Повреждения корпусов

Глава 3. Повреждения и разрушения элементов статора турбины

3.1.  Повреждения  корпусов

Для корпусов паровых турбин характерны сле­дующие повреждения:

1) разрушения с потерей герметичности;

2) нарушение плотности фланцевых разъемов;

3) образование трещин термической усталости;

4) коробления.

3.1.1. Разрушения с потерей герметичности

Рекомендуемые материалы

Разрывы корпусов турбины возможны либо вследствие появления очень крупных дефектов в условиях эксплуатации (например, крупных трещин термической усталости), либо за счет энергии разлетающихся деталей или их частей (например, оторвавшихся лопаток, разорвавшихся дисков и т.д.). Первая причина характерна для корпусов ЦВД и ЦСД, которые работают при высоких тем­пературах, вторая – для корпусов ЦНД, где центробежные силы вращающихся масс наиболее зна­чительны, а корпус тонок.

3.1.2. Нарушение плотности фланцевых разъемов

Пропаривание как внешних, так и внутрен­них корпусов турбин всегда приводит к снижению экономичности, так как часть пара исключается из работы в проточной части. Имеются и другие отри­цательные последствия пропаривания разъемов.

При работе шпилек или болтов, скрепляющих фланцы (рис. 3.1, а), в условиях высоких темпера­тур в них возникает явление релаксации напряже­ний: сила затяжки не остается постоянной, а посте­пенно уменьшается. При этом контактное давление в разъеме уменьшается (сравни рис. 3.1, б и в), а на некоторой части может исчезнуть совсем; пло­щадь контакта уменьшается, и при некоторой предельно малой затяжке F_прел (рис. 3.1, в и г) возни­кает пропаривание фланца. Поэтому начальная за­тяжка шпильки F₀  должна быть такой, чтобы в течение межремонтного периода затяжка не уменьшалась до недопустимо малого значения. Ка­залось бы, что для этого достаточно создать боль­шую начальную затяжку F₀. Однако чем больше F₀, тем быстрее падает сила затяжки. Кроме того, материал шпильки оказывается столь нагружен­ным, что превышение начальной силы затяжки мо­жет вызвать ее пластическое деформирование и да­же обрыв. Поэтому главным требованием к мате­риалу шпилек, работающих в зоне высоких темпе­ратур, является требование высокой релаксацион­ной стойкости, которой обладают стали с повышен­ным содержанием легирующих элементов.

Рис. 3.1. Схема работы фланцевого соединения

а – фланцевое соединение; б – контактное давление по по­верхности фланца; в – контактное давление во фланцевом со­единении в момент начала пропаривания через зазор шпильки; г – изменение усилия затяжки в шпильке в процессе работы

3.1.3. Термическая усталость корпусов турбин

Трещины термической усталости в корпусе по­являются вследствие возникновения в его стенках высоких, повторяющихся от пуска к пуску темпера­турных напряжений, которые в свою очередь явля­ются следствием неравномерного прогрева корпуса по толщине. Этот вид разрушения характерен толь­ко для турбин, работающих с частыми и быстрыми пусками и остановками. Во многих случаях бывает так, что турбина, проработавшая много лет в усло­виях постоянной нагрузки (с несколькими останов­ками в году), не имеет никаких повреждений в кор­пусе, а при переводе ее в режим частых пусков в корпусе обнаруживаются трещины после несколь­ких сотен пусков.

Трещины появляются в тех зонах турбины, где, во–первых, температуры имеют максимальные зна­чения и, во–вторых, скорость их изменения также максимальна. Такими зонами являются паровпуск­ные части ЦВД (и ЦСД для турбин с промежуточ­ным перегревом), которые содержат в себе элемен­ты с резкими изменениями сечений, резкие перехо­ды и другие концентраторы.

Появление опасных тепловых напряжений, вы­зывающих трещины, объясняется в основном двумя причинами: недостатками конструктивного характера и неотработанностью пусковых режимов или их нарушением.

Пример 3.1. Приведем пример образования трещин на ТЭС США в турбине мощностью 59 МВт на парамет­ры свежего пара 8,7 МПа и 510 ºС. Примерно после 3 лет эксплуатации и 65 пусков в корпусе были обнаружены настолько большие трещины, что его невозможно было отремонтировать в условиях электростанции и пришлось выполнять ремонт на заводе. Через 5 лет последующей эксплуатации, за время которой турбина пускалась еще 784 раза, в корпусе появились очень большие трещины и его пришлось заменить полностью.

Основной причиной разрушения явилась конструк­ция паровпуска, не позволяющая эксплуатировать турби­ну в режимах частых пусков и остановок. Дело в том, что сопловые коробки отливались заодно с крышкой корпуса. Сопрягаемые элементы паровпуска имели рез­кое различие в толщине, в частности, толщина сопловых коробок была значительно меньше толщины фланцев. Кроме того, пуск и нагружение турбины производились последовательным открытием регулирующих клапанов, когда температура в турбине изменяется наиболее значи­тельно. Поэтому трещины термической усталости возни­кали в разделительных стенках сопловых коробок, в расточках под сопловой аппарат регулирующей ступени, местах сочленения сопловых коробок, фланцах в зонах отверстий под болты.

