CC BY
317
УДК 621.793.6:669.245
Н.В.Дашунин1, А.И.Рыбников2, Л.Б.Гецов3, Н.В.Можайская2, И.И.Крюков2,
С.А.Леонтьев4
10ОО «Мострансгаз», Россия, 2ОАО «НПО ЦКТИ», Россия, 3Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 4 Филиал ОАО «Силовые машины»- ЛМЗ в С.-Петербурге, Россия
ОПЫТ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СТАЦИОНАРНЫХ ГТУ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДАХ
ЧАСТЬ I. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
ДЕТАЛЕЙ
Аннотация: Проведен анализ наиболее характерных повреждений деталей стационарных ГТУ, рассмотрено влияние на металл температуры, времени и повреждений при длительной эксплуатации.
Турб, иные лопа2к,, д, ск, ро2оров, поврежден, , ремон2опр, годнос2ь, продлен, е ресурса
Введение
В настоящее время наработка стационарных ГТУ, эксплуатирующихся на магистральных газопроводах, в ряде случаев превышает 100000 ч (табл.1), в то время как назначенный ресурс лопаток, например, варьируется в пределах от 18 до 80 тысяч часов.
Таблица 1
Максимальная наработка лопаток ГТУ на КС «Мострансгаз»
ГТУ Тгаза на входе, С МВт КПД % ттах., ч.
ГТ-6-750 750 6 24,0 85157
ГТН-16М1 900 16 29,0 35067
ГТН-25-1 1090 25 31,0 67430
ГТ-750-6 750 6 27,0 122720
ГТК-10-4 780 10 29,0 20162
ГТК-25ИР 940 25 34,4 117602
В работе рассмотрены как виды недопустимых для дальнейшей эксплуатации повреждений рабочих и направляющих лопаток ТВД, ТНД и ОК, изготовленных из материалов, приведенных в табл.2, так и особенности изменения состояния поверхностного слоя лопаток и их структуры при эксплуатации, определяющих возможности продления ресурса. Изучение состояния различных лопаток проведено после различных сроков эксплуатации.
Таблица 2
Материалы исследованных лопаток ГТУ
Примечание. В скобках указаны марки материа-
ГТУ Турбинные лопатки Лопатки ОК
рабочие направляющие
ТВД ТНД ТВД тнд
ГТ-6-750 УТМЗ ЭИ893 ЭП428 ЭП428 ЭИ893Л ЭИ893 ЭИ802 20Х13
ГТ-750-6 НЗЛ ЭИ893 ЭП428 ЭИ893 ЭИ726 ЭИ802 ЭИ961
ГТН-25-1 УТМЗ ЦНК-7 ЗМИ-3У ЭИ929 ЭИ893 ЗМИ-3 У ЭИ893Л ЭИ961
ГТК-25ИР Geneгal Electгic ЗМИ-3У (IN738LC) ЦНК-7 (Ште! 500) Б8Х-414 Б8Х-414 ЛШ-403
ГТН-16 УТМЗ ЗМИ-3У (ЖС6К) ЭИ929 ЗМИ-3 У ЗМИ-3 У ЭИ961
лов в первоначальном варианте исполнения.
1. Повреждения лопаток
К числу наиболее распространенных повреждений лопаток следует отнести следующие:
-образование трещин и перегревы направляющих лопаток ТВД ГТ-6-750 УТМЗ после наработки 9800-38000 ч,
-образование трещин в направляющих лопатках ТВД ГТК-25ИР после наработки 15800-109000 ч,
-образование трещин в рабочих и направляющих лопатках осевого компрессора ГТ-750-6 НЗЛ после наработки 9100-71000 ч.
© Н.В.Дашунин, А.И.Рыбников, Л.Б.Гецов, Н.В.Можайская, И.И.Крюков, С.А.Леонтьев 2006 г.
