CC BY
40ЭНЕРГЕТИКА
А.И. Рыбников, зав. отделом, д.т.н., И.И. Крюков, ст.научн.сотр, к.т.н.
А.И. Левченко, зав.лабораторией, к.т.н., ОАО «НПО ЦКТИ» (входит в ОАО «Группа Е4»)
С.А. Леонтьев, начальник металлографической лаборатории, к.т.н.
Филиал ОАО «Силовые машины»- ЛМЗ в С.-Петербурге
Н.А. Калинин, начальник СУ «Леноргэнергогаз» (ДОАО «Оргэнергогаз»)
А.Г. Ковалев, начальник лаборатории, к.т.н. ЗАО «Невский завод-Ижора»
ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТУРБОАГРЕГАТОВ ГТК-10-4 И ГТ-750-6
В настоящее время в России на магистральных газопроводах находится в эксплуатации более 700 газотурбинных агрегатов ГТК-10 и 95 агрегатов ГТ-750-6. Большинство из них выработали назначенный заводом-изготовителем эксплуатационный ресурс. Для определения фактического уровня физико-механических свойств и расчета остаточного ресурса необходимо проведение испытаний методами разрушающего контроля материала дисков газотурбинных агрегатов с различной, в том числе с максимальной, наработкой.
В процессе проведения диагностических работ на компрессорных станциях (КС) ООО «Тюментрансгаз» ОАО «Газпром» особое внимание при технических обследованиях газотурбинных агрегатов и определении дополнительного ресурса в соответствии с требованиями промышленной безопасности на компрессорных
станциях газопроводов [1] следует уделять узлам и деталям, работающим в условиях высоких температур и переменных напряжений.
В основе продления ресурса газовых турбин типа ГТК-10-4 и ГТ-750-6 лежит обследование их фактического технического состояния (рис.1) следующими методами:
• методами визуально-оптического, цветного капиллярного, ультразвукового, другими методами неразрушающего контроля для установления степени по-врежденности деталей газовых турбин с целью определения фактического объема ремонтно-восстановительных работ;
• методами измерения твердости для оценки прочностных свойств;
• методами травления поверхности металла основных деталей специальными химреактивами и снятия металлографических реплик для металлографического исследования микроструктуры металлов, оценки и сравнения их с эталонными с целью выявления эксплуатационных изменений;
• методом сравнения параметров с аналогичными среднестатистическими параметрами агрегатов (количество пусков, аварийных остановок, ремонтов, все случаи и все виды разрушений и повреждений деталей агрегата за весь период эксплуатации, конструктивные и эксплуатационные особенности работы агрегата, перечень замен деталей и модернизаций узлов агрегата, виды и
Рис.1. Схема продления ресурса агрегата ГТ-10-4 со сверхнормативной наработкой
50 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № г \\ февраль \ зооэ
Рис. 2. Ротор ОК-ТВД ГПА ГТК-10-4
перечень ремонтов деталей, сведения об эксплуатации этих деталей после ремонта);
• методами разрушающего контроля материалов, отобранных представительных деталей или их частей, для определения и систематизации причин повреждений, а также степени деградации механических свойств основных деталей турбин, работающих в условиях высоких температур и переменных напряжений (определение фактических кратковременных механических свойств при комнатной и эксплуатационной температурах, исследование длительной прочности, исследование микроструктуры материалов методами оптической и электронной микроскопии, а также фазового состава структурных составляющих материала методами рентгеноструктурного и микрорентге-носпектрального анализа).
