CC BY
74
УДК 621.793.6:669.245
Н.В.Можайская1, А.И.Рыбников1, Л.Б.Гецов1, Г.Д. Пигрова1, Н.В.Дашунин2, ОАО «НПО ЦКТИ», Россия, 2ООО «Мострансгаз», Россия
ОПЫТ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СТАЦИОНАРНЫХ ГТУ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДАХ.
ЧАСТЬ 4. ТЕРМОУСТАЛОСТНЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ГТУ
Рассматриваются результаты исследований причин повреждения турбинных направляющих лопаток стационарных ГТУ, эксплуатирующихся на КС магистральных газопроводах России. Такой причиной является образование трещин термической усталости. Установлено, что во время эксплуатации в средней части пера направляющих лопаток турбины ГТН-6 имеют место участки нагрева до температур, недопустимых для применяемого материала. Покрытия на лопатках обеспечивают резкое увеличение их ресурса. Рекомендуется проведение замены материала на сплав с более высоким сопротивлением термической усталости.
Турбинные лопатки, диагностика, структура металла, продление ресурса, ремонтопригодность,
скорость роста трещин.
Введение
В настоящее время термоусталостные повреждения лопаток энергетических стационарных ГТУ при длительной эксплуатации происходят достаточно часто, поскольку расчеты термоусталостной прочности в процессе проектирования и доводки машины, как правило, не проводятся или проводятся с использованием формулы универсального наклона Мэнсона, не позволяющей адекватно описывать условия разрушения при высоких температурах.
щШШ
В настоящее время на компрессорных станциях газопроводов ООО «Мострансгаз» работает большое количество газотурбинных агрегатов ГТ-6-750 (КС «Черемисиново», «Елецкая») и ГТН-6 (КС «Курск») производства УТМЗ. Для этих агрегатов одной из эксплуатационных проблем является образование трещин на кромках профильной части направляющих лопаток I ступени ТВД (см. рис. 1).
Рис.1. Внешний вид НЛ 1 ст. ТВД ГТН-6, КС «Курск», ст. №3 (наработка 41171 ч) © Н.В.Можайская, А.И.Рыбников, Л.Б.Гецов, Г.Д. Пигрова , Н.В.Дашунин, 2008
Лопатки изготавливались из широко применяемого в стационарном газотурбостроении литого сплава на никелевой основе марки ЭИ893Л. Большинство лопаток эксплуатируются без нанесения на них защитных покрытий.
Целью настоящего исследования являлось установление причин образования трещин и разработка рекомендаций по их предотвращению. Исследовались лопатки с наработкой 11655,15000, 19018,41171 и 48402 ч.
Металлографические и фрактографические исследования лопаток. По всему обводу пера в среднем сечении этих лопаток наблюдается довольно глубокое внутреннее окисление металла: на входной кромке — до 700 мкм, на выходной — до 500 мкм, в результате чего металл выходной кромки на участке протяженностью 5 мм на всю толщину пронизан оксидами алюминия. Очевидно, что скалывание образовавшихся на поверхности оксидов приводит к утонению пера, но оценить произошедшие потери металла не представляется возможным.
По цвету поверхности можно выделить четыре характерные области: коричневая (1), зеленая
(2), темно-коричневая с коррозионными язвами
(3) и изъязвленная черная блестящая (4).
Изменение толщины слоя оксидов и поверхностного обезлегированного слоя в зависимости
от длительности эксплуатации лопаток характеризуется следующими значениями, в мкм.
Таблица 1
Об- 14000 19018 41171
ласть
1 оксиды 4-6 6-10
обезлег. 8-11 15-18 23-28
слой
2 оксиды 30-35
обезлег. 35-45 65-75
слой
3 оксиды 70
обезлег. 75
слой
4 оксиды 250275
обезлег. 565-
слой 600
Проведенные исследования позволили установить закономерности процесса окисления металла пера лопаток из сплава ЭИ893Л. Установлено, что цвет четырех выделенных областей поверхности вызван различиями в процессах окисления, протекающих в поверхностном слое металла этих областей.
кл,
.15 кл. 19 кл.51 кл. 1
Наружная полка
1
4
Рис. 2. Различный характер коррозионного повреждения поверхности в зависимости от условий и длительности
эксплуатации
ческих напряжений.