1.1 Образование коррозионно-механичес-ких повреждений турбинных лопаток
Проведенные методами РСМА и фазового анализа исследования поверхностного слоя лопаток различных ГТУ после длительной эксплуатации позволили установить в окисном слое наличие не только оксидов хрома, но и сульфидов никеля. Проблема попадания в проточную часть газовых турбин, работающих на природном газе, серосодержащих соединений рассматривалась в конце 70-х - начале 80-х годов прошлого столетия. Было установлено наличие корреляции между интенсивностью коррозионного повреждения лопаток и географическим расположением КС в почвенно-кли-матической зоне. К главным причинам коррозии лопаток ГТУ, эксплуатирующихся на КС, были отнесены: механические примеси циклового воздуха, жидкие и твердые фракции топливного газа (конденсата), попадание в проточную часть паров турбинного масла с высоким содержанием серы. Первые две причины в последние годы были практически исключены за счет применения совершенных методов очистки воздуха и газа.
Рассмотрим подробнее на примере установки ГТН-25-1 вопросы попадания в проточную часть турбин масла, в котором, как известно, содержится массовая доля серы до 0,5% (согласно ТУ 38.101821-2001 для турбинного масле ТП-22С марки 1). Фактически обычно Б = 0,35-0,45%.
Возможными путями попадания паров масла в топливный газ установок ГТН-25-1 являлись:
1. Разрушение (или увеличение зазоров) плавающих колец уплотнительных подшипников;
2. Возможные отказы в работе фильтр-сепараторов;
3. Длительная работа с превышением рабочего 0,5 - 0,7 кгс/см2 перепада давления масло-газ (более 1,0 кгс/см2) .
На нагнетателях Н-300-1,23, Н-6-56 (ЦБН), работающих от ГТН-25-1, ранее были установлены уплотнения « Келлера» лабиринтового типа. На этих уплотнениях происходит дросселирование газа до 10 атм. Размеры и конструкция уплотнений обеспечивали протечки газа, соответствующие 40-50% от расхода топливного газа (О = 20,4 м3/мин). В уплотнительном подшипнике имеется гидравлическое уплотнение, давление масла в котором поддерживается регулятором на 0,3-0,5 атм выше давления газа в уплотнении. Часть масла идет на смазку подшипника, другая - на запирание газа. Потоком газа часть масла, идущая на запирание газа, уносится в коллектор газа (приблизительно от 0,35 до 0,5 кг/мчас) и далее через газосепаратор (г/с) сетчатого типа попадает в топливный коллектор на
ГПА.
Было выявлено, что эффективность очистки газа одной ступенью газосепаратора при эксплуатации недостаточна, так как масло в количестве 0,2-0,3 кг/час из одного ЦБН попадает в камеры сгорания ГПА. В связи с этим была установлена вторая ступень очистки газа. Для этого выход с уплотнения газосепаратора газа был врезан на вход газосепаратора БРТПГ, что в результате обеспечило вторую ступень очистки газа с уплотнения.
Таким образом для отделения возможного присутствия масла или паров масла в топливном газе из уплотнений нагнетателя в настоящее время установлены два фильтр-сепаратора:
- в линии после отбора из нагнетателя,
- в линии после смешения с топливным газом из станционной системы
Аналогичное мероприятие было реализовано применительно к установке ГТН-25 (НЗЛ).
Выполненные мероприятия позволят исключить попадание масла в камеры сгорания ГПА.
1.2 Влияние серосодержащих соединений в проточных частях приводных ГТУ на работоспособность лопаток
Как было установлено в результате специальных испытаний на длительную прочность образцов в контакте с золой, содержащей Ыа2Б04, агрессивное коррозионное воздействие отложений может приводить к резкому уменьшению времени до разрушения. Так, например, длительная прочность у1000 сплавов ЭИ826 и ЭП539 при 700 °С снижалась в 2-3 раза. Газовая фаза, насыщенная солями ЫаС! + №2Б04, приводит к снижению длительной прочности у300 сплава ЭИ893 ВД при 750 °С на 20-25% [1]. Механизм этого влияния среды на длительную прочность в случае образования на поверхности металла легкоплавких эвтектических соединений Ы1-Ы13Б2 (Тпл эвт=645 °С) позволяет причислить его к явлению коррозионного растрескивания.
