия роторов турбогенераторов изучены изменения структуры и свойств металла. Выяснено влияние хлоридных и водородсодержащих сред на работоспособность роторных, бандажных сталей и медных обмоток турбогенераторов.

Приведены результаты исследования влияния водорода и растворов галоидов на скорость распространения трещины и характер разрушения высокопрочных сталей. Установлено, что при электролитическом наводороживании скорость роста усталостной трещины в стали 60Х3Г8Н8В увеличивается на всем отрезке кинетической диаграммы. В низкоамплитудной области при плотности тока 100 А/м2 скорость роста трещины возрастает более чем в 30 раз по сравнению с испытаниями на воздухе. Для высокоазотной хромомарганцевой стали 12Х18АГ18Ш в низкоамплитудной области кинетической диаграммы электролитическое наводороживание такой же интенсивности увеличивает скорость роста трещины приблизительно в 5 раз. При ?К=100 МПа·vм различия в скоростях роста трещин на воздухе и при электролитическом наводораживании не установлены.

Рентгеноструктурным анализом продуктов коррозии меди в насыщенных растворах хлоридов выявлены Cu2(OH)3Cl, Cu(OH2Cl)2·2H20, CuCl2, Cu2O, Cu(OH)2, CuO, CuCl, CuCl2·2H2O. Анализ данных количества, размеров виявленных нерастворимых частиц и устранение их при помощи микрофильтров может служить для предотвращения закупоривания охлаждающих систем турбоагрегата и продления его ресурса.

Ключевые слова: ротор, корпусное литье, бандажные кольца, медные обмотки, коррозионное растрескивание, длительная прочность, коррозионная усталость, вязкость разрушения.

Annotation

Ripey I. V. Serviceability of structural materials during long-time operation of FPP turboagregate. - Manuscript.

Dissertation for the doctor of sciences (engineering) degree in speciality 05.02.01 - Material Sciences. - Karpenko Physico-Mechanical Institute National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2006.

The dissertation covers the problem of the damages of structural materials of turbine-turbogenerator systems and established the key elements, which have the limited life-time of turboagregate. The regularities of the structure and properties change of heat resistante steels of turbosgregate during the long-term service have been found. It has been established that the crack propagation rates change in depandance of a number of the turboagregate starts. Change of the structure and decrease in the hardness level of steam turbine rotor during long-term operation were established. In the turbogenerator places of maximum mechanical-thermal influence the change of structure and properties was noticed.

The influence of chloride and hydrogen containing environments on the serviceability of the rotor, retaining ring steels and cooper windings of turbogenerator was established.

Keywords: rotor, casting metal, retaining rings, stress corrosion cracking, cooper winding, long term strength, corrosion fatigue, fracture toughness.

Размещено на Allbest.ru