На рис. 3.2 показаны места и характер образова­ния трещин в паровпускной части другой американской турбины, проработавшей 7 лет и пускавшейся 1124 раза, в основном после остановки на ночь.

Рис. 3.2. Типичное расположение трещин в верхней части корпуса турбины мощностью 66 МВт на начальные парамет­ры пара 6 МПа и 480 ºС, работающей в режиме частых пусков

Эффективной мерой борьбы с образованием тре­щин термической усталости явилось изменение конструкции паровпуска: вместо сопловых коро­бок, отлитых заодно с корпусом, стали использо­вать отдельные сопловые коробки, ввариваемые в корпус турбины. Применение такой конструкции позволяет выполнить стенки сопловых коробок тонкими (поскольку разность давлений, действующих на ее стенку, мала) и, следовательно, легко прогреваемыми. Корпус при этом будет обог­реваться паром сниженной температуры.

Однако опыт эксплуатации показал, что такие меры эффективны только для турбины со сравни­тельно низкими начальными параметрами пара, ко­гда не требуется большая толщина корпуса. С пере­ходом на параметры 13 МПа и 565 ºС в корпусах опять началось интенсивное образование трещин.

Пример 3.2. Многие турбины с одностенным ЦВД после 400–500 пусков имели трещины термической ус­талости в области камеры регулирующей ступени. В оп­ределенной степени образование трещин (рис. 3.3) обу­словливалось неудачной конструкцией крепления направ­ляющего козырька, при которой выточка в корпусе созда­вала значительную концентрацию напряжений. После мо­дернизации паровпуска турбины, а также отработки пус­ковых режимов была обеспечена ее надежная работа.

Рис. 3.3. Вид трещин на внутренней поверхности корпуса ЦВД турбины К–200–130

а, б – нижняя и верхняя половины корпуса

Большим сопротивлением термической устало­сти корпусов обладает конструкция с двойным корпусом и сопловыми коробками. Образование трещин происходило и в таких турби­нах, например, во внутреннем корпусе первых тур­бин К–300–23,5, однако их причиной были не тер­мическая усталость, а другие явления, обычно ли­тейные пороки.

Следует отметить, что появление трещин терми­ческой усталости часто наблюдается и в других не­подвижных элементах турбины, в частности, в корпусах регулирующих клапанов.

Неотработанность пусковых режимов обычно проявляется при переводе турбоагрегата в несвой­ственный ему режим эксплуатации. Например, тур­бины мощностью 150 и 200 МВт были первоначаль­но спроектированы для работы с постоянной на­грузкой. При этом редкие пуски из холодного со­стояния были хорошо отработаны. Однако через некоторое время оказалось, что турбины необходи­мо использовать для покрытия неравномерностей графика нагрузки, в частности, останавливать на ночь и в конце недели. Недостаточная в первое вре­мя проработка графиков пуска этих энергоблоков из горячего и неостывшего состояния и конструк­тивные недостатки, снижающие маневренность, привели к многочисленным случаям появления тре­щин термической усталости. Модернизация турбин и тщательные исследования пусковых режимов по­зволили обеспечить надежную работу этих турбин и в условиях частых пусков.

3.1.4. Коробление корпусов

Короблением корпуса называется остаточное из­менение его формы, приводящее к изменению цилиндричности расточек и нарушению плотности фланцевого соединения.

Коробление корпусов ЦВД и ЦСД во время экс­плуатации турбины обнаруживается обычно по пропариванию внутреннего пояска разъема. При нор­мальном, недеформированном разъеме при пуске турбины пар подается в обнизку – пространство между внутренним и наружным поя­сками фланцевого соединения и в среднюю часть корпуса и сбрасывается у его краев. По окончании пуска подача пара в обнизку прекращается. Однако при короблении внутреннего пояска фланцевого со­единения внутреннее пространство турбины оказы­вается постоянно соединенным с обнизкой фланца. При этом по окончании пуска закрывать вентиль на линии сброса пара из обнизки в конденсатор нельзя, поскольку обогревающие фланцы короба окажутся под давлением в корпусе турбины, существенно превышающем допустимое, и произойдет разрыв коробов или сработают предохранительные клапа­ны. Поэтому при короблении внутреннего пояска разъема приходится допускать постоянную утечку пара из корпуса в конденсатор, которая существен­но снижает экономичность турбины.

В некоторых конструкциях обнизка не связана с коробами, однако и тогда ставить ее под большое давление недопустимо, поскольку в этом случае про­исходит прогрессирующее коробление, а иногда – пропаривание и внешнего уплотняющего пояска с утечкой пара в атмосферу. Тогда турбину необходи­мо немедленно ставить на капитальный ремонт.

Особенно четко коробление корпусов обнаружи­вается при разболчивании фланцевого соединения: между свободно положенной крышкой корпуса и нижней половиной обнаруживается зазор иногда в несколько миллиметров.