Наиболее эффективным способом оценки состояния металла высокотемпературных деталей после продолжительной эксплуатации являются испытания на длительную прочность образцов, вырезанных из этих деталей. Для сокращения времени испытаний до разрушения используются образцы, нагруженные высокими напряжениями при повышенных температурах. По результатам испытаний определяются следующие характеристики:
• уточненные значения длительной прочности на последующий период наработки;
• снижение твердости металла;
• относительная деформация и сужение площади поперечного сечения при разрушении, которые применяются для оценки сопротивляемости материала вязкому, хрупкому, малоцикловому разрушению и остаточного ресурса [2-5]. Анализ данных, полученных при проведении расчетно-экспериментальных работ, и результатов обследований технического состояния узлов и деталей проточных частей газотурбинных агрегатов ГТК-104 и ГТ-750-6 со сверхнормативной наработкой с точки зрения отрицательного влияния эксплуатационных факторов на свойства материалов (деградация свойств), трещинообразования во время эксплуатации, ремонтопригодности и аттестованности ремонтных технологий, отсутствия эффективной системы замены позволяет сделать вывод, что
основными элементами, ограничивающими ресурс газоперекачивающих агрегатов ГТК-10-4 и ГТ-750-6 достигнутыми наработками, являются диски роторов турбин высокого (ТВД) и низкого давления (ТНД) (рис.2).
Диски ТВД и ТНД газовой турбины ГТК-10-4 изготовлены из жаропрочной стали мартенситного класса ЭП428. Максимально зафиксированная наработка для дисков роторов ГТК-10-4 - около 170 тыс. часов.
Диски 1-й и 2-й ступеней ТВД газовой турбины ГТ-750-6 изготовлены из жаропрочной стали аустенитного класса ЭИ572, диски ТНД - из жаропрочной стали мартенситного класса ЭП428. Максимально зафиксированная наработка для дисков турбины ГТ-750-6 еще больше и составляет около 190 тыс. часов. Гребни дисков в зоне межпазовых выступов для крепления рабочих лопаток являются наиболее напряженными элементами ГТУ [6, 7]. Опасные эксплуатационные факторы: высокий уровень температур и напряжений на ободе дисков в зоне елочных пазов для крепления рабочих лопаток и все увеличивающаяся наработка могут привести:
• к ухудшению свойств материала дисков и в конечном итоге к образованию трещин в результате исчерпания запаса длительной прочности материала;
• в результате деградации свойств к охрупчиванию материалов дисков и повышению склонности к хладноломкости
(повышение переходной температуры хрупкости) и снижению уровня ударной вязкости;
• к разупрочнению материала дисков, особенно в результате перегрева;
• к коррозионному повреждению и ухудшению свойств материала поверхностных зон дисков.
На компрессорных станциях ООО «Тю-ментрансгаз» ОАО «Газпром» при техническом обследовании дисков ТВД и ТНД агрегатов ГТК-10-4 методом цветной дефектоскопии [8] примерно на каждом пятом диске обнаруживались трещины (рис. 3а и 3б) на внутренней поверхности елочного паза во впадинах под первым зубом межпазового выступа и на поверхности трапецеидальной проточки под стопорную пластинку. В том числе обнаруживались и случаи выхода трещин на торцевые поверхности дисков.
Вероятных причин возникновения трещин в дисках может быть несколько. Это несоответствие геометрии елочных пазов диска и рабочих лопаток и, как следствие, повышенный уровень напряжений; слишком плотная посадка стопоров при креплении лопаток; фреттинг-коррозия в пазах; повышенная температура на ободе дисков из-за неэффективности системы воздушного охлаждения и забросов температуры газа при пусках.
Отрицательное воздействие эксплуатационных факторов (рабочих напря-
энергетика
Рис. 3. Диск турбины высокого давления (ТВД) ГПА ГТК-10-4
А - с трещинами на внутренней поверхности елочного паза во впадинах под первым зубом межпазового выступа и на поверхности трапецеидальной проточки под стопорную пластинку;
Б - индикаторный след трещины в трапецеидальной проточке обода диска
жений и температуры) при отсутствии отклонений от штатных режимов эксплуатации и наработках до 170 тыс. часов из перечня возможных причин можно исключить, так как к настоящему времени влияние наработки на трещинообразование в дисках не установлено [9].
Между параметрами структурного состояния материалов после определенной температурно-временной предыстории и параметрами физикомеханических и прочностных свойств, характеризующими их остаточный ресурс, существуют определенные зависимости, которые следует учитывать при расчетном анализе повреждений и определении остаточного ресурса. Решение задачи продления ресурса узлов и деталей газотурбинных агрегатов может осуществляться двумя способами:
а) продление ресурса небольшими этапами по 3000-5000 часов, для чего анализируется техническое состояние агрегата и его элементов по внешним признакам (ресурс по техническому состоянию);
б) продление ресурса на значительный срок - 20000-50000 часов и более на основе прогноза его технического состояния расчетными методами с использованием имеющихся данных о
физико-механических и прочностных характеристиках материала применительно к условиям эксплуатации, заданной эксплуатационной модели, с учетом критериев разрушения для одновременно накапливаемых повреждений разного вида.
