Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛЫ ЛОПАТОК ГТУ И МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА 9
1.1. Газотурбинные установки для привода нагнетателей 9
1.2. условия эксплуатации и ресурс лопаток гту 12
1.3. Структура и свойства материалов, применяемых для изготовления лопаток ГТУ 13
1.4. методы прогнозирования остаточного ресурса лопаток 23
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 36
2.1. Материалы исследования 36
2.2. методы исследования 36
2.2.1. Метод реплик и последующее металлографическое исследование 40
2.2.2. Методика металлографического и электронно-микроскопического исследования 42
2.2.3. Методика рентгеноспектрального микроанализа 46
2.2.4. Методики фазового ирентгеноструктурного анализа 47
ГЛАВА 3. ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ 50
3.1. ОБРАЗОВАНИЕ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК 50
3.1.1. Причины попадания в проточную часть ГТУ серосодержащих соединений. 50
3.1.2. Влияние серосодержащих соединений в проточных частях приводных ГТУ на работоспособность лопаток. 55
3.2.0бразование термоусталостных трещин в турбинных направляющих лопатках 58
3.3. трещины в покрытии 58
3.4. усталостные разрушения лопаток 60
3.5. Эрозия лопаток 61
3.6. образование дефектной структуры 62
3.7. Язвенная коррозия лопаток компрессора 63
3.8. Образование структуры, свидетельствующей о перегреве металла 64
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, СТРУКТУРУ МЕТАЛЛА ЛОПАТОК И СОСТОЯНИЕ ИХ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 65
4.1. Влияние длительной эксплуатации на механические свойства 66
4.2. Влияние длительной эксплуатации на структуру материалов 73
4.2.1 .Изменения структуры жаропрочных сплавов на никелевой 73
основе в процессе эксплуатации лопаток. 73
4.2.2. Исследование микроструктуры металла рабочих лопаток из стали ЭП428. 84
4.3. Влияние условий эксплуатации на состояние поверхностного слоя лопаток 92
4.3.1. Изменение глубины обезлегированного слоя в лопатках без покрытий 92
4.3.2. Изменение состояния поверхности турбинных лопаток без покрытий и с покрытиями 93
4.3.3. Изменение состояния поверхности лопаток компрессоров. 103
4.4. Исследования влияния перегревов 108
4.5. Исследование влияния качества литья лопаток 111
ГЛАВА 5. РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ЛОПАТКАХ 113
5.1. Расчеты прочности лопаток ГТК-25И 113
5.1.1 Расчет местных упругих напряжений 113
5.1.2. Изучение процессов перераспределения напряжений 120
5.2. Напряжения в лопатке ГТК-10-4 125
5.3. Напряжения в лопатках ГТ-6-750(ГТН-6) УТМЗ, ГТ-750-6 НЗЛ, ГТН-25-1 УТМЗ, ГТН-16 УТМЗ 127
5.4. Запасы статической прочности лопаток в зависимости от длительности эксплуатации 127
ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА ЛОПАТОЧНОГО АППАРАТА ГТУ 129
6.1. Внедрение результатов исследований 132
6.2. Методика контроля лопаток компрессоров 134
6.3. Восстановительная термическая обработка 137
ВЫВОДЫ 141
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 143
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ЛОПАТОК ГТУ 155
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛА ЛОПАТОК ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ 162
Введение к работе
На компрессорных станциях (КС) газопроводов России и СНГ эксплуатируется большое число различных газотурбинных установок как отечественного, так и иностранного производства, максимальная наработка которых в настоящее время составляет более 100000 часов. Лопаточный аппарат газотурбинной установки (ГТУ) составляет основную ее часть, определяющую ресурс и стоимость ГТУ. Для изготовления лопаток применяются различные материалы, покрытия и технологии. Многие комплекты лопаток отработали нормативный ресурс. При проведении среднего или капитального ремонта стационарных ГТУ доля затрат на замену или ремонт лопаточного аппарата составляет 30 -т-70 % от стоимости ремонта газоперекачивающего агрегата. В связи с ростом температуры перед турбиной высокого давления, достигающей сегодня для ГТН-25-1 1090°С, и резким снижением в связи с этим ресурса лопаточного аппарата затраты на его ремонт еще больше возрастают и достигают 83 % от стоимости ремонта агрегата. В настоящее время интенсивно проводятся работы по управлению ресурсом газотурбинных агрегатов и отдельных их узлов и деталей. Важным направлением таких работ является прогнозирование и продление ресурса лопаточного аппарата стационарных ГТУ.
В этой связи задачи, связанные с управлением ресурсом металла лопаточного аппарата стационарных ГТУ сверх нормативного, являются актуальными, требующими для их решения проведения целенаправленных исследований.
Цель и задачи работы
Целью работы является разработка основных принципов продления ресурса металла лопаток стационарных ГТУ с учетом изменений его структуры, свойств и напряженно-деформированного состояния в процессе длительной эксплуатации на КС магистральных газопроводов России.
1. Основными задачами, которые предполагается решить в рамках настоящей работы для достижения поставленной цели, являются Изучить характер и причины повреждения лопаток ГТУ во время длительной эксплуатации на КС ООО «Мострансгаз».
2. Исследовать изменения структуры жаропрочных сталей и сплавов, применяемых для лопаток отечественных и зарубежных ГТУ, в процессе эксплуатации на КС России.
3. Исследовать изменения механических свойств, длительной прочности и сопротивления термической усталости материалов лопаток в процессе их длительной эксплуатации.
4. Изучить особенности напряженно-деформированного состояния лопаток в условиях длительной эксплуатации.