Наличие в поверхностном слое лопаток различных ГТУ после длительной эксплуатации не только оксидов хрома, но и сульфидов никеля подтверждает высказанное предположение о механизме обнаруженных повреждений лопаток. Другим доказательством являлся вид микротрещин, обнаруженных на рабочей лопатке из сплава 1Ы738 после 22759 ч эксплуатации, который заметно отличался от вида трещин длительной прочности на воздухе. Такой вид трещин характерен для трещин коррозионного растрескивания.
С другой стороны, в случае агрессивного действия среды вид трещин термической усталости в направляющих лопатках турбин можно было бы также принять за трещины коррозионного растрескивания. Дискуссионность такого утверждения, однако, связана с чрезвычайно малыми статичес-
кими напряжениями в направляющих лопатках. Поэтому трещины можно классифицировать как трещины коррозионной усталости. С другой стороны, можно предположить, что коррозионное растрескивание кромок лопаток происходит на пусковых режимах под действием термических напряжений растяжения в соответствующей части цикла. Радикальными средствами увеличения ресурса лопаток, подверженных повреждениям указанного вида, являются:
а) использование сортов масла, не содержащих серы,
б) полное исключение случаев попадания конденсата в проточную часть ГТУ,
в) уменьшение уровня термических напряжений за счет удлинения времени пуска и останова,
г) расширение применения покрытий и совершенствование их состава и технологии нанесения.
Как правило, после эксплуатации на лопатках определялась толщина оксидной пленки, которая, например, для рабочих лопаток ГТ-750-6 из сплава ЭИ893ВД без покрытий после 54100 ч эксплуатации в условиях КС «Острогожское» достигала 50 мкм.
На поверхности лопаток из стали ЭП428 после 64000 ч эксплуатации также была обнаружена оксидная пленка толщиной 50-70 мкм.
В ряде случаев методами рентгеноспектраль-ного микроанализа определялась и глубина обез-легированной зоны, определяющая степень ее влияния на сопротивление усталости лопаток. Проведение соответствующих расчетов позволяет принимать обоснованное решение о возможности дальнейшей эксплуатации лопаток.
1.3 Образование термоусталостных трещин в турбинных направляющих лопатках
Установлено, что обнаруживаемые в процессе длительной эксплуатации случаи растрескивания кромок направляющих лопаток из сплава ЭИ893Л вызваны процессами коррозионной усталости в условиях действия термических напряжений растяжения в соответствующей части цикла на пусковых режимах [2]. Факторами, способствовавшими образованию трещин, являлись имевшие в этих случаях место нарушения режимов термической обработки при изготовлении лопаток и низкое качество литья. В то же время на большинстве машин направляющие лопатки из сплава ЭИ893Л не имеют трещин даже после эксплуатации в течение 54000 ч.
На сегментах направляющих лопаток ГТК-25ИР из сплава РБХ-414 термоусталостные трещины являются дефектом, определяющим их ресурс. Радикальным средством устранения повреждений этого вида является изменение конструкции лопа-
ток при одновременном уменьшении уровня термических напряжений за счет удлинения времени пуска и останова ГТУ.
1.4 Трещины в покрытии
Для предупреждения коррозионного воздействия продуктов сгорания конденсата на поверхность лопаток некоторых ГТУ было решено наносить на них покрытия. Таким образом, надежность предохранения лопаток от коррозионного растрескивания оказалась связанной с качеством покрытия.
Как известно, влияние покрытий на усталостную прочность лопаток зависит от асимметрии цикла, пластичности основного металла и покрытия, а также от состава и структуры покрытия [3]. Как было установлено проведенными лабораторными исследованиями, покрытия системы СоЫЮгД!У в ряде случаев обладают пониженным по сравнению с основным металлом сопротивлением термической усталости [4]. Именно поэтому трещины в покрытии после наработки 21000 ч, обнаруженные на рабочих лопатках 2-ой ступени ГТН-25-1, изготовленных из сплава ЭИ929, не распространились в основной металл. На основе выполненных оценок установлено, что такие микротрещины не влияют на прочностной ресурс лопаток.
