Хрупкие внезапные разрушения цельнокованых роторов
2.2. Хрупкие внезапные разрушения цельнокованых роторов
2.2.1. Внезапные хрупкие разрушения и их причины
Хрупкие внезапные разрушения роторов являются наиболее опасными, поскольку они влекут за собой, как правило, полное разрушение всей турбины, серьезные повреждения другого оборудования, а иногда и человеческие жертвы. Такие разрушения происходят внезапно, и этим усугубляется тяжесть их последствий.
Следует подчеркнуть, что термин "внезапный" является условным. На самом деле "внезапному разрушению" почти всегда предшествует более или менее длительный "инкубационный" период, когда происходит накопление повреждений на микроуровне, затем появляется макротрещина, которая растет до критического размера. Последний этап роста трещины является очень быстрым, и поэтому он воспринимается как внезапный. Таким образом, причиной внезапного хрупкого разрушения является существование в детали в какой-то момент времени дефектов критического размера.
Появление и формирование критических дефектов может происходить на этапах производства роторов, в процессе длительной эксплуатации и даже относительно коротких отдельных операций на турбине.
Хрупкие разрушения могут возникнуть по следующим основным причинам:
1) из–за плохого качества материала ротора;
2) из–за высоких динамических напряжений при внезапной и сильной разбалансировке ротора;
3) при неправильном проведении пуска из холодного состояния.
Рекомендуемые материалы
Для исключения первой причины ротор в процессе всего производства проходит тщательный контроль. Особенно опасными являются флокены – газообразные (водородные) включения, образующиеся в отливке при неправильной технологии производства и в дальнейшем при проковке превращающиеся в сетку пятен и трещин.
Пример 2.1. На одной из ТЭС США произошел разрыв ротора ЦНД двухвальной турбины мощностью 165 МВт при опробовании автомата безопасности. При этом частота вращения на 8,6% превысила номинальную. Ротор был разорван на четыре крупных куска, два из которых попали в конденсатор. Большое количество оторвавшихся мелких кусков вызвало такое повреждение соседнего оборудования, что это потребовало остановки всей станции. Причиной аварии явились хрупкость материала ротора и большое число флокенов, образовавшихся из–за неправильной технологии производства и недостаточного технологического контроля.
Аварии такого типа заставили искать эффективные методы обнаружения флокенов в толще поковок. Самым эффективным методом оказалась ультразвуковая дефектоскопия. Поковка ротора, содержащая в себе флокены, бракуется.
Трещины на внутренней поверхности осевого сверления ротора могут появиться в процессе эксплуатации в результате ползучести и исчерпания длительной прочности. Поэтому при капитальных ремонтах турбины, особенно прослужившей достаточно долгое время, необходимо тщательно осматривать расточку ротора, чтобы, вовремя заметить образование таких трещин.
При внезапной разбалансировке ротора, например, при вылете длинной лопатки, появляется поперечная неуравновешенная сила. Она многократно усиливается, если после отключения генератора от сети турбина какое–то время работает на критической частоте вращения. Известно, что даже пластичные материалы при динамическом приложении нагрузки разрушаются хрупко. Таким образом, высокие динамические напряжения изгиба в разбалансированном роторе приводят к быстрому появлению трещины усталости, ее развитию и, наконец, хрупкому разрушению.
Особую опасность для роторов ЦВД и ЦСД представляют пуски из холодного состояния, если последние производятся слишком быстро и ротор не успевает прогреться.
Чтобы понять причину хрупкого разрушения в этом случае, напомним, что оно происходит при достижении трещиной критического размера, который определяется вязкостью разрушения материала 
и номинальными напряжениями 
:
. (2.1)
Вязкость разрушения зависит от температуры (рис. 2.1): чем ниже температура, тем ниже вязкость разрушения. Понижение температуры ротора, например, со 100 до 60 ºC уменьшает вязкость разрушения примерно в 2 раза, что, как видно из формулы (2.1), сокращает критический размер дефекта в 4 раза.
Рис. 2.1. Зависимость вязкости разрушения роторных сталей от температуры
1 – материал роторов ЦНД; 2 – материал высокотемпературных роторов
Дополнительное снижение К1с в условиях эксплуатации происходит вследствие высокотемпературного охрупчивания: с течением времени в материале происходят процессы миграции нечистот (сера, фосфор, мышьяк) на границы зерен, и материал становится хрупким.
