Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Абразивный износ элементов проточных частей цилиндров высокого и среднего давления паровых турбин 10
1.1 Анализ состояния проблемы абразивного износа лопаточных аппаратов первых ступеней паровых турбин 10
1.2 Причины образования твердых частиц, характеристики газоабразивного потока 20
1.3 Факторы, влияющие на интенсивность процесса абразивного износа материалов 25
1.4 Основные механизмы деформирования и разрушения поверхности материалов при высокоскоростном воздействии газоабразивного потока 34
1.5 Методы и средства исследования процесса абразивного износа материалов 35
1.6 Современные способы активной и пассивной защиты от абразивного износа лопаточных аппаратов первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления паровых турбин 46
1.7 Постановка задач исследований 69
ГЛАВА 2 Описание экспериментального стенда и методики проведения исследований процесса абразивного износа 72
2.1 Экспериментальный стенд для изучения процесса абразивного износа конструкционных материалов 72
2.2 Методика проведения исследований и измерения основных величин 85
2.3 Оценка погрешностей измерений 89
ГЛАВА 3 Статистический анализ динамики развития процесса абразивного износа 94
3.1 Экспериментальное оборудование и методика исследований поведения статистических характеристик динамики процесса абразивного износа 96
3.2 Поведение статистических характеристик отраженных твердых частиц эродента при их взаимодействии с поверхностями лопаточных сталей
3.3 Поведение статистических характеристик частиц мишени при их взаимодействии с поверхностями лопаточных сталей 110
3.4 Статистический анализ отражённых твердых частиц эродента при нормальном обтекании абразивной струёй плоской поверхности 115
ГЛАВА 4 Исследования динамики процесса абразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ 124
4.1 Влияние концентрации твердых частиц эродента на динамику
процесса абразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ 124
4.2 Влияние угла атаки газоабразивного потока на динамику процесса абразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ 130
4.3 Влияние температуры поверхности на динамику процесса абразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ 135
ГЛАВА 5 Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления паровых турбин 141
5.1 Оборудование для формирования ионно-плазменных покрытий 143
5.2 Исследование абразивной стойкости лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ с ионно-плазменными покрытиями 148
5.3 Технико-экономическое обоснование применения ионно-плазменного покрытия для повышения абразивной стойкости лопаточных аппаратов цилиндров высокого и среднего давления паровых турбин 162
Выводы 166
Список использованных источников
- Основные механизмы деформирования и разрушения поверхности материалов при высокоскоростном воздействии газоабразивного потока
- Методика проведения исследований и измерения основных величин
- Поведение статистических характеристик частиц мишени при их взаимодействии с поверхностями лопаточных сталей
- Влияние угла атаки газоабразивного потока на динамику процесса абразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ
Основные механизмы деформирования и разрушения поверхности материалов при высокоскоростном воздействии газоабразивного потока
В указанных областях на рисунке 1.10, ограниченных линией меридионального обвода и красной линией, перемещаются все частицы, в том числе и с размерами более 80 – 100 мкм, создающие реальную угрозу абразивного износа. Указанные области формируются за счет движения частиц под действием центробежных сил, возникающих от закрутки парового потока, вследствие чего концентрация крупных частиц у периферии ступени возрастает. Преодолевая первую ступень ЦСД, твердые частицы подвергаются интенсивному дроблению, но все еще сохраняют способность повреждения второй (14-й), третьей (15-й) и четвертой (16-й) ступеней. Необходимость ремонта возникает для 14-й ступени через 80-100 тыс. ч. эксплуатации, для 15-й и 16-й ступеней – через 120-140 тыс. ч., причем эти сроки существенно сокращаются, когда продукты разрушения 13-й ступени (уплотнительные вставки, сегменты бандажа, осколки уплотнительного козырька) увлекаются потоком пара и выносятся далее в проточную часть, вызывая повреждения [37].