1. На участках пера, имеющих гладкую коричневую поверхность, образуется поверхностная защитная пленка, в основном состоящая из оксида (Сг, Бе, А1)20з, и шпинели на основе № (Сг, ^^04. При этом происходит прямое превращение металла в окисел, под которым формируется обез-легированный слой, что приводит к уменьшению площади поперечного сечения неповрежденного металла и, следовательно, к увеличению терми-
2. Металл областей с зеленым цветом поверхности окисляется с преимущественным образованием на поверхности оксида типа шпинели М3О4 — это оксид на основе N1 (Сг, А1^04, под которым начинается процесс внутреннего окисления с образованием мелких оксидов А2О3. Это, помимо уменьшения способности нести нагрузку, вводит концентраторы напряжения, и, как следствие, уменьшает сопротивления термоусталости.
ШЯЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008
145
3. На поверхности областей, имеющих темно-коричневый цвет с коррозионными язвами, установлены оксидные фазы типа N10, Мз04, М2О3, в металле под слоем оксидов происходит интенсивное внутреннее окисление вдоль границ зерен и скалывание слоя оксида. Отслаивание во время эксплуатации приводит к дальнейшему окислению с более высокой скоростью.
4. Утонение пера лопатки на участке, имеющем черную блестящую поверхность, вызвано интенсивным окислением металла и потерей защитных оксидов, как в результате скалывания, так и в результате испарения оксида &2О3, летучего при температурах выше 1000 °С. Это обедняет сплав хромом и способствует более высоким скоростям окисления. Такое состояние связано с преимущественным образованием оксида никеля (N10). В результате эта область металла наиболее подвержена термоусталостным повреждениям.
Основным фактором, определяющим характер протекания процесса окисления поверхности, является температура. Анализ микроструктуры и фазового состава металла позволил определить местоположение различных температурных зон по поверхности пера.
Для определения количества основной упрочняющей фазы данного сплава - у'-фазы использованы как образцы из наружной и внутренней полок лопатки, так и образец, вырезанный из средней части пера лопатки вдоль продольного направления. В таблице 2 приведены полученные данные по количеству фазы для всех исследованных образцов.
Таблица 2
Количество у'-фазы в металле исследованных лопаток
Из таблицы видно, что количество у'-фазы в области 4 пера снижается до 1%, что свидетель-
ствует о перегреве металладо 900...1000 °С. Это сопровождалось резким уменьшением твердости в этой части лопатки (см. рис. 3)
300280> 260£ 240-
о 2205
а 200-ш
180160
« 0 10 20 30 40 50 60 70
Рис. 3. Изменение микротвердости по высоте пера исследованных лопаток
Стенки трещин, образовавшихся как на входной, так и на выходной кромке, интенсивно окислены; степень окисления соседних трещин различна, что свидетельствует о неодновременном возникновении трещин и об относительно медленном их развитии.
Проведенный анализ полученных результатов исследования позволил сделать следующие предположения о характере образования и распространения трещин в сопловых лопатках установок ГТН-6, изготовленных из сплава ЭИ893Л без покрытий. Будем исходить из следующих положений:
1. На лопатках образуется растущий со временем слой оксидной пленки разного состава, который в основном является хрупким. Поэтому при пусковых режимах в нем сравнительно легко (всего за несколько циклов) могут образовываться термоусталостные трещины в местах лопатки, где возникают максимальные напряжения, т.е. на кромках.
2. Величина размаха напряжений (деформаций) за цикл тем больше, чем выше температура металла. Таким образом трещины могут возникать скорее в наиболее нагретых зонах лопатки.
3. В связи с ограниченным числом пусков период цикла достаточно большой, чему соответствует межзеренное распространение термоусталостных трещин.
Наработка, ч КС, лопатка Зона лопатки у'-фаза, %
41171 Курск, лоп. 14 Наружная полка 9,0
Перо 1,0-12,0
Курск, лоп.51 Наружная полка 8,0
Перо 9,5
15000 Елец, лоп. 15 Наружная полка 8,0
Перо 11,5
11 655 Елец, лоп. А Наружная полка 9,0
Перо 11,5
4. Чем толще слой оксидов, тем больше длина образующихся трещин.
5. В зависимости от состава оксидной пленки она обладает различной пористостью и различными способностями препятствовать коррозионному расширению трещин.
6. Используя аппарат механики разрушения можно утверждать, что при одинаковых размахах напряжений микротрещины будут распространяться в основной металл только в случае, когда толщина оксидной пленки (длина микротрещины) превышает то, которому соответствует критическое значение размаха коэффициента интенсивности напряжений АК^.
7. По мере роста трещин в основном металле их рост тормозится и скорость роста может стать равной нулю на расстоянии, где размах коэффициента интенсивности напряжений АК(о, I) будет меньше критического значения этого размаха АК^ .
