Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы оценки влияния эксплуатационной наработки на изменение служебных свойств турбинных лопаток, пути повышения их эксплуатационных характеристик. Цель и задачи исследований . 10
1.1 Условия работы и требования к материалу лопаток стационарных ГТУ.
1.2 Основные причины разрушений рабочих лопаток стационарных ГТУ. 15
1.3 Способы оценки изменения работоспособности турбинных лопаток. 22
1.4 Природа усталости, методы испытаний и обработки результатов 24
1.5 Тензометрирование турбинных лопаток. 31
1.6 Сопротивление усталости лопаток в вероятностном аспекте. 33
1.7 Обеспечение работоспособности лопаток стационарных ГТУ. 37
1.8. Цель и задачи исследования. 43
Глава 2. Материал исследования и методика эксперимента. 44
2.1. Материал исследования.
2.2. Методика испытаний на усталость и статистическая обработка экспериментальных данных. 45
2.3. Методика исследований остаточных напряжений. 53
2.4. Методика исследований состояния структуры и фазового состава металла лопаток. 57
Глава 3. Никелевые сплавы для рабочих лопаток стационарных ГТУ. Технология изготовления. Структура и фазовый состав. Конструкционные особенности и динамическая напряженность . 58
3.1. Характеристики материала, особенности технологии изготовления и формирования структуры металла лопаток из никелевых сплавов.
3.2. Особенности конструкции и динамической напряженности турбинных лопаток . 77
Глава 4. Влияние различных факторов на сопротивление усталости рабочих лопаток стационарных ГТУ . 81
4.1. Литые лопатки, изготовленные из сплава ЦНК-7
4.2. Штампованные лопатки, изготовленные из сплава ЭИ893. 105
4.3. Повышение эксплуатационных характеристик металла турбинных лопаток после длительной эксплуатации. Кинетика изменения и взаимосвязь сопротивления усталости и механических свойств металла . 120
Глава 5. Изучение накоплений повреждений в поверхностном слое металла лопаток в процессе длительной эксплуатации . 126
5.1. Влияние поверхностного слоя с измененным составом легирующих элементов на характеристики турбинных лопаток.
5.2. Влияние остаточных напряжений на характеристики металла лопаток. 35
5.3. Влияние эксплуатационных перегревов на эксплуатационные характеристики лопаток. 139
5.4. Влияние эксплуатационных механических повреждений на сопротивление усталости лопаток. 148
Глава 6. Способы повышения ресурса турбинных лопаток и определение критериев оценки остаточного ресурса. 158
6.1. Восстановительная термическая обработка.
6.2. Поверхностное пластическое деформирование лопаток ГТУ. 163
6.3. Применение защитных покрытий для рабочих лопаток стационарных ГТУ. 181
6.4. Критерии оценки остаточного ресурса. 194
Выводы. 206
Литература. 207
- Основные причины разрушений рабочих лопаток стационарных ГТУ.
- Методика испытаний на усталость и статистическая обработка экспериментальных данных.
- Особенности конструкции и динамической напряженности турбинных лопаток
- Повышение эксплуатационных характеристик металла турбинных лопаток после длительной эксплуатации. Кинетика изменения и взаимосвязь сопротивления усталости и механических свойств металла
Введение к работе
В настоящее время газовые турбины, благодаря таким качествам как малые удельная металлоемкость и трудоемкость изготовления, высокая степень автоматизации управления и эксплуатационная надежность, получили широкое распространение в качестве двигателей различного назначения [1, 2]. Повышение удельной мощности и экономичности современных ГТУ неразрывно связано с интенсификацией процессов преобразования энергии и тем самым, увеличением уровня эксплуатационных нагрузок, воздействующих на их элементы.
На сегодняшний день единичная мощность отечественных промышленных газовых турбин в зависимости от их назначения находится в пределах 4-150 МВт. Основные тенденции в развитии газотурбостроения заключены в увеличении эксплуатационной надежности агрегатов, их ресурса и КПД. Последнее тесно связано с повышением начальной температуры продуктов сгорания.
На компрессорных станциях магистральных газопроводов России для привода нагнетателей природного газа применяются большое количество промышленных ГТУ различной мощности.