Перевод блоков на нейтрально-кислородный водный режим [38] способствовал образованию на внутренних поверхностях перегревательных труб парогенератора оксидных пленок, нестойких к разрушению. Трубы указанных элементов выполнены из перлитных сталей и интенсивное окалинообразование происходит вследствие несоответствия их жаростойкости реальным температурным условиям эксплуатации [9, 17, 33, 37, 38]. На рисунках 1.10 и 1.11 представлены внутренние поверхности труб первичных пароперегревателей с оксидной пленкой.
Состояние внутренней поверхности трубы промежуточного пароперегревателя котла П-59 (ст. №2) Рязанской ГРЭС (энергоблок 300 МВт) Процесс образования на внутренней поверхности нагрева труб котлов сверхкритического давления защитной оксидной пленки в виде магнетита Fe3O4, толщиной от 0,1 до 0,25 мм представляет собой сложное физико-химическое явление. По реакции Шиккора образование магнетита характеризуется следующими уравнениями [16]: Fe2+2ОН- Fe(OH)2, (1.1) 3Fe(OH)2 Fe3O4+H2(g)+2H2O (1.2)
Скорость образования окалины зависит от сорта стали труб и температурного режима, наличия кислорода для окисления. Образование пленки приводит к повышению температуры труб пароперегревателей, что может привести к местному пережогу труб и последующему их ремонту или полной замене. В последние годы разрабатываются различные мероприятия как режимного характера, так и путем внедрения новых аустенитных сталей типа Ди59 [16] по предотвращению процессов разрушения оксидной пленки.
При изменении температуры, у металла труб и оксидной пленки происходит различное расширение (из-за разных коэффициентов температурного расширения), что ослабляет сцепление пленки с металлом и, при соответствующих условиях, зависящих прежде всего от толщины пленки и температурного изменения, может привести к ее отслоению [9]. Это возможно при пусках котла из холодного состояния, его останове, изменениях температурного режима.
Образовавшиеся частицы магнетита (см. рисунок 1.12) вместе с паром поступают в проточную часть паровой турбины. После промежуточного пароперегревателя пар вместе с частицами окалины поступает в ЦСД турбины. В роли абразивных частиц также выступает сварочный грат, откалывающийся от поверхностей ободов диафрагм первых ступеней вследствие ударного воздействия твердых частиц и температурных деформаций в процессе эксплуатации турбоустановки (см. рисунок 1.13 б), а также элементы уплотнительных вставок, выбитых вследствие абразивного износа (см. рисунок 1.14 в).
В проточную часть турбины попадают частицы, пропускаемые ситами, диаметр отверстий в которых обычно равен 2,5 мм (сразу после монтажа или капитального ремонта временно устанавливаются сита с отверстиями 1,5 мм). Спектр размеров частиц, собранных в паровой коробке ЦСД-1 турбины Т-250-240 ТМЗ [17], показан на рисунке 1.15. Из графика видно, что среднемассовый (модальный) размер составляет 140 мкм, суммарная масса частиц менее 400 мкм не превышает 10%. Максимальный размер собранных частиц не превышает 1 мм [17]. Частицы обнаруживаются в камерах паровпуска и безотборных ступенях цилиндра турбины, в регенеративных подогревателях и даже на днище конденсатора [17, 37, 38]. Рисунок 1.15– Относительная накопленная масса частиц, собранных в паровой коробке ЦСД [17]
Разница в плотности магнетита ( = 5080 кг/м3) и пара предопределяет малые значения коэффициентов скольжения даже при малых размерах частиц. Твердая частица, попавшая в канал вместе с паром, приобретает траекторию движения, определяемую ее размером, формой, начальной скоростью, плотностью и распределением скорости окружающего пара [33]. При попадании частиц окалины в проточную часть турбины степень абразивных повреждений во многом зависит от конструктивных особенностей проточной части.