5. Разработать методики продления ресурса лопаток турбин и компрессоров ГТУ, эксплуатирующихся на газоперекачивающих станциях России.
Научная новизна:
- в результате анализа работоспособности лопаток стационарных ГТУ установлено, что наиболее часто встречающимися повреждениями лопаток ГТУ при длительной эксплуатации являются образование трещин и перегревы направляющих лопаток ТВД ГТ-6-750 (ГТН-6) УТМЗ после наработки 9800-38000 часов, образование трещин в направляющих лопатках ТВД ГТК-25ИР после наработки 15800-40342 часов образование трещин в рабочих и направляющих лопатках ОК ГТ-750-6 НЗЛ после наработки 9100- 71000 часов.
- систематическими исследованиями изменений структуры и свойств выявлена кинетика изменения количества, состава, морфологии и распределения фаз, выделяющихся в процессе длительной эксплуатации (до 100000 ч) в металле лопаток из различных сталей и сплавов в зависимости от температуры и времени,
- предложено проводить экстраполяцию характеристик длительной прочности жаропрочных сталей и сплавов с учетом изменений их структуры в процессе длительной эксплуатации,
- получены данные о перераспределении статических напряжений в лопатках в условиях ползучести, позволяющие обоснованно подходить к оценке остаточного ресурса лопаточного аппарата стационарных ГТУ,
- предложены основные принципы продления ресурса лопаточного аппарата стационарных ГТУ.
В первой главе приведен обзор литературных данных по материалам лопаток ГТУ, особенностям их повреждений при эксплуатации. Отмечается, что структура и свойства металла лопаток и их изменения в процессе эксплуатации являются определяющими параметрами для оценки остаточного ресурса лопаток. В связи с большим числом материалов, применяемых для лопаток различных ГТУ, и нормативным ресурсом лопаток, достигающим 90000ч, решение задачи обеспечения надежной эксплуатации лопаток в этих условиях требует выполнения большого числа разнообразных исследований. Сформулированы задачи исследования.
Во второй главе обоснован выбор объектов исследования и описаны использованные методики.
В третьей главе рассмотрены как виды недопустимых для дальнейшей эксплуатации повреждений лопаток, так и особенности изменения состояния поверхностного слоя лопаток и их структуры при эксплуатации, определяющие возможности продления ресурса. Изучение состояния различных лопаток проведено после различных сроков эксплуатации.
В главе 4 изучается влияние условий эксплуатации на структуру и механические свойства металла лопаток. Механические свойства металла лопаток определяются на образцах, вырезанных из перовой и замковой части лопаток, изготовленных из разных материалов.
Анализ результатов испытаний механических свойств, длительной прочности и сопротивления термической усталости проводится с использованием модели влияния длительной эксплуатации, формулирующейся с помощью предложенных в общей форме соотношений для предела прочности ств, предела текучести сгод, пластичности 8, скорости ползучести р , скорости роста трещин ползучести dl/dx, сопротивления циклическому деформированию S0,4, сопротивления термической усталости Ає и длительной прочности стд.п.
Выполненные исследования позволили выявить для ряда жаропрочных сталей и сплавов, применяемых для лопаток ГТУ, те структурные параметры sb S2, S3, s4., которые изменяются в процессе длительной эксплуатации и определяют характер предложенных соотношений. Получены данные, позволяющие учитывать численными методами влияние температурно-временных условий эксплуатации на механические свойства и влияние на длительную прочность расчетно-экспериментальным методом, основанном на учете изменений структуры материала во время эксплуатации.
Проводится сравнение состояния поверхностного слоя лопаток с покрытиями и без покрытий. В частности выявлено лучшее состояние поверхности направляющих лопаток турбины ГТН-6 из сплава ЭИ893Л с плазменным покрытием CoNiCrAlY после 11-14 тысяч часов эксплуатации по сравнению с лопатками без покрытия. Установлено, что применение покрытий предупреждает образование обезлегированной зоны, способной приводить к снижению усталостной прочности лопаток.
В главе пятой рассмотрены результаты расчетного определения статических напряжений в рабочих лопатках 1-ых ступеней турбин ТВД ГТК-25И и ТНД ГТК-10-4 методом конечных элементов с использованием программных пакетов ANSYS и COSMOS. Выполнены расчеты распределения упругих местных напряжений в сечениях, влияние на него смещения центра масс, перераспределения напряжений в связи с ползучестью и определены величины средних напряжений по сечениям лопаток из изотропного материала и направленной кристаллизации.
Глава шестая посвящена разработке системы продления ресурса лопаточного аппарата ГТУ в процессе длительной эксплуатации на КС и рассмотрению конкретных результатов продления ресурса лопаток стационарных ГТУ. Разработана методология продления ресурса лопаток, снятых с установки во время капитального ремонта ГТУ. Установлена возможность определения ресурса лопаток по состоянию. Разработаны критерии качества защитных покрытий на рабочих лопатках турбины по их состоянию после длительной эксплуатации. Проведены исследования влияния восстановительной термической обработки на ресурсные характеристики лопаток ТНД ГТК-25И из сплава ЦНК-7. Установлена возможность увеличения ресурса лопаток после восстановительной термической обработки на 16000 часов. Проведенные исследования позволили, оценив соответствие запасов прочности Нормам прочности, увеличить ресурс рабочих и направляющих лопаток турбин и компрессоров, различных стационарных ГТУ компрессорных станций ООО «Мострансгаз». Увеличение ресурса подтверждено анализом их состояния после длительной наработки.