В настоящее время большое число этих газотурбинных агрегатов уже выработали назначенный ресурс, либо подходят к его исчерпанию. Так, например, для наиболее распространенного газотурбинного агрегата типа ГТК-10 мощностью 10 МВт производства ОАО «НЗЛ», которых было изготовлено более 1000 штук, из 720 единиц, находящихся в эксплуатации, около 50% выработало свой назначенный ресурс. Ежегодно порядка 30 агрегатов вырабатывают свой ресурс, а к 2010 году наработка большей части агрегатов превысит 200 тыс. часов.
Исследование конструкционной прочности лопаток после столь длительной эксплуатации представляет несомненный научный и практический Известно, что с увеличением наработки такой показатель как надежность лопаток, не остается постоянным, а претерпевает изменения даже при расчетных условиях эксплуатации [3]. Это обусловливает необходимость разработки методик и мероприятий, определяющих возможность увеличения их ресурса и повышения надежности работы лопаточного аппарата в процессе длительной эксплуатации.
Данное обстоятельство тесно связано с расширением базы теоретических знаний и экспериментальных исследований в области прочности материалов и механизмов разрушения, рабочих ступеней лопаточного аппарата газовых турбин, обеспечивающих необходимую длительность их эксплуатации, измеряемую десятками тысяч часов [4, 5], разработки и внедрения технологических операций, позволяющих повысить конструкционную прочность, надежность и продлить ресурс лопаток турбин после нормативной эксплуатационной наработки.
Одной из главных причин выхода из строя газоперекачивающих агрегатов (ГПА) являются поломки рабочих лопаток турбин. Основным показателем, определяющим работоспособность лопаток в течение длительной эксплуатации, является их характеристики сопротивления усталости, которые претерпевают изменения в процессе наработки. Сопротивление усталости турбинных лопаток может в значительной степени изменяться вследствие воздействия конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов.
Анализ отказов ряда промышленных турбоагрегатов показал, что примерно в 80% случаев аварии происходят из-за усталостных повреждений лопаток. В «Тюментрансгазе» в период с 1988 по 2000 гг. произошло более 150 отказов турбин по этой причине.
В ходе проведения работ по оценке технического состояния и продлению ресурса ГПА с наработкой, превышающей нормативную (100 тысяч часов), в период с 1998 по 2005 гг. было обследовано более 125 агрегатов типа ГТК-10, установленных на предприятиях ООО «Севергазпром» и 000 «Тюментрансгаз». Опыт обследования показал, что одной из основных причин браковки лопаток являются трещины на профильной части, образовавшихся по причине усталости.
Следовательно, определение доминирующих факторов, влияющих на характеристики сопротивления усталости рабочих лопаток и определяющих их снижение в процессе длительной эксплуатации, является важным предметом для исследований.
Несовершенство конструкции и технологии изготовления, рассеяние механических характеристик материала могут служить причиной пониженного уровня усталостных характеристик новых лопаток.
Однако, даже при условии правильного проектирования и соблюдения оптимальных параметров технологического процесса изготовления лопаток, в эксплуатации имеют место отказы и разрушения лопаток турбин.
Статистические данные, базирующиеся на расследованиях причин аварийного выхода их строя турбин на магистральных газопроводах, свидетельствуют, что абсолютное большинство случаев аварийного выхода из строя стационарных газотурбинных агрегатов связано именно с усталостными разрушениями рабочих лопаток.
Причинами этого могут служить изменения, происходящие с турбинными лопатками в результате длительного воздействия повреждающих эксплуатационных факторов, в той или иной степени, приводящие к снижению их конструкционной прочности.
Таким образом, сопротивление усталости турбинных лопаток с длительной эксплуатационной наработкой не остается постоянной, а претерпевает изменения. Степень снижение характеристик сопротивления усталости зависит от многих факторов конструкционного, технологического и эксплуатационного происхождения.
Анализ механизмов возникновения и степени воздействия отдельных факторов позволит выявить среди них доминирующие, наиболее часто встречающиеся при эксплуатации лопаток и наиболее сильно влияющие на работоспособность лопаток. Для повышения надежности турбинных лопаток с длительной эксплуатационной наработкой и продления их ресурса необходима разработка мероприятий, направленных на снижение их отрицательного влияния на характеристики сопротивления усталости рабочих лопаток стационарных ГТУ.
