Исчерпание ресурса длительной прочности

2.3. Исчерпание ресурса длительной прочности

2.3.1. Основные факторы, определяющие длительную прочность материала

Длительная прочность – это основной фактор, который определяет ресурс турбины. При дли­тельном пребывании материала ротора в условиях высоких напряжений и температуры в нем накапли­ваются повреждения в виде пор и разрыхлений, ко­торые затем сливаются в макротрещину, постепен­но растущую даже в условиях постоянной нагрузки. При достижении трещиной критического размера происходит "внезапное" хрупкое разрушение.

Ресурс длительной прочности работающего в турбине ротора определяется тремя основными факторами:

1) температурой;

2) напряжениями;

3) длительностью пребывания ротора при высокой температуре (даже без напряжений).

Поэтому для турбин без промежуточного пере­грева исчерпание длительной прочности в первую очередь происходит на поверхности осевой расточ­ки под диском регулирующей ступени: здесь ротор омывается наиболее горячим паром, а напряжения, определяемые большой массой диска регулирую­щей ступени, максимальны.

Для турбин с промперегревом, как правило, бо­лее опасной зоной является поверхность осевого канала в зоне первой ступени ЦСД. Это связано с тем, что при одинаковых температурах свежего и вторично перегретого пара температура в первой ступени ЦСД оказывается больше, чем в регули­рующей ступени ЦВД из–за меньшего теплоперепа­да. Кроме того, диск первой ступени ЦСД имеет больший диаметр, а его лопатки – большую дли­ну. Поэтому и напряжения от вращения оказыва­ются более высокими.

Рекомендуемые материалы

Длительная прочность материала зависит не только от температуры и напряжения, но и от дли­тельности пребывания материала в условиях высо­кой температуры даже при отсутствии напряжений. При таких условиях происходит "старение" мате­риала: по границам его зерен выпадают карбиды, он становится более хрупким и его длительная проч­ность снижается. На рис. 2.3 показана полоса раз­броса длительной прочности (ограничена сплошны­ми линиями) хромомолибденованадиевой стали, полученной из материала "свежего" ротора. Видно, что материал холодных зон (светлые символы) роторов, отработавших 130–140 тыс. ч имел такое же сопротивление длительной прочности. Однако ма­териал высокотемпературных зон существенно "со­старился", и его длительная прочность снизилась.

Рис. 2.3. Зависимость Ларсона–Миллера для хромомолиб­денованадиевой стали

1 – средняя линия для полосы результатов испытаний мате­риала роторов в исходном состоянии (светлые точки – ре­зультаты испытаний материала низкотемпературных зон рото­ров после 130–140 тыс. ч эксплуатации); 2 – средняя линия для результатов испытаний высокотемпературных зон после 130–140 тыс. ч эксплуатации (темные точки)

Пример 2.3. Оценить снижение срока службы рото­ра за счет старения материала (штриховые линии на рис. 2.3), если напряжение σ = 100 МПа, а температура  t = 520 ºС.

Значение параметра Ларсона–Миллера для исходно­го материала при заданном напряжении:

Тогда время до разрушения:

В состаренном состоянии Р' = 20 ·10³ и lgt_p' = 5,221. Таким образом, t_р = 3032000 ч, t_p' = 166 219 ч, т.е. время до разрушения снижается в 18,2 раза.

Обнаружить эффект старения материала рабо­тающего ротора достаточно сложно, хотя и возмож­но с помощью тонких физических методов (напри­мер, по разрыхлению материала вследствие образо­вания пор и снижения его плотности).

2.3.2. Предупреждение образования трещин в цельнокованых

роторах вследствие исчерпания длительной прочности

Меры борьбы с образованием трещин длитель­ной прочности следуют из их причин. В правильно спроектированном и изготовленном роторе, в частности, рассчитанном с учетом постепенного охрупчивания материала, досрочное появление трещин длительной прочности на расточке ротора может произойти только вследствие повышения темпера­туры ротора. В свою очередь это возможно по двум причинам: из–за увеличения температуры пара пе­ред ЦВД или ЦСД или из–за роста температуры па­ра в камере регулирующей ступени, например, при уменьшении мощности турбины методом скольже­ния давления.

Пример 3.4. В камере регулирующей ступени турби­ны при номинальной нагрузке температура пара состав­ляет 505 ºC, а при разгружении на ночь на скользящем давлении при всех полностью открытых регулирующих клапанах на время 8 ч температура увеличивается на 10 ºС.

При аналогичном разгружении регулирующими клапанами температура снижается на 50 ºС.

Определить выработку ресурса длительной прочности после 100 000 ч эксплуатации при номинальной нагрузке и в двух рассмотренных режимах частичной нагрузки, если в состоя­нии установившейся ползучести напряжения на расточке σ_θ = 90 МПа. Длительная прочность материала подчиня­ется зависимости Ларсона–Миллера (рис. 2.3), ко­торую можно аппроксимировать соотношением:

Определим выработку ресурса за 100000 ч при номи­нальной нагрузке. Значение параметра Ларсона–Миллера:

.

Тогда:

,

т.е. время разрушения при работе с номинальной нагрузкой составит   ч, и выработка ресурса за 100 тыс. ч:

При работе на скользящем давлении:

Тогда время до разрушения при этом режиме ч. Выработка ресурса