С другой стороны, как показал проведенный анализ, в случаях, когда температура лопаток 2-ой ступени ниже Тпл эвт , условия, вызывающие их коррозионное растрескивание, не имеют места. Поэтому, в случае отсутствия нештатных повышений температуры, способных вызывать агрессивное действия среды на поверхность лопаток 2-ой ступени, было признано возможным допускать такие лопатки в дальнейшую эксплуатацию без ограничения ресурса, если в этих условиях запасы статической прочности лопаток обеспечены.
Для охлаждаемых направляющих лопатках 1-ой ступени ТВД ГТУ-25-1, изготовленных из сплава ЗМИ-3У с покрытием, использовался другой подход. Поскольку трещины термической усталости, обнаруженные после 23500 ч эксплуатации, в отдельных случаях распространились на всю толщину стенки лопатки, то такие лопатки к дальнейшей эксплуатации допущены быть не могут.
1.5. Усталостные разрушения лопаток
В процессе длительной эксплуатации на КС «Острогожское» на замковой части рабочих лопаток ТНД ГТ 750-6 из сплава ЭИ893 после эксплуатации в течение 1200 ч были обнаружены усталостные трещины по первой впадине замка лопатки. Исследования показали, что причиной этих повреждений являются нарушения при изготовлении или сборке ГТУ, приведшие к нештатным неравномер-ностям параметров газового потока. Усталостные
разрушения в условиях имевших место перегревов были обнаружены и на перовой части рабочих лопаток ГТК 10-4 после 4920 и 3745 ч. эксплуатации. При этом для установления перегрева использовались методы сравнения структуры перовой и замковой частей лопаток. Установлено, что в перовой части в зоне разрушения количество у'-фазы заметно ниже, чем в замковой части. Это свидетельствует о том, что температура металла была выше температуры отпуска при термической обработке лопаток.
Усталостные трещины в рабочих и направляющих лопатках ОК и обрывы рабочих лопаток наблюдаются при длительной эксплуатации различных ГТУ, особенно ГТ-750-6, что связано с различными причинами, в настоящей работе не рассматриваемыми.
Таким образом, основными повреждениями лопаток стационарных ГТУ в условиях длительной эксплуатации на магистральных газопроводах являются коррозионно-механические и усталостные повреждения основного металла и покрытий.
1.6 Эрозия лопаток
Эрозия поверхности турбинных лопаток несколько снижает КПД, однако не влияет на остаточный ресурс лопаток. Так, на направляющих лопатках 2-ой ступени ГТ-750-6, изготовленных из стали ЭИ726, после 54061ч эксплуатации на КС «Острогожская» была обнаружена эрозия. После длительной эксплуатации была обнаружена также эрозия отдельных участков кромок рабочих лопаток компрессоров ГТК-25И и ГТ-6-750. Вопрос о возможности их дальнейшей эксплуатации связан с влиянием эрозии на собственные частоты лопаток.
1.7 Образование дефектной структуры
Проводящиеся металлографические исследования структуры лопаток после длительной эксплуатации позволяют получать информацию, необходимую для прогнозирования ресурса лопаток. Так, на лопатках ГТК-25И из сплава !Ы738 после длительной эксплуатации была обнаружена игольчатая структура ТПУ-фазы (рис.1), которая, как известно, вызывает заметное снижение длительной прочности.
Рис.1 - Микроструктура металла у выходной кромки лопаток 1-ой ступени ТВД ГТК-25И из сплава !Ы738 после эксплуатации в течение 23000 ч. х1000
Поэтому вопрос о продлении ресурса лопаток с такой игольчатой структурой требует учета этого влияния в зависимости от ее количества. С другой стороны, отечественные сплавы ЗМИ-3У и ЦНК-7, из которых были изготовлены лопатки ГТК-25И для замены лопаток из сплава !Ы738 после исчерпания ресурса, оказались более стабильными, о чем свидетельствует их структура после длительной наработки [5]. Причинами такого отличия является увеличенное (с целью повышения сопротивления высокотемпературной коррозии) содержание хрома в сплаве !Ы738 (16%), в то время как в отечественных сплавах ЗМИ-3У и ЦНК-7 содержание хрома составляет 14%.
