Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 3

Указанные области формируются за счет движениячастиц под действием центробежных сил, возникающих от закруткипарового потока, вследствие чего концентрация крупных частиц у периферииступени возрастает. Преодолевая первую ступень ЦСД, твердые частицыподвергаются интенсивному дроблению, но все еще сохраняют способностьповреждения второй (14-й), третьей (15-й) и четвертой (16-й) ступеней.Необходимость ремонта возникает для 14-й ступени через 80-100 тыс. ч.эксплуатации, для 15-й и 16-й ступеней – через 120-140 тыс. ч., причем этисроки существенно сокращаются, когда продукты разрушения 13-й ступени(уплотнительные вставки, сегменты бандажа, осколки уплотнительногокозырька) увлекаются потоком пара и выносятся далее в проточную часть,вызывая повреждения [37].1.2 Причины образования твердых частиц, характеристикигазоабразивного потокаПеревод блоков на нейтрально-кислородный водный режим [38]способствовал образованию на внутренних поверхностях перегревательныхтруб парогенератора оксидных пленок, нестойких к разрушению.

Трубы20указанных элементов выполнены из перлитных сталей и интенсивноеокалинообразованиепроисходитвследствиенесоответствияихжаростойкости реальным температурным условиям эксплуатации [9, 17, 33,37, 38]. На рисунках 1.10 и 1.11 представлены внутренние поверхности трубпервичных пароперегревателей с оксидной пленкой.Рисунок 1.10 – Внутренняя поверхность трубкипервичного пароперегревателя [85]Рисунок 1.11 – Состояние внутренней поверхности трубы промежуточногопароперегревателя котла П-59 (ст. №2) Рязанской ГРЭС (энергоблок 300 МВт)21Процесс образования на внутренней поверхности нагрева труб котловсверхкритического давления защитной оксидной пленки в виде магнетитаFe3O4, толщиной от 0,1 до 0,25 мм представляет собой сложное физикохимическоеявление.ПореакцииШиккораобразованиемагнетитахарактеризуется следующими уравнениями [16]:Fe2+2ОН-→ Fe(OH)2,(1.1)3Fe(OH)2 ↔ Fe3O4+H2(g)+2H2O(1.2)Скорость образования окалины зависит от сорта стали труб итемпературного режима, наличия кислорода для окисления.

Образованиепленки приводит к повышению температуры труб пароперегревателей, чтоможет привести к местному пережогу труб и последующему их ремонту илиполной замене. В последние годы разрабатываются различные мероприятиякак режимного характера, так и путем внедрения новых аустенитных сталейтипа Ди59 [16] по предотвращению процессов разрушения оксидной пленки.При изменении температуры, у металла труб и оксидной пленкипроисходитразличноерасширение(из-заразныхкоэффициентовтемпературного расширения), что ослабляет сцепление пленки с металлом и,при соответствующих условиях, зависящих прежде всего от толщины пленкии температурного изменения, может привести к ее отслоению [9].

Этовозможно при пусках котла из холодного состояния, его останове,изменениях температурного режима.Образовавшиеся частицы магнетита (см. рисунок 1.12) вместе с паромпоступают в проточную часть паровой турбины. После промежуточногопароперегревателя пар вместе с частицами окалины поступает в ЦСДтурбины. В роли абразивных частиц также выступает сварочный грат,откалывающийся от поверхностей ободов диафрагм первых ступенейвследствиеударноговоздействиятвердыхчастицитемпературныхдеформаций в процессе эксплуатации турбоустановки (см. рисунок 1.13 б), а22также элементы уплотнительных вставок, выбитых вследствие абразивногоизноса (см. рисунок 1.14 в).Рисунок 1.12 – Продукты, собранные в проточной частиЦВД паровой турбины Т-250/300-240а)б)в)Рисунок 1.13 – Твердые абразивные частицы:а – сварочный грат, б – частицы окалины, в – элементы уплотнений23Размеры частиц окалины могут колебаться от нескольких миллиметров(частицы, собранные перед ситами клапанов ЦВД) (см.

рисунок 1.14 а) додолей миллиметра (частицы, собранные после сит клапанов ЦВД и ЦСД)(см. рисунок 1.14 б). Микротвердость осколков окалины составляет около700 ÷ 750 HV [38], что в 2÷3 раза превосходит микротвердость лопаточныхсталей и обеспечивает их высокую повреждающую способность примногократных соударениях с лопатками.Рисунок 1.14 – Размеры твердых частиц перед ситами ЦВД (а)и за ситами ЦСД (б) [17]В проточную часть турбины попадают частицы, пропускаемые ситами,диаметр отверстий в которых обычно равен 2,5 мм (сразу после монтажа иликапитального ремонта временно устанавливаются сита с отверстиями1,5 мм).

