Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях старения основного оборудования отечественных тепловых электростанций и осознания того, что в ближайшее время не удастся провести обновление значимой его части, весьма актуальной становится проблема продления индивидуального ресурса установленных турбоагрегатов и предотвращения аварийных выходов оборудования из строя. По некоторым оценкам, ещё в 2005 году проектный ресурс эксплуатации (100 тыс. часов) был выработан почти на всех действующих тепловых электростанциях, а парковый ресурс, превышающий проектный в среднем в 2 раза, исчерпали 50% энергоустановок суммарной мощностью 65 млн. кВт1.
В этих условиях особое внимание необходимо уделять диагностике дефектов (т.е., согласно ГОСТ 20911-89, их выявлению, поиску мест их дислокации и определению их причин), развивающихся в валопроводах турбомашин, которые являются одними из наиболее опасных и способных привести к авариям с катастрофическими последствиями.
Сегодня остро стоит проблема продления ресурса высокотемпературных роторов паровых турбин (РВД и РСД). В ходе длительной эксплуатации в условиях высоких температур и напряжений в них накапливаются повреждения, вызванные ползучестью и усталостью, изменяются структура и свойства стали. Всё это приводит к появлению остаточных деформаций (прогибов) и трещинообразованию.
Вместе с тем, в ряде случаев имеют место проблемы, связанные и с надёжностью низкотемпературных элементов валопроводов. В качестве примера можно привести возникшую в последнее время проблему трещинообразования в низкотемпературных роторах, прежде всего в роторах НД ПТ-135/165-130/15 УТЗ (ТМЗ), имеющих наработку более 100 тыс. часов. Периодически наблюдаются повреждения муфтовых соединений роторов, как, например, разрушение болтового соединения муфт роторов ВД и СД турбин К-300-240 ХТЗ. Причём указанные дефекты могут возникать даже на оборудовании, которое не выработало свой ресурс. Причинами этого часто являются ошибки проектирования, нарушения технологии производства, а также пренебрежение некоторыми техническими требованиями в процессе
' Резинских В.Ф. Ресурс и надёжность металла паровых турбин тепловых электростанций / В.Ф. Резинских, В.И. Гладштейн // Теплоэнергетика. 2004. № 4. С. 2-6.
эксплуатации и станционного ремонта.
Необходимость продления ресурса и предотвращения аварийных выходов оборудования из строя повышает требования к методам и средствам технической диагностики и предлагаемым реконструктивным мероприятиям. В целях продления срока службы, повышения надёжности и экономичности установленного оборудования необходима разработка обоснованных рекомендаций, позволяющих диагностировать дефекты на раннем этапе их развития, увеличить несущую способность «слабых» узлов и повысить вибрационную надежность агрегатов в целом. Вместе с тем, некоторые из предлагаемых в настоящее время технологических и конструктивных мероприятий (использование и конкретные конструкции сотовых уплотнений в ЦВД паровых турбин, правка роторов при помощи систем балансировочных грузов и некоторые другие) небесспорны, а некоторые просто небезопасны.
Научная идея, объединяющая все задачи, рассмотренные в настоящей работе, и определяющая её цель, состоит в углублённом и всестороннем исследовании с использованием современных программных и аппаратных средств наиболее вероятных причин возникновения и развития дефектов валопроводов турбомашин.
Цель работы заключается в рассмотрении ряда наиболее распространенных дефектов валопроводов турбоагрегатов: анализе причин их появления, анализе существующих и разработке новых методов их обнаружения; выработке обоснованных мероприятий по предотвращению их развития; а так же анализе некоторых способов их устранения.