Однако все имеющиеся способы продления ресурса будут достаточно приближенными. Для более точного определения дополнительного ресурса отдельных деталей турбины, в особенности тех, которые работают при повышенных температурах и в условиях высоких статических и динамических нагрузок, необходимо проводить исследования металла разрушающими методами с различной, и обязательно с максимальной, наработкой. При этом необходимо проводить сопоставление изменения механических свойств с изменением микроструктуры и химсостава первичных и вторичных фаз с применением самого современного металлографического оборудования, обладающим большим разрешением.
В ОАО «НПО ЦКТИ» были проведены после разрезки испытания трех дисков ТВД [6, 7]. Микроструктура металла диска ТВД из стали ЭП428 после стандартной (заводской) термической обработки, состоящей из закалки с 10500С в течение 1 часа, охлаждения в масле и отпуска
при 7000С в течение 10 часов, представляет собой отпущенный мартенсит (рис. 4). Изменения в микроструктуре металла различных частей дисков ТВД после длительной наработки не выявлялись методом традиционной оптической металлографии.
Однако при применении высокоразрешающей аналитической электронной микроскопии для анализа химического состава вторичных фаз с использованием энергодисперсионного спектрометра (EDX) и спектрометра характеристических потерь (EELS) было установлено [7]:
• в основной карбидной фазе М23С6 (с ГЦК кристаллической решеткой на основе элементов Cr и Fe и с небольшим количеством Mo, W и V) при длительной эксплуатации происходят изменения, связанные с увеличением количества Cr и уменьшением количества Fe, т.е. возрастанием параметра Cr/Fe. Более высокая рабочая температура также повышает этот параметр. По возрастанию параметра Cr/Fe на одном из исследованных дисков с наработкой 99743 часов был установлен факт перегрева. В этом диске также обнаружено снижение прочностных свойств и повышение пластических характеристик;
• в мелкодисперсных, имеющих наноразмеры, карбонитридных фазах - на
52 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № 2 \\ февраль \ 2003
Рис. 4. Микроструктура (оптическая металлография) металла диска ТВД из стали ЭП428 после стандартной термической обработки, состоящей из закалки с 10500С в течение 1 часа, охлаждения в масле и отпуска при 7000С в течение 10 часов
основе М2(С,И) на основе Сг2 И, в которую входит V и С, и М(С,И) на основе VC с элементами Сг и И, - при длительной эксплуатации происходят изменения морфологии, размеров и химсостава, возрастает параметр Сг/У и уменьшается У/И - для М2(С,И), возрастает параметр У/Сг и уменьшается У/И - для М(С,И). Все эти параметры являются температурно-зависимыми характеристиками и также могут быть использованы для оценки фактической температуры эксплуатации и для оценки факта перегрева металла дисков.
Как показала разрезка дисков ТВД с наработкой 90-140 тыс. часов и исследование материала этих дисков методами разрушающего контроля, ожидаемого разупрочнения дисков из стали ЭП428 в результате эксплуатации не выявлено [6, 7, 9]. Получены важные сведения о том, что обнаруженное упрочнение материала дисков не приводит к снижению пластичности и вязкости даже после эксплуатации в течение 140 тыс. часов. Остается открытым вопрос об уровне длительной прочности, а также о дальнейшей скорости упрочнения или разупрочнения дисков. Для дальнейшего прогнозирования свойств и технически обоснованного продления ресурса необходимо исследование материала дисков ТВД и ТНД с наработкой не менее 170 тыс. часов.