Методика проведения исследований и измерения основных величин
В связи с возрастающими требованиями к повышению эксплуатационного ресурса энергетического оборудования при сохранении его высокой надежности актуальными являются разработки по повышению соответствующих механических характеристик используемых конструкционных материалов. В настоящее время большое число публикаций посвящено модификации поверхностных свойств конструкционных материалов, в результате которых в поверхностных слоях происходят структурные изменения с увеличением, как правило, твердости и микротвердости, повышением их износостойкости при неизменности свойств и структуры более глубоких слоев.
Для модификации поверхностных слоев входных и выходных кромок рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин применяют различные конструктивные и технологические решения:
Основным пассивным способом борьбы с абразивным износом является упрочнение функциональной поверхности или формирование защитных покрытий. Эти меры широко используются ведущими зарубежными и отечественными турбостроительными фирмами [11, 24, 33].
В зависимости от условий нагружения изделия и условий окружающей среды покрытия совместно с основным материалом могут противостоять многим процессам: абразивному износу, усталости и трибокоррозии. Технические решения по увеличению износостойкости должны быть направлены на создание универсальных защитных покрытий, противостоящих комплексному воздействию повреждающих факторов и обеспечивать «настройку» характеристик покрытий для различных эксплуатационных нагрузок, характерных для нерасчетных режимов работы турбоустановки. Поиски новых материалов для лопаток, подвергающихся износу, затруднены тем, что такие лопатки наряду с абразивной стойкостью должны обладать жаростойкостью, высокими прочностными свойствами, в том числе и усталостными, а также простотой изготовления. В настоящее время лопатки паровых турбин выполняются из сталей с повышенным содержанием хрома 12Х13-Ш, 20Х13-Ш, 15Х11МФ-Ш, 13Х11Н2В2МФ-Ш (ЭИ961).
Одним из применяемых типов упрочнения является диффузионный метод насыщения изделий бором. В результате химической реакции между нержавеющей сталью и бором, протекающей при температуре до 900 С, на поверхности образуется твердый слой толщиной около 0,15 мм. Диффузионное насыщение изделий бором значительно повышает абразивную стойкость нержавеющих сталей в условиях газоабразивного износа, однако технологический процесс включает в себя нагрев до 900 С, что приводит к разупрочнению и изменению структуры металла, к тому же боридные слои обладают высокой хрупкостью и низкой пластичностью, что ограничивает область их применения.
Другим типом упрочнения является применение газотермических покрытий. Формирование указанного покрытия, толщиной около 0,2 мм, осуществляется плазменной струей при температуре примерно 650 С. Такой тип покрытия не ухудшает свойств основного металла и, хотя твердость его меньше, чем у диффузионного покрытия, оно считается более эффективным. Газотермические покрытия показывают высокую эффективность при защите металла, но ряд существенных недостатков не позволяет широко использовать этот метод формирования покрытий. Одним из недостатков технологии плазменного покрытия является ограничение по зонам лопатки, точнее, пакета лопаток, куда может проникнуть плазменная струя [3, 4, 22]. Также к нежелательным эффектам от применения газотермических покрытий можно отнести: большую толщину покрытия и высокую шероховатость обрабатываемой поверхности, что приводит к значительному ухудшению газодинамических свойств изделия, а также низкую адгезию покрытия, что создает опасность его отслоения.
Еще одним из известных способов увеличения абразивной стойкости конструкционных материалов является нанесение наплавки с помощью наплавочных электродов. Отечественная промышленность выпускает в основном штучные наплавочные электроды по ГОСТ 10051-75, но, к сожалению, ассортимент отечественных порошковых проволок довольно узок.
Целесообразность применения наплавочных электродов обусловлена сравнительно простым методом наплавки, когда наплавку можно проводить во всех пространственных положениях, наплавлять на детали со сложной геометрией. Для применения электродов не требуется специального или сложного оборудования, как правило, сварочные источники для электродуговой сварки электродами есть на любом предприятии или мастерской. Применение портативных переносных сварочных аппаратов позволяет выполнять работы электродами вне оборудованных цехов.