Основные причины разрушений рабочих лопаток стационарных ГТУ.
Как уже отмечалось, повреждение рабочих лопаток турбины является наиболее частой причиной аварийного выхода из строя ГТУ. Поломку лопаток могут вызвать различные факторы конструктивного, технологического и эксплуатационного характера [26, 38, 43]. Среди множества причин выхода из строя рабочих лопаток турбин, выявленных при эксплуатации промышленных ГТД, можно выделить следующие: - длительная работа лопаток в условиях резонанса; - несовершенство материала лопаток; - нарушение технологии изготовления или ремонта; - нарушение условий эксплуатации. Резонансно-вибрационные нагрузки. Резонансно-вибрационные нагрузки вызываются действием на лопатки периодических возмущающих сил. Частота возмущающих сил кратна частоте вращения ротора: Частота вращения ротора промышленных ГТУ переменна. Поэтому резонансов при каких либо их К; = 4, 5, 6, 7 ...zHJI. в рабочем диапазоне частот избежать невозможно (рис. 1.1). Требования по частотной отстройке лопаток турбин производства НЗЛ регламентированы нормативным документом [31]. Важно, чтобы динамические напряжения при резонансе были меньше допустимых в рабочем диапазоне частот вращения, что соответствует малой величине сил возбуждения при кратностях возбуждающей силы в рабочем диапазоне. Лопатки отстраивают от опасных кратностей, которые выявляются с помощью гармонического анализа и в процессе доводки двигателя на опытных образцах. Это уже сделано для ГТУ, длительно находящихся в эксплуатации. Величина сил возбуждения мала и составляет лишь несколько процентов или менее от усилия на рабочих лопатках со стороны газового потока, а динамические напряжения достигают значительной величины только благодаря большой величине коэффициента динамического усиления при резонансе.
Несмотря на свои малые абсолютные величины, силы возбуждения таят опасность, т.к. они, являясь разностью больших величин, могут меняться в несколько раз. Например, при испытаниях опытного образца, амплитудное значение силы возбуждения равнялось 0,005РИ и вызвало допустимое динамическое напряжение один = 3 кгс/мм , а при серийном изготовлении из-за допусков на изготовление стала равна 0,015РИ, что дало динамическое напряжение адИН = 9 кгс/мм2. Такой разброс характеристик реален между серийными ГТУ и тем более для ГТУ после длительной эксплуатации из-за коробления статорных элементов и т.п. а также из-за изменения собственных частот лопаток после эксплуатационного ремонта. Структура никелевых сплавов при высокой температуре представляет собой твердый раствор. Наличие в структуре сплава значительной ликвационной неоднородности, приводящей к выделению охрупчивающих ТПУ-фаз, может явиться одной из причин резкого снижения пластичности сплавов при длительном старении [32, 33]. Степень старения никелевых сплавов зависит от одного из основных структурных компонентов - упрочняющей интерметаллидной фазы Ni3(Al, Ті) -у -фазы. При длительном температурном старении происходит количественное увеличение вторичных фаз по границам зерен, сопровождающееся упрочнением материала и снижением его пластических свойств. На всех дисперсионно-твердеющих сплавах можно наблюдать повышение макротвердости и снижение ударной вязкости при температурном старении тепловое охрупчивание. Для лопаток характерно при этом неспособность материала распределять рабочие напряжения, что может привести к появлению мелких поверхностных растрескиваний, приводящих к развитию усталостных трещин.