Еще более остро проблема накопления скрытой повреждаемости стоит для деталей турбины ГТ-750-6, особенно для дисков ТВД из стали ЭИ572 [9]. Максимальная наработка обследованных дисков равна 190 тыс. часам. При обследованиях дисков на КС ОАО «Газпром» методами неразрушающего контроля эксплуатационные трещины
не обнаружены. Однако было выявлено повышение твердости материала дисков на поверхности. В результате последующих металлографических исследований реплик, снятых с дисков, в лабораторных условиях было обнаружено наличие в структуре, в ряде случаев, значительного количества О-фазы игольчатой формы, что, как известно, влечет за собой снижение пластичности,ударной вязкости и уменьшает сопротивляемость материала циклическим нагрузкам при пусках и остановах ГТУ. Оценка снижения уровня свойств материала диска из стали ЭИ572 и вероятность хрупкого разрушения диска невозможна без разрезки диска и исследования фактических свойств методами разрушающего контроля. Дальнейшая длительная эксплуатация турбин ГТ-750-6 с дисками такой наработки является недостаточно технически обоснованной и надежной.
Таким образом, проблема максимального продления ресурса и определения остаточного ресурса газоперекачивающих агрегатов ГТК-10-4 и ГТ-750-6 в большей степени стоит для тех ГПА, которые имеют неповрежденные ди-
ски ТВД и ТНД с наработкой более 100 тыс. часов. Эти диски подвержены накоплению скрытой повреждаемости. Скрытая повреждаемость материала имеет свойство накапливаться и связана с образованием эксплуатационных повреждений в виде микротрещин и пор, а также с деградацией структуры и связанным с этим ухудшением эксплуатационных свойств материала, в частности разупрочнению, сопротивляемости усталостным и хрупким разрушениям.
Определение фактического технического состояния материалов основных деталей газотурбинных агрегатов с разной наработкой с помощью разрушающих методов, сопоставление механических свойств материалов дисков с состоянием их микроструктуры, исследованной с помощью современных высокоразрешающих аналитических методов электронной микроскопии, позволит получить более точные, технически обоснованные данные для расчетно-экспериментальных методов прогнозирования деградации физикомеханических и прочностных характеристик материалов и определения дополнительного ресурса.
Литература:
1. Микаэлян Э.А. Требования промышленной безопасности на компрессорных станциях газопроводов// Газовая промышленность, 2005.- №1 - С. 50-53.
2. Адамович В.К., Левченко А.И., Вернер М.А. и др. Определение ресурса дальнейшей эксплуатации энергооборудования из хромомолибденовой стали после 170-200 тыс.ч. эксплуатации// Теплоэнергетика, 1978. - №10 - С. 10-13.
3. Резинских В.Ф., Меламед М.М. и др. Структурные изменения стали 25Х1М1Ф при длительном воздействии повышенных температур и напряжений// Металловедение и термическая обработка металлов, 1987. - №7 - С. 50-54.
4. Чижик А.А. Повышение ресурса работы металла корпусных деталей и роторов паровых турбин// Труды ЦКТИ: Вып.172. -1979. - С. 40-49.
5. Установки газотурбинные. Расчет на прочность дисков и роторов// РТМ 108.022.106-86. - Изд. НПО ЦКТИ. - С. 1-24.
6. Рыбников А.И., Манилова Е.П., Ковалев А.Г., Леонтьев С.А., Иванов А.В. Структура и свойства металла дисков ТВД турбины ГТК-10 после длительной эксплуатации// Труды ЦКТИ: Вып.286. - 2002. - С. 205-212.
7. Манилова Е.П., Рыбников А.И. Фазово-структурные превращения в металле дисков ТВД из 12% хромистой стали ЭП428 (20Х12ВНМФ) во время длительной эксплуатации// Труды ЦКТИ: Вып.295. - 2006. - С. 104-117.
8. Крюков И.И., Леонтьев С.А., Платонов В.С., Рыбников А.И. Опыт применения метода цветной дефектоскопии при диагностике газовых турбин// Газотурбинные технологии, 2006. - №7 - С.10-12.
9. Рыбников А.И., Калинин Н.А., Леонтьев С.А., Ковалев А.Г., Крюков И.И. Проблемы продления ресурса газовых турбин ГТК-10-4 и ГТ-750-6 с наработкой более 170 тыс.ч.// Труды ЦКТИ: Вып.295. - 2006. - С. 143-153.