Пример 3.3. На первых мощных турбинах с промежу­точным перегревом пара коробление фланцевого разъема ЦВД в некоторых случаях достигало 3,7 мм, а ЦСД – до 2 мм. Коробление внутреннего пояска наружного корпуса ЦВД некоторых турбин мощностью 300 МВт первых вы­пусков достигло 3 мм. Впоследствии эти недостатки бы­ли ликвидированы.

Турбину с деформированным фланцевым разъе­мом невозможно собрать: усилий затяжки шпилек (или болтов) не хватает для создания плотного фланцевого соединения. Поэтому при капитальных ремонтах фланцевые разъемы приходится подвер­гать исключительно трудоемкой шабровке, а иногда и предварительной опиловке.

Добиться абсолютно полного совпадения двух половин корпуса обычно невозможно: как правило, при свободном наложении крышки корпуса на нижнюю половину в некоторых местах остается зазор размером до 1 мм. Если при затяжке разъема ЦВД через одну–две шпильки, а ЦСД – через  три–четыре шпильки зазоры исчезают (щуп толщиной 0,05 мм нигде не проходит), то такой разъем счита­ется плотным.

Коробление корпуса может вызываться следую­щими причинами:

1) неправильной термообработкой корпуса, ко­гда остаточные напряжения, неизбежно возникаю­щие при его литье и затвердевании, не снимаются полностью. В этом случае происходит дальнейшее "снятие" остаточных напряжений уже в процессе работы турбины. При этом корпус претерпевает ос­таточную деформацию в виде коробления. Свиде­тельством такого происхождения коробления в ря­де случаев является его затухающий характер: по­сле нескольких подшабровок коробление фланцево­го разъема прекращается;

2) ползучестью материала корпуса, протекаю­щей при высокой температуре и высоком давле­нии. Ползучесть наиболее интенсивно происходит в области паровпуска. Наряду с расширением па­ровпускной части корпуса в целом ползучесть вы­зывает неравномерное изменение напряжений по толщине его стенки и фланца, что равносильно действию остаточных напряжений, которые прояв­ляются при разболчивании корпуса;

3) попаданием в корпус воды и холодного пара. В этом случае происходит мгновенное местное ох­лаждение внутренней поверхности корпуса и, если оно достаточно сильно, то в охлажденном месте возникают остаточные напряжения растяжения, вызывающие коробление корпуса. Именно вслед­ствие попадания воды из подогревателей часто на­блюдается коробление только нижней половины корпуса при сохранении нормального состояния крышки корпуса:

4) чрезмерно быстрыми пусками, когда в стенках корпуса возникают столь большие температурные напряжения, что происходит пластическое течение. Особенно опасны пуски из холодного состояния, ко­гда могут происходить конденсация пара и резкий местный нагрев корпуса, вызывающий коробление.

"18 Предметы поучений применительно к временам церковным" - тут тоже много полезного для Вас.

Диагностика причин коробления корпуса очень сложна. Во многих случаях наблюдается связь меж­ду числом пусков и степенью коробления, иногда такой связи не обнаруживается. Как правило, для определения причин коробления требуются специ­ально поставленные тщательные исследования.

Меры предупреждения коробления следуют из его причин. Необходимо строго выдерживать на­чальные параметры пара, в особенности темпера­туру, во избежание интенсификации процесса ползучести, поддерживать в исправности регуля­торы уровня конденсата греющего пара в подогре­вателях и обратные клапаны, чтобы исключить за­брос воды в турбину, скрупулезно соблюдать пус­ковые инструкции.

Короблению подвержены не только детали, ра­ботающие в области высоких температур, но и де­тали ЦНД.

Пример 3.4. Обследование ЦНД одной из турбин по­казало, что раскрытие горизонтального разъема внутрен­него цилиндра (обоймы) достигало 7,5–8 мм. Первона­чально цилиндрические расточки под установку диа­фрагм становились эллиптическими (с большой верти­кальной осью), а эллипсность достигала 5–6 мм. Вслед­ствие появления эллипсности в местах приварки кольце­вых ребер, образующих камеры отборов, появились тре­щины. Диафрагмы сдавливались радиальными силами в плоскости разъема из–за выборки радиальных зазоров между ними и покоробившейся обоймой, что приводило к расцентровке, смещению и даже разрушению диафрагм в отдельных местах.

Исследования причин деформации обоймы показали, что появление эллипсности является следствием темпера­турных напряжений, возникающих в ней при пусках, ос­тановках и сбросах нагрузки. При этих режимах в горло­вину конденсатора сбрасывался пар из горячих ниток промежуточного перегрева, к которому для охлаждения подмешивался конденсат. Образующаяся смесь пара и капель влаги направлялась вверх (во избежание нагрева трубок конденсатора) и на пониженных нагрузках попа­дала на внешнюю поверхность обоймы, охлаждая ее. Внутренние детали обоймы при этом оставались горячи­ми, что и вызывало большую разность температур в обойме и ее коробление.

Для ликвидации коробления обоймы была изменена ее конструкция: между нею и внешним корпусом были установлены специальные листовые экраны, препятст­вующие попаданию холодной воды на обойму. Кроме то­го, из горловины конденсатора пришлось изъять сбросное устройство, установив его рядом с конденсатором и усо­вершенствовав его конструкцию.