Термоусталостные разрушения лопаток промышленных ГТУ обычно начинают развиваться в поверхностных слоях [19, 20, 21]. Неравномерное распространение тепла в нестационарный период нагревания сопровождается ростом .внутренних напряжений из-за различных объемных расширений отдельных участков лопатки. Термические напряжения на лопатках могут достигать величин, сравнимых с пределом прочности материала и сопровождаться термоусталостными надрывами. Величина термических напряжений может более, чем в 2 раза превышать напряжения от центробежных сил и примерно в 10 раз напряжения от динамических нагрузок. Отклонения от технологического процесса при изготовлении турбинных лопаток могут привести к формированию в поверхностном слое лопаток металлургических дефектов материала, наклепа, остаточных напряжений, и др. а) разнозернистостъ структуры - получается в результате неравномерного нагрева материала и приводит к появлению высоких локальных напряжений на границах мелких и крупных зерен. б) наклеп в поверхностном слое образуется при «жесткой» механической обработке детали, особенно при несоблюдении пооперационных припусков при абразивной обработке. Результаты исследований показывают, что наклеп оказывает отрицательное влияние на сопротивление длительному и усталостному разрушению [12, 13, 36, 37]. в) остаточные напряжения после механической обработки. Повреждаемость лопаток зависит от уровня остаточных (технологических) напряжений растягивающего характера и их распределения по глубине детали. В работе [38] отмечается, что остаточные напряжения 1-го рода (уравновешивающиеся в пределах целой детали - лопатки) должны быть только сжимающими и достигать не более 50-60 кгс/мм . Градиент напряжений по глубине материала в пределах первых 20 мкм не должен превышать 3 кгс/мм /мкм (рис. 1.2).
Методика испытаний на усталость и статистическая обработка экспериментальных данных.
Основные понятия, определения и методика и методы испытаний на усталость регламентированы документами [48, 49, 72, 73]. Испытания на усталость лопаток газовых турбин проводились на стандартном вибрационном электродинамическом стенде марки ВЭДС-400 и электромагнитном стенде НЗЛ при симметричном цикле нагружения, комнатной температуре и резонансных колебаниях на основном тоне. База испытаний -N = 2 10 циклов. Отсутствие возможности непосредственного возбуждения лопаток электромагнитами (никелевые сплавы, применяемые для изготовления лопаток - немагнитные) вызвало необходимость в использовании специальной магнитной балки, закрепленной в зажимном приспособлении вместе с исследуемой лопаткой и образующей с ней двухмассовую систему типа "развернутый камертон". Учитывая, что наибольшая эффективность возбуждения колебаний в лопатке достигается при определенном соотношении частот исследуемой лопатки и балки, конструкция балки предусматривала изменение ее собственной частоты в широком диапазоне. Перед проведением усталостных испытаний вначале определялась частота собственных колебаний лопатки, затем, изменяя частоту балки, добивались наибольшей эффективности колебаний исследуемой лопатки.
Электромагнитный испытательный стенд (рис.2.1) состоит из следующих основных узлов: фундаментная плита представляет собой массивную железобетонную призму с чугунным столом для установки исследуемых деталей, виброизолированную от фундамента с помощью пружин и телескопических опор. 1- стабилизатор напряжения, 2- трансформатор, 3- выпрямитель, 4-катушки постоянного подмагничивания, 5- генератор звуковой частоты, 6-усилитель, 7- катушка возбуждения, 8- магазин емкостей, 9- осциллогораф, 10-блок питания тензостанции, 11- тензостанция, 12- тарировочная балка, 13-емкостной датчик, 14- регистрирующий прибор, 15- прижим, 16- фундамент, 17- тензорезистор, 18- испытываемая лопатка, 19- магнитная балка. система крепления балки и лопатки к вибростенду осуществляется с помощью специального прижима, имитирующего заделку лопаток на диске. Качество закрепления лопатки в прижиме определялось по достижению постоянства частоты собственных колебаний лопатки при увеличении усилия зажатия (рис.2.2). электромагнитная система возбуждения колебаний лопаток включает в себя электромагнитные катушки возбуждения, магнитопровод, систему постоянного подмагничивания, генератор и усилитель. Для увеличения эффективности системы возбуждения колебательный контур настраивается на резонансную частоту исследуемой лопатки. Резонансная частота колебательного контура определяется по формуле: L - индуктивность катушек возбуждения; С - емкость конденсатора. устройство автоматического поддержания заданной амплитуды колебаний подключается к усилителю мощности и управляет работой исполнительного устройства так, чтобы поддерживать амплитуду колебаний лопатки на заданном уровне. система регистрации колебаний. Для регистрации амплитуды колебаний лопатки применялись следующие системы: тензометрическая; бесконтактная, с применением емкостного датчика; оптическая. Тензометрическая система включает в себя тензорезистор, наклеенный на лопатке, тензоусилитель, осциллограф и тарировочное устройство. Сигнал, вырабатываемый тензорезистором и пропорциональный относительной деформации лопатки, через тензоусилитель подается на регистрирующий прибор. Для определения абсолютной величины переменных напряжений лопатки применяется тарировочное устройство, состоящее из тарировочнои балки прямоугольного сечения, катушки возбуждения и оптического устройства для измерения амплитуды колебаний балки. У основания балки наклеивался тензорезистор, сигнал которого через усилитель подается на тот же регистрирующий прибор.