Наплавочные износостойкие электроды условно можно классифицировать по типу износа для защиты от которого они предназначены, хотя многие марки электродов можно использовать при комбинированном износе, но при этом одни будут лучше работать, например, в условиях абразивного износа и умеренных ударах, а другие - в условиях ударов и во вторую очередь, абразивного износа. Получить универсальные наплавочные материалы довольно затруднительно. Например, при увеличении стойкости к абразивному износу уменьшается стойкость к ударам и наоборот.
Для противостояния чисто абразивному износу чаще всего используется высокохромистый чугун (сормайт), наносимый отечественными электродами Т-590. Этот материал имеет как ряд преимуществ, так и недостатков. При наплавке электродом Т-590 получается матрица с твердостью до 59HRC с образованием карбидов хрома твердостью 1300HV и карбидов бора с твердостью порядка 2500HV. Но на практике применение электродов Т-590 резко ограничивается тем, что при наплавке электрод имеет свойство сильно перемешиваться с основой, на которую ведется наплавка. Поэтому на наплавленный материал оказывает сильное влияние легирующие элементы металла основы. Так при наплавке в один слой твердость матрицы остается в пределах 40-45HRC. Поэтому рекомендуется вести наплавку в два слоя. С другой стороны, введенный для увеличения износостойких характеристик в его состав легирующий элемент бор приводит к охрупчиванию наплавленного материала и резкому снижению ударостойких характеристик. Так при наплавке в два слоя повышается вероятность выкрашивания и резко снижаются износостойкие характеристики в условиях абразивно-ударного износа. Лучшей альтернативой электродам Т-590 являются электроды Castolin 4010. Электроды 4010 имеют минимальное перемешивание с базовым материалом и уже в первом наплавленном слое позволяют получать все износостойкие характеристики и твердость [19].
Поведение статистических характеристик частиц мишени при их взаимодействии с поверхностями лопаточных сталей
После определения функциональных зависимостей вычислялись значения производных оценок математического ожидания М, среднеквадратического отклонения сг, коэффициента асимметричности Sk и эксцесса Ех при каждом времени экспонирования t на стенде и строились графики поведения этих производных по времени. По данным графическим зависимостям определялось время, начиная с которого значения указанных производных близки к нулевым, что свидетельствует о наступлении установившегося периода процесса абразивного износа, и, следовательно, существовании некоторого предшествующего этапа до указанного времени.
Поведение статистических характеристик отраженных твердых частиц эродента при их взаимодействии с поверхностями лопаточных сталей
Генеральной совокупностью исходного эродента было принято его количество в состоянии поставки, которое составляло несколько килограммов. Поэтому, при оценке состава уловленных частиц, статистический анализ размеров исходного эродента проводился на нескольких частных выборках, каждая из которых содержала от 200 до 500 уловленных частиц. Проведенные статистические оценки математических ожиданий (M) и среднеквадратических отклонений (сг) частных выборок выявили их незначительное отличие друг от друга. На рисунке 3.8 представлена гистограмма эродента в состоянии поставки по длинам частиц 103 одной из частных выборок эродента: (М = 331,02 мкм, а = 199,9 мкм). Количество проанализированных частиц составило 217 шт., диапазон зафиксированных длин - 12785 мкм.
Приведенная на рисунке 3.8 гистограмма уловленных твердых частиц эродента в состоянии поставки отчётливо демонстрирует наличие в исходном эроденте двух фракций, то есть бимодальное распределение. Значения статистических оценок, произведенных для других выборок твердых частиц в состоянии поставки, незначительно отличались от значений, приведённых выше.