Таким образом, произведенная замена материала лопаток и использование покрытий оказывает положительное влияние на ресурс рабочих лопаток ТВД, что подтверждается опытом длительной эксплуатации.
1.8. Язвенная коррозия лопаток компрессора
Язвенная коррозия направляющих лопаток 1-ой ступени осевого компрессора была обнаружена после 33000 ч эксплуатации ГТ-750-6 на КС « Ис-тье». Этот вид повреждений отрицательно сказывается на КПД компрессора и снижает усталостную прочность лопаток. Анализ состояния лопаток других ступеней ОК ГТУ показал практическое отсутствие язв. Тем не менее, усталостные разрушения различных лопаток компрессора ГТ-750-6, как было указано выше, свидетельствуют о необходимости реализации различных мероприятий по повышению вибрационной надежности ОК этой ГТУ.
Наличие язв было также обнаружено на направляющих лопатках компрессора ГТК-25ИР. Анализ распределений глубин язв не позволяет в настоящее время сделать вывод о влиянии язв на ре-
сурс направляющих лопаток. Проблема защиты лопаток компрессоров от язвенной коррозии и решение вопросов о продлении ресурса лопаток с язвами требуют постановки специальных исследований, в частности разработки и внедрения защитных покрытий.
1.9 Образование структуры, свидетельствующей о перегреве металла
На ряде лопаток различных ГТУ были обнаружены изменения структуры, свидетельствующие о перегреве металла во время эксплуатации, связанные с превышением рабочей температуры. Было установлено, что причинами таких повреждений является их нештатный перегрев. Так, был обнаружен перегрев металла направляющих лопаток ГТН-6 из сплава ЭИ893Л после наработки 7656 ч.
При анализе состояния поверхности лопаток после эксплуатации были выявлены значительные их коррозионные повреждения. Так, на кромках рабочих лопаток 1-ой ступени ГТН-16, изготовленных из сплава ЗМИ-3У, после 2700 ч эксплуатации на КС «Давыдовская» были обнаружены даже участки оплавления вследствие нештатного перегрева лопаток.
Обнаруженные повреждения лопаток и изменения состояния их поверхности после длительной эксплуатации свидетельствуют о необходимости проведения дополнительных исследований закономерностей изменения структуры и свойств материалов лопаток в процессе длительной эксплуатации.
2 Повреждения дисков турбин
Одним из видов специфических видов повреждения дисков являются трещины в дисках роторов турбин высокого (ТВД) и низкого давления (ТНД) из стали ЭП428 (20Х12ВНМФ) газотурбинных агрегатов ГТК-10-4 из стали ЭП428 с наработкой 100 тысяч часов и более [6].
За 2002 - 2005 годы на компрессорных станциях ООО «Тюментрансгаз» было обследовано 166 дисков ТВД и ТНД газоперекачивающих агрегатов ГТК-10-4, т.е. около 12% ГПА ГТК-10-4, находящихся в эксплуатации. При этом на 20% дисков (19 - ТВД, 14 - ТНД) методом цветной дефектоскопии (ЦД) на внутренней поверхности елочного паза во впадинах под первым зубом межпазового выступа и на поверхности трапецеидальной проточки под стопорную пластинку были обнаружены трещины общим количеством 176 штук (рис.2). Зафиксированы - несколько случаев выхода трещин на торцевые поверхности дисков и один случай трещины во впадине одновременно под первым и вторым зубом. Одной из причин образования трещин является перегрев металла из-за недостаточно эффективной работы системы охлаждения.
Рис.2 - Схема расположения трещин в дисках.
На дисках ТНД трещины обнаруживались под первым зубом только слева по ходу газа - в районе установки стопора, симметрично относительно проточки (рис.2 а, б); на дисках ТВД - как слева в районе установки стопора, так и справа по ходу газа. Выход трещин на торцевые поверхности на дисках ТВД наблюдался как на входе, так и на выходе газа (рис.2 а, б, в, г).
При этом часто твердость на поверхности межпазовых выступов ниже требований ТУ на исходный металл, что свидетельствует о частичном разупрочнении металла. Наиболее заметно изменение микроструктуры: появляются участки свобод-
ного феррита, мартенситная ориентация частично нарушается, что способствует снижению эксплуатационных характеристик и срока службы [7].