Особенности конструкции и динамической напряженности турбинных лопаток
Лопатки турбины высокого и низкого давления газоперекачивающего агрегата ГТК-10 изготавливаются методом горячей штамповки из прокатного деформируемого материала - сплава на никелевой основе ХН65ВМЮТ (ЭИ893). Особенность сплава - легирование твердого раствора вольфрамом и молибденом при ограниченном содержании титана и алюминия, образующих упрочняющую фазу. Это обеспечивает наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств в условиях длительного воздействия рабочих температур и напряжений. Термообработка заготовок после штамповки проводится по следующему режиму: - закалка: Т = 1160 С - 2 ч. - охлаждение в масле; - отпуск: Т = 1000 С - 4 ч. - охлаждение на воздухе; - отпуск: Т = 900 С - 8 ч. - охлаждение на воздухе; - отпуск: Т = 850 С - 15ч.- охлаждение на воздухе. Механическая обработка профильной части лопаток состоит из следующих операций: фрезерование, электрохимическая обработка, шлифовка и полирование. Во время доводки агрегата ГТК-10 на ПО "Невский завод" было проведено тензометрирование более 400 лопаток в условиях эксплуатации, что дало возможность оценить статистически максимальный уровень действующих напряжений и уточнить запас прочности лопаток.
Профильная часть лопаток имеет сложную пространственную форму с переменными профилями поперечных сечений, повернутыми относительно друг друга и образующими закрутку пера. Особенность геометрии профильной части лопаток в том, что для разгрузки пера от центробежных сил площади профиля меняются по высоте по линейному или двухконусному закону. Хорда периферийного сечения может быть равна или даже больше хорды прикорневого сечения, а момент инерции значительно меньше. Возникает т.н. "парусность" профиля, определяющая сложное напряженное состояние лопаток [9]. Частоты и формы колебаний рабочих лопаток турбин ГТК-10, определенные с помощью метода голографической интерферометрии, приведены в таблице 3.5. Возбуждение лопаток осуществлялось с помощью пьезокерамического преобразователя через заделку. Колебания регистрировались с помощью бесконтактного датчика, момент резонанса фиксировался на осциллографе. На фотопластинке регистрировались голограммы колеблющейся на резонансных частотах лопатки. Распределение относительных напряжений по длине профильной части лопаток ТВД и ТНД турбины ГТК-10 приведено на рисунках 3.1 и 3.2.
Определение фактических амплитуд и частот динамических напряжений в лопатках производилось методом тензометрирования натурных агрегатов ГТК-10. Тензодатчики устанавливались в местах наиболее вероятного появления максимальных напряжений. Изменение температуры металла лопаток в работающих машинах и ее влияние на напряженное состояние учитывалось введением поправочных коэффициентов на изменение значения модуля упругости в зависимости от температуры. При тензометрировании головного образца агрегата ГТК-10 во всем диапазоне рабочих и проходных оборотов в лопатках турбин высокого и низкого давления помимо фона, были обнаружены резонансные колебания, вызванные как общей неравномерностью газового потока, так и его неравномерностью за сопловыми лопатками, причем резонансы при fa = nz оказались интенсивнее, чем резонансы при д = kn. В обеих ступенях турбины наибольшие напряжения развивались при шестой по счету собственной частоте колебаний рабочей лопатки и достигали 10 - 14 107 Па (10 - 14 кгс/мм2). Максимальные амплитуды развивались при увеличении нагрузки до 50 % и сохранялись примерно на том же уровне при дальнейшем увеличении нагрузки до максимальной. Микроструктура литого сплава ЦНК-7 (ХН65ВМЮТ) представлена на рис. 4,2. Как правило, после проведения штатной термической обработки структура металла в некоторой степени сохраняет дендритный характер. Основной упрочняющей фазой сплава является интерметаллидная у -фаза №з(Ті, АГ), количество которой составляет 40-50%. Основной карбидной фазой сплава является карбид типа М23С6, и карбид типа МС различной морфологии. Также в сплаве могут присутствовать эвтектика у + у , сульфидные и боридные фазы.