Таким образом, распространение тонких трещин из оксидного слоя в основной металл зависит как от толщины оксидного слоя, так и уровня температур, влияющего на величину размаха напряжений за цикл.
Поэтому главными параметрами, влияющими на распространение трещин в основной металл, являются толщина оксидной пленки и уровень температур, определяющий величину размаха напряжений.
Следует отметить, что тонкие микротрещины могут не выявляться используемыми на КС методами цветной дефектоскопии. Следует также отметить, что определенные коррективы в рассмотренную модель вносит образование на лопатках обезлегированного слоя, который, как известно из работы [1], снижает сопротивление термической усталости в зависимости от его толщины.
Выводы
Проведенные исследования направляющих лопаток ГТН-6 из сплава ЭИ893Л позволяют сделать следующие выводы.
1. Установлены закономерности образования оксидной пленки во время эксплуатации разной длительности, заключающиеся в изменении ее состава и толщины в зависимости от локальной температуры металла и длительности эксплуатации.
2. Образующиеся трещины имеют характер разрушения от термической усталости и скорость их роста уменьшается по мере удаления от кромок лопаток.
3. Установлена взаимосвязь условий образования трещин термической усталости и локальных областей высоких температур, идентифицируемых по цветам.
4. Предложен механизм образования трещин термической усталости.
5. Обследование НЛ с плазменным покрытием Co-Ni-Cr-Al-Y, проведенное на КС «Елец», показало отсутствие на них трещин после наработки 48402 ч.
Заключение
1. Установлено, что обнаруженные трещины вызваны термоциклическими нагрузками. В условиях, имеющих место в процессе эксплуатации перегревов пера лопаток, наблюдается разупрочнение материала и снижение его термоусталостной прочности в условиях образования обезлегированной зоны.
2. Сопоставление характера образовавшихся трещин в направляющих лопатках ГТН-6 и ГТН-6-750 с результатами ранее проведенных исследований позволяет утверждать следующее:
3. Обнаруженные трещины образовались вследствие термической усталости материала в условиях высоких термоциклических напряжений при пусках и остановах машин.
4. Термической усталости материала лопаток способствовали наблюдавшиеся при эксплуатации забросы температур, вызвавшие образование коррозионно-поврежденного поверхностного слоя.
5. Для увеличения срока службы направляющих лопаток можно рекомендовать мероприятия по уменьшению напряжений при пусках и остановах машин, предупреждение забросов температур и уменьшение окружной неравномерности температур путем совершенствования системы управления ГТУ, а также нанесение на лопатки надежных защитных покрытий.
6. В качестве мероприятий по увеличению ресурса лопаток могут быть также использованы:
- замена материала на материал с большей жаростойкостью и термопрочностью;
- периодическое восстановление плазменного покрытия СоС^1А№, с целью обеспечения требуемого ресурса лопаток 25000 ч;
- использование других высокотемпературных покрытий (выбор состава и оптимальной технологии нанесения);
Лопатки с трещинами глубиной до 5...6 мм могут быть допущены в дальнейшую эксплуатацию длительностью до 5000.8000 ч при условии предупреждения забросов температур.
Литература
1. Getsov L.B., Rybnikov A.I., Krukovski P.G. , Kartavova E.S. De-alloying and fatigue of high temperature alloys used for gas turbine blades. Materials at high temperature, v.13, №2, 1995, — P.81-86
Поступила в редакцию 01.08.08
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008
- 147 -
Розглядаються результаты дослгдженъ причин ушкодження турбтних напрямних лопаток стащонарних ГТУ, що експлуатуються на КС магСтральних газопроводах Роси. Такою причиною еутворення трщин термгчног утоми. Установлено, що тд час експлуатаци в середнш частит пера напрямних лопаток турбти ГТН-6 мають мгсце длянки нагргван-ня до температур, неприпустимих для застосовуваного матергалу. Покриття на лопатках забезпечують ргзке збыьшення iхнього ресурсу. Рекомендуеться проведення замши матерi-алу на сплав з быьш високим опором термгчнш утомг.
Results of researches of the reasons of damage of turbine guide blades of stationary GTE, maintained on CS the main gas pipelines of Russia are considered. Such reason is formation of cracks of thermal fatigue. It is established, that during operation in an average part of a feather of guide blades of turbine GTN-6 sites of heating to temperatures, inadmissible for an applied material take place. Coatings on the guide blades provide sharp increase in their resource. Carrying out of replacement of a material on an alloy with higher resistance of thermal fatigue is recommended.