3 Повреждения корпусных деталей
Основными видами повреждений корпусных деталей являются трещинообразование в районе сварных швов, коробление, коррозия и эрозия внутренней вставки корпуса турбины (20Х23Н18) и выходного диффузора (12МХ) ГТК-10-4 и ГТ-750-6, вызываемые нестационарными режимами работы ГТУ. Так, иногда на корпусе турбины (12МХЛ) обнаруживаются участки сильного перегрева в результате выхода из строя внутренней вставки и « выду-ва» теплоизоляционного материала. Твердость в месте прорыва газов на внутренней поверхности корпуса снижается, что сопровождается изменением микроструктуры в направлении увеличения ферритной составляющей.
Контроль прилегания фланцев горизонтальных
б
а
в
г
разъемов корпусов турбины и осевого компрессора, как правило, приводит к механической обработке разъемов и их подгонке.
Выводы
1. Проведен анализ наиболее часто встречающихся повреждений деталей ГТУ и определены причины их вызывающие.
2. Основными повреждениями лопаток стационарных ГТУ в условиях длительной эксплуатации на магистральных газопроводах являются корро-зионно-механические и усталостные повреждения основного металла и покрытий, а также нештатные перегревы деталей.
3. Произведенная замена материала лопаток ГТК-25И из сплава !Ы738 на ЗМИ-3У и использование покрытий оказывает положительное влияние на ресурс рабочих лопаток ТВД.
4. Проблема защиты лопаток компрессоров от язвенной коррозии и решение вопросов о продлении ресурса лопаток требуют разработки и внедрения защитных покрытий.
6. Крюков И.И., Агузумцян В.Г., Калинин Н.А., Станюкович Б .А., Платонов В.С., Рыбников А.И., Ковалев А.Г., Кузьмин В.П., Шмелев Н.Г., Леонтьев С. А. Контроль дисков роторов ТВД и ТНД газовых турбин ГТК-10-4 методами неразрушающе-го контроля. - Материалы 13-й международной конференции «Современные методы и средства не-разрушающего контроля и технической диагностики. - Ялта.-2005.-С. 93 - 95.
7. Рыбников А.И., Манилова Е.П., Ковалев А.Г., Леонтьев С.А., Иванов С.А. Структура и свойства металла дисков ТВД турбины ГТК-10 после длительной эксплуатации // Труды ЦКТИ.- 2002.- вып. 286.- С. 205 -212.
Поступила в редакцию 22.05.2006 г.
Рецензент: д-р техн. наук, проф. С.В. Епифанов, Национальный аэрокосмический университет им .Н.Е.Жуковского «ХАИ», Харьков.
Литература
1. Никитин В.И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. - Л.: Машиностроение, 1987. - 272с.
2. Гецов Л .Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. - М.: Недра, 1996. - 591 с.
3. Гецов Л.Б., Рыбников А.И., Малашенко И.С. и др. Сопротивление усталости жаропрочных сплавов с покрытиями // Проблемы прочности. - 1990.-№5.-С. 51 - 56.
4. Рыбников А.И., Гецов Л.Б. Сопротивление термической усталости защитных покрытий для лопаток газовых турбин // Теплоэнергетика. - 1994.- №9.-С. 30 - 39.
5. Рыбников А.И., Крюков И.И., Можайская Н.В., Дашунин Н.В. Ресурс лопаток ТВД ГТК-25И из сплава ЗМИ-3У // Теплоэнергетика.- 2003.- №2.- С. 68 - 72.
Анота^я : Проведено анал1з найб1льш характерних ушкоджень деталей стац1онарних ГТУ, розглянуто вплив на метал температури, часу й ушкоджень при тривал1й експлуатацИ
Abstract: The analysis of the most typical damages of details stationary GTE is carried out, influence on metal of temperature, time and damages is considered at long operation. Features of change of a condition of a superficial layer of blades and their structures are considered as kinds of inadmissible damages for the further operation of blades and vaines, made of different materials, and at the operation, determining opportunities of prolongation of a resource.