Повышение эксплуатационных характеристик металла турбинных лопаток после длительной эксплуатации. Кинетика изменения и взаимосвязь сопротивления усталости и механических свойств металла
Длительное эксплуатационное старение металла рабочих лопаток промышленных турбин при рабочих температурах приводит к изменению их служебных характеристик.
Дисперсионное старение сплавов на никелевой основе, связанное с образованием в условиях повышенных температур чрезвычайно дисперсной у -фазы, и перераспределением карбидных фаз, особенно по границам зерен, приводит к повышению твердости, снижению пластических свойств и деформационной способности и повышению склонности металла к хрупким разрушениям. Такие структурные превращения отрицательно сказываются на характеристиках сопротивления усталости лопаток, снижение которых по сравнению с новыми лопатками может составлять порядка 20%.
Отмечено, что при старении в интервале температур 550-580 С уже после 10 000 в турбинных лопатках из сплава ЭИ893 наблюдается повышенное содержание у -фазы (около 11% по сравнению с 9% в металле после штатной термической обработки). Также выделяется карбидная фаза.
Для сплава ЭИ893 преобладающим является карбид Сг2зС6, выделяющийся по межзеренным границам в виде округлых частиц и пленок, разделенных выделениями у -фазы. Дополнительное выделение в твердом растворе у -фазы, а также карбидов по границам зерен оказывают существенное влияние на пластические свойства металла.
Создание благоприятного строения микроструктуры металла лопаток и устранение эффекта дальнего упорядочения после наработки возможно путем проведения восстановительной термической обработки (ВТО), что восстанавливает механические свойства металла, особенно его пластические характеристики (рис. 4.18). Режимы проведения ВТО для сплавов ЦНК-7 и ЭИ893, а также ее влияние на состояние микроструктуры металла подробно рассмотрено в главе 5. После проведения ВТО произошло снижение твердости и заметное увеличение пластических характеристик металла лопаток практически до уровня, характерного для новых лопаток. Сравнительные испытания на усталость после проведения ВТО показали, что предел выносливости лопаток практически соответствует уровню, характерному для лопаток без эксплуатационной наработки. Изменение предела выносливости турбинных лопаток из сплава ЭИ893 и ЦНК-7 после длительной эксплуатационной наработки с проведением и без проведения ВТО показано на рисунках 4.19 и 4.20. Характер изменения предела выносливости лопаток из сплавов ЦНК-7 и ЭИ893 хорошо коррелирует с изменением пластических характеристик металла (рис. 4.21 а, б). Таким образом, при отсутствии механических повреждений поверхностного слоя в процессе длительной эксплуатационной наработки, структурный фактор, является определяющим механизмом, оказывающим влияние на снижение эксплуатационных характеристик лопаток промышленных турбин. Структурные изменения металла рабочих лопаток турбин, изготовленных из сплавов на никелевой основе, приобретенные в процессе длительной эксплуатационной наработки, являются обратимыми. Их отрицательное влияние на служебные характеристики металла лопаток устраняется проведением восстановительной термической обработки. Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1. После длительной эксплуатации уровень механических свойств металла профильной части турбинных лопаток, изготовленных из сплавов на никелевой основе характеризуется изменением пластических и прочностных характеристик по сравнению с металлом в исходном (до эксплуатации) состоянии. 3. Изменение пластических свойств коррелирует с изменением характеристик сопротивления усталости. 2. Снижение пластичности металла турбинных лопаток, обусловлено изменениями в микроструктуре металла, а именно связано с дисперсионным старением при повышенных температурах в течение длительной эксплуатационной наработки. Данные структурные изменения металла рабочих лопаток турбин, изготовленных из сплавов на никелевой основе, приобретенные в процессе длительной эксплуатационной наработки, являются обратимыми. 4. Для повышения эксплуатационных характеристик металла турбинных лопаток после длительной эксплуатации необходимо проведение восстановительной термической обработки с целью восстановления механических свойств металла, а именно повышения пластичности.