Критический размер дефекта зависит и от напряжений. Если бы в роторе возникали напряжения только от центробежных сил, то опасности хрупкого разрушения не было бы, поскольку эти напряжения вдвое–втрое меньше предела текучести. Однако при пуске турбины сечение ротора прогревается неравномерно: температура внешних слоев растет быстрее, чем средняя температура сечения, во внутренних – наоборот. Поэтому при пуске в роторе возникают температурные напряжения, сжимающие его материал во внешних слоях и растягивающие во внутренних. Таким образом, на расточке ротора к растягивающим напряжениям от центробежных сил прибавляются растягивающие температурные напряжения. Это, как видно из формулы (2.1), дополнительно уменьшает критический размер дефекта.
Таким образом, оказывается, что при быстром пуске турбины из холодного состояния, когда вязкость разрушения материала ротора мала, а напряжения велики, даже небольшой дефект, совершенно не опасный при нормальной работе турбины, может привести к внезапному хрупкому разрушению ротора. В практике эксплуатации было несколько случаев таких разрушений.
Пример 2.2. На рис. 2.2 показан пример хрупкого разрушения ротора вала низкого давления (номинальная частота вращения – 3600 об/мин), произошедшего при пуске из холодного состояния на американской станции. В результате аварии образовались 23 куска массой более 40 кг и один массой 800 кг. Причиной разрушения явились мелкие трещины, появившиеся возле неметаллических включений внутри ротора под действием малоцикловой усталости и ползучести, которые в процессе пусков (турбина прослужила 106000 ч и пускалась 1245 раз из холодного и 150 раз из горячего состояния) объединились в магистральную трещину, достигшую критического размера, после чего и произошло разрушение.
Для исключения возможности хрупкого разрушения при пусках из холодного состояния пусковые инструкции обязательно предусматривают прогрев ротора на малой частоте вращения (когда напряжения от центробежных сил малы) для повышения на расточке ротора вязкости разрушения материала.
Рис. 2.2. Хрупкое разрушение ротора
2.2.2. Предупреждение хрупких разрушений роторов
Поскольку первопричиной внезапных хрупких разрушений является существование трещины на расточке ротора, то главной мерой, предупреждающей внезапное хрупкое разрушение, является исключение появления трещин на расточке.
Для этого на заводе–изготовителе поковки и заводе–изготовителе турбины производится тщательный контроль в процессе производства. Итоговым контролем является балансировка ротора (холодного) в специальной вакуумной камере на рабочей частоте вращения, которая одновременно является и проверкой ротора на хрупкое разрушение.
В условиях эксплуатации нельзя полностью исключить появление трещин на расточке, особенно после 20–30 лет эксплуатации. Оператор турбины должен всегда подозревать, что трещина существует и для исключения хрупкого разрушения ротора строго соблюдать простое правило: ротор, непрогретый до 180–200 ºС, не должен иметь частоту вращения большую 1400–1500 об/мин.
"Определение психогенетики" - тут тоже много полезного для Вас.
Тем более при недостаточном прогреве должны быть исключены все операции, связанные с повышением частоты вращения: испытание автомата безопасности на срабатывание или на сброс нагрузки.
После определенной наработки, когда вероятность появления трещин на расточке возрастает, по специальной инструкции проводится периодический контроль осевого канала. Обычно его совмещают с ремонтом. Режимы работы оборудования должны быть подобраны так, чтобы трещина, не обнаруженная имеющимися методами контроля, не могла за период между инспекциями вырасти до критического размера.
При подозрении в появлении трещины в центральном канале целесообразно сократить время между инспекциями и в этот период использовать щадящие режимы эксплуатации, при которых:
а) работать с пониженной нагрузкой и сопловым парораспределением для снижения температуры пара в камере регулирующей ступени с целью уменьшения скорости роста трещин;
б) снизить температуру промперегрева (с одновременным снижением нагрузки для обеспечения допустимой влажности за последней ступенью);
в) ограничить число пусков из холодного состояния.