Научная новизна работы определяется тем, что впервые:
показано, что при существующей неравномерности крутящего момента на генераторе в сочетании с возмущениями от неравномерности тормозящего момента, предположительно возникающего на малорасходных режимах работы последних ступеней паровых турбин, первопричиной образования трещин в низкотемпературных роторах теплофикационных турбин могут стать крутильные колебания валопровода. Определяющим фактором трещинообразования при этом является степень отстройки валопровода от крутильных резонансов;
показано, что ни контроль, ни анализ изгибных и крутильных колебаний
не позволяют проводить диагностику кольцевых поперечных трещин в роторах на раннем этапе их развития из-за чрезвычайно малого их влияния на динамические свойства валопровода, но выявление резонансных режимов работы на основе постоянного мониторинга крутильных колебаний валопровода и принятие действий, направленных на предотвращение эксплуатации на таких режимах, может существенно повысить надёжность турбоагрегатов;
подтверждено, что поперечные трещины приводят к изменению собственных частот роторов только тогда, когда они практически достигают критических размеров, что не позволяет обнаруживать трещины в роторах по этому признаку в эксплуатации (в динамике);
предложены новые диагностические признаки некольцевых поперечных трещин в роторах, проявление которых возможно как в параметрах колебаний роторов, так и в параметрах вибрации опор, позволяющие проводить выявление этого дефекта в динамике на раннем этапе развития; впервые приведены дополнительные признаки наличия поперечной трещины, которые проявляются в горизонтально-поперечном направлении измерений, показано, что горизонтальная составляющая вибрации при наличии трещины может оказаться даже более информативной, чем вертикальная;
экспериментально подтверждена принципиальная возможность диагностирования некольцевых поперечных трещин в роторах на низкочастотных балансировочных станках зарезонансного типа;
на основе комплексного исследования несущей способности болтов муфтового соединения трёхопорных роторов показано, что прочность болтов определяют величина парового растягивающего усилия на муфте и динамические напряжения от изгибающего момента, действующего в сечении муфты; определены граничные условия монтажного и ремонтного характера, при которых происходит резкое увеличение динамических нагрузок на болтовое соединение, приводящих к его усталостному разрушению;
показано, что ползучесть роторов, обусловленная действием ЦБС от дисбалансов, — это процесс самотормозящий. Расчётными исследованиями показано, что дополнительные напряжения в роторе от
установки любых реальных систем грузов не делают явление ползучести заметным настолько, что его можно было бы использовать в целях правки роторов. Достоверность и обоснованность результатов работы определяются:
- использованием стандартной регистрирующей и анализирующей
аппаратуры, имеющей сертификаты метрологической поверки и
значительным объёмом полученных экспериментальных данных;
- воспроизводимостью опытных данных и согласованностью
экспериментальных данных с результатами собственных расчётов и с
результатами исследований других авторов.
Практическая ценность работы заключается в том, что проведённые автором исследования и предложенные мероприятия и методики диагностики дефектов валопроводов могут быть использованы и уже используются в настоящее время при решении научно-технических проблем повышения надёжности турбомашин.
Личный вклад автора заключается в анализе опубликованных данных по диагностике дефектов валопроводов турбомашин, причин их возникновения и методов устранения; в постановке и проведении расчётных и экспериментальных исследований, направленных на выполнение поставленных задач; в обработке и анализе полученных результатов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Результаты расчётов и их анализа, свидетельствующие о возможности возникновения усталостных кольцевых трещин в роторах паровых турбин вследствие крутильных колебаний валопровода, возникающих при работе ЧНД на малорасходных режимах.
Результаты исследований, показывающие невозможность раннего диагностирования кольцевых трещин посредствам анализа изгибных и крутильных колебаний вследствие их малого влияния на динамические свойства валопровода.
Полученные в ходе моделирования поведения вала с некольцевыми поперечными трещинами вибрационные признаки этого дефекта. Полученный вывод о принципиальной возможности диагностики поперечных трещин на низкочастотных балансировочных станках.
Результаты исследований несущей способности болтов муфтового соединения трёхопорных роторов, в частности муфты РВД-РСД турбины К-300-240 ХТЗ.
Результаты анализа метода правки высокотемпературных роторов путём установки специальных корректирующих масс с использованием эффекта направленной ползучести.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на научно-технических семинарах кафедры «Турбины и двигатели», XII и XV конф. молодых ученых ГОУ ВПО УІТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007, 2008), на V и VI Междунар. научно-техн. совещании "Проблемы вибрации, виброналадки, вибромониторинга и диагностики оборудования электрических станций" (ОАО «ВТИ», 2007, 2009), на 12-й междунар. конф. "HERVICON-2008" в Польше (Kielce-Przemysl, 2008), на семинаре «Вибрационная надёжность турбоагрегатов и вспомогательного оборудования» (Екатеринбург, 2008), на XVI Уральской междунар. конф. молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Екатеринбург, 2009).
Реализация. Результаты работы использовались при диагностике дефектов и производстве ремонтных работ на турбинах К-300-240 ХТЗ в филиале ОАО «Энел ОГК-5» «Рефтинская ГРЭС» и турбинах К-300-240 ЛМЗ на Кармановской ГРЭС ОАО «Башкирэнерго».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 3 статьи в реферируемых изданиях по списку ВАК, рекомендованных экспертным советом по энергетике.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, списка использованной литературы, включающего 121 наименование. Работа изложена на 187 страницах, содержит 71 рисунок и 15 таблиц.