Спектр размеров частиц, собранных в паровой коробке ЦСД-1турбины Т-250-240 ТМЗ [17], показан на рисунке 1.15. Из графика видно, чтосреднемассовый (модальный) размер составляет 140 мкм, суммарная массачастиц менее 400 мкм не превышает 10%. Максимальный размер собранныхчастиц не превышает 1 мм [17]. Частицы обнаруживаются в камерахпаровпуска и безотборных ступенях цилиндра турбины, в регенеративныхподогревателях и даже на днище конденсатора [17, 37, 38].24Рисунок 1.15– Относительная накопленная масса частиц,собранных в паровой коробке ЦСД [17]Разницавплотностимагнетита(ρ=5080кг/м 3)ипарапредопределяет малые значения коэффициентов скольжения даже прималых размерах частиц.

Твердая частица, попавшая в канал вместе спаром, приобретает траекторию движения, определяемую ее размером,формой, начальной скоростью, плотностью и распределением скоростиокружающего пара [33]. При попадании частиц окалины в проточную частьтурбиныстепеньабразивныхповрежденийвомногомзависитотконструктивных особенностей проточной части.1.3 Факторы, влияющие на интенсивность абразивного износаматериаловПроведенный анализ опубликованных в последнее время работ иобобщение многочисленных экспериментальных данных [14, 20, 32, 41, 43 45, 49, 57, 60 – 64, 72 - 74, 76, 78, 79, 87, 90, 91, 94, 98, 101, 108 - 110, 113,116], посвященных износу поверхности твердыми частицами, а также анализотдельных физических параметров, которые определяют интенсивность25разрушения поверхности тела, показал, что основными величинами, которыевлияют на этот процесс, являются:- скорость и угол взаимодействия твердых частиц с поверхностью мишени;
- твердость, плотность и модуль упругости материала мишени;
- расходная массовая концентрация твердых частиц в потоке;
- форма, размер, плотность и твердость частиц;
- температура материала мишени;
Средивышеперечисленныхпараметровтемператураматериаламишени, средняя скорость и угол атаки газоабразивного потока оказываютнаибольшее влияние на интенсивность абразивного износа материалов.1.3.1 Влияние угла атаки газоабразивного потока на интенсивностьпроцесса абразивного износаСуществуют кардинальные различия зависимости величины износа отугла атаки газоабразивного потока для хрупких и пластичных материалов(см.

рисунки 1.16 - 1.18). По данным [21], максимум эрозии 12%-нойхромистой стали (например стали 12Х13, применяемой для изготовлениялопатокпервыхступеней)достигаетсяприсоударениичастицсповерхностью материала под углом 20÷300.Рисунок 1.16 – Влияние угла атаки газоабразивного потока  на интенсивностьизноса пластичных (1) и хрупких (2) материалов [21]26Рисунок 1.17 – Зависимость величины износа сплава ХН78Т от угла атакигазоабразивного потока α при скорости движения частиц мм v=183 м/с [81]1 – сталь с содержанием углерода 0,2% при воздействии частиц стекла (130 HV);2 - сталь с содержанием углерода 0,2% при воздействии корунда;3 - сталь с содержанием углерода 0,2% при воздействии кварцевого песка;4 - сталь с содержанием углерода 0,8% (850 HV) при воздействии частиц кварцевого пескаРисунок 1.18 – Зависимость величины износа пластичных материалов IГ отугла атаки газоабразивного потока α при скорости движения частицдиаметром 0,4-0,6 мм v=120 м/с [72]Наличие максимума износа для пластичных материалов при углах вдиапазоне 15÷40 градусов некоторые исследователи объясняют следующим27образом.

С уменьшением угла атаки газоабразивного потока (см. рисунок1.19)кнормальнойсоставляющейсоударениятвердыхчастицсповерхностью присоединяется касательная составляющая, т.е. удар частицысодновременнымскольжениемеепоповерхности,ипоэтомувповерхностных микрообъемах изнашиваемого металла возникает другоенапряженное состояние. Дальнейшее уменьшение угла атаки (< 300)приводит к значительному снижению износа, вследствие того, чтонормальная составляющая силы удара ослабевает.Рисунок 1.19 – Схематическое изображение разрушения поверхностиматериала при взаимодействии с твердой частицей [43]1.3.2 Влияние температуры мишени на интенсивность процессаабразивного износаИсследования поверхности изношенных образцов [41, 76] показали,что при эрозионном разрушении в области контакта абразивной частицы сматериалом мишени часто наблюдается вязкий тип разрушения, которыйпроявляется в форме пластических отпечатков.