Следует заметить, что получившееся резкое деление на фракции не совсем корректно. Дело в том, что в действительности интервал размеров каждой фракции может пересекаться с интервалом другой фракции; интервал мелкодисперсной фракции может иметь продолжение в интервале крупнодисперсной фракции, равно как и интервал крупнодисперсной фракции - в интервале мелкодисперсной. В области их пересечения экспериментально произвести отделение частиц одной фракции от другой является трудновыполнимой задачей.
Приведённые выше значения распределений относятся к твердым частицам до введения их в поток несущей среды. До встречи с мишенью частицы эродента взаимодействуют между собой и со стенками формирующего поток канала. В этих условиях получение информации о статистических характеристиках абразивного потока непосредственно перед взаимодействием его с мишенью не представилось возможным без нарушений структуры потока. Принимая во внимание данное замечание, приведённые статистические характеристики эродента в состоянии поставки можно принять за отправные значения, поскольку в дальнейшем они практически не изменялись.
В результате взаимодействия с поверхностью мишени статистические характеристики отражённых частиц эродента изменяются. Например, на рисунке 3.9 представлена гистограмма частиц эродента после первой минуты испытаний: М= 166,8 мкм, а = 157,0 мкм.
Анализ полученных данных выявил, что в сравнении с аналогичными показателями в состоянии поставки, статистическая оценка математического ожидания уменьшилась почти в два раза, в то время как оценка среднеквадратического отклонения уменьшилась не так значительно. Резкое уменьшение оценки математического ожидания связано с дроблением некоторых частиц крупнодисперсной фракции эродента при соударениях с мишенью, в результате чего возрастает мелкодисперсная часть. При этом отчётливое деление на фракции, отмеченное выше, в этом случае не столь заметно. Во всяком случае, говорить о ярко выраженной бимодальности распределения здесь не приходится, однако, и в этом случае можно выделить мелкодисперсную и крупнодисперсную фракции.
Согласно методике исследования поведения статистических характеристик значения основных величин, были определены после каждого времени экспонирования на стенде. На рисунках 3.10 и 3.11 представлено поведение оценок математического ожидания, среднеквадратического отклонения, коэффициента асимметрии и эксцесса на протяжении 36 минут.
Влияние угла атаки газоабразивного потока на динамику процесса абразивного износа лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ
Типичные износостойкие покрытия, применяемые в промышленности, основаны на нитридах, карбидах и боридах. По сравнению с чистыми металлами температуры плавления их карбидов, нитридов и боридов на 10002000 К выше и твердость составляет от 20 до 30 ГПа (у металлов не более 10 ГПа). За исключением алюминия все другие используемые для формирования покрытий элементы имеют температуру плавления Tm на уровне 1700 K и более (за исключением вольфрама 3700 K) и поэтому являются жаростойкими, что особенно актуально при применении для защиты от абразивного износа первых лопаток ЦВД и ЦСД паровых турбин, эксплуатирующихся при совокупном воздействии газоабразивного потока и высоких температур, достигающих значений 550 С (823,5 K).
Многослойные покрытия позволяют обеспечить одновременно высокую жаростойкость и абразивную стойкость [95]. Если жаростойкость многослойного покрытия можно обеспечить путём создания слоя из жаростойкого материала, обладающего сплошностью и имеющего определенную минимальную толщину, то обеспечение необходимой абразивной стойкости покрытия весьма проблематично и зависит от многих факторов. Например, уязвимое место - граница раздела «покрытие-основа», где прочность системы в значительной мере определяется совершенством их связи, сцепления, общей толщиной покрытия, толщиной слоев в нем и их акустических свойств. Твердость системы покрытие-подложка и микротвердость покрытия существенно влияют на абразивную стойкость. На основе вышесказанного была выбрана концепция формирования абразивостойкого покрытия на основе введения в металлическую матрицу, обладающую жаростойкими свойствами, высокодисперсных частиц упрочняющей фазы с равномерным их распределением по объему матрицы (обладающую повышенной прочностью).
Среди широко используемых в энергетике жаростойких материалов подходящими свойствами обладают сплавы на основе никеля Ni, в частности никель-хромовый сплав NiCr – ХН70Ю. Этот сплав широко применяется для изготовления деталей, работающих при температурах 1100-1200С. Производство сплава ХН70Ю хорошо освоено промышленностью, что делает его применение целесообразным и с экономической точки зрения. В качестве высокодисперсных частиц упрочняющей фазы выбран карбид хрома CrC, обладающий повышенной твердостью и износостойкостью
На основании изложенного выше анализа, в качестве материала для формирования износостойкого покрытия был выбран хромоникелевый сплав на основе NiCr (ХН70Ю), а в качестве защитного покрытия – многослойное покрытие сложной структуры на основе никель-хромового сплава NiCr, хрома Cr, а также их соединений с углеродом -(NiCr/Cr-NiCrC/CrC).
Также весьма перспективными материалами для абразивостойких покрытий являются нитриды, карбиды, карбо-нитриды таких тугоплавких химических элементов как Ti, Cr, в частности, защитные многослойные покрытия на основе нитрида сплава титан-алюминий TiAlN и карбида хрома CrC (см. рисунок 1.39). Проведенный анализ показал эффективность применения многослойных ионно-плазменных покрытий на основе чередующихся слоев сплава титан-алюминий и его нитрида – TiAliAlN, хрома и его карбида – Cr-CrC.
Таким образом для исследования абразивной стойкости на мишенях из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ были сформированы ионно плазменные покрытия на основе TiAliAlN, на основе Cr-CrC, и на основе NiCr/Cr-NiCrC/CrC. Формирование ионно-плазменных покрытий на поверхностях образцов производилась на установке «Гефест».
Процесс ионно-плазменного формирования покрытий включал в себя следующие основные стадии: предварительную подготовку поверхностей образцов (полировка, удаление загрязнений с поверхности и обезжиривание); их загрузка в вакуумную камеру; откачку вакуумной камеры на высокий вакуум с предварительным нагревом; ионную очистку и собственно формирование покрытий на поверхности образцов.
Предварительная подготовка поверхностей образцов перед процессом формирования ионно-плазменных покрытий в вакууме является обязательной и неотъемлемой частью всего технологического цикла. Основная цель предварительной подготовки – придание поверхности заданных параметров шероховатости (Ra, мкм) и удаление или значительное снижение поверхностных загрязнений до допустимого уровня, обеспечивающего эффективное взаимодействие осаждаемого потока вещества с подложкой. Предварительная подготовка поверхностей образцов проводилась в установке электролитно-плазменной полировке (ЭПП).
Установка электролитно-плазменной полировки Установка электролитно-плазменной полировки ЭПП-100 предназначена для полирования изделий из коррозионно-стойких сталей, титановых и никельхромовых сплавов, причем как для окончательной отделки поверхностей, так и для подготовки поверхностей к последующему нанесению гальванических покрытий или покрытий с использованием вакуумных технологий.
В основе работы установки лежит способ электроимпульсного полирования, заключающийся в создании вокруг обрабатываемого изделия, погруженного в электролит, парогазовой рубашки, и ее комплексном физико химическом воздействии на поверхность изделия. В результате этого воздействия происходит незначительное удаление металла и снижение шероховатости полируемой поверхности. Установка обеспечивает улучшение качества полируемых изделий не менее, чем на 2 класса от исходного состояния. Общая площадь одновременно полируемых изделий не более 2000 см, за одну загрузку. Время обработки изделий, в зависимости от состояния исходной поверхности, составляет 220 мин. В состав установки электролитно-плазменного полирования входят: шкаф управления, понижающий силовой трансформатор и рабочий модуль электролитно-плазменного полирования (см. рисунок 5.1). Установка имеет возможность работы как в ручном, так и в автоматическом режиме. Ручной режим работы предусмотрен для отработки технического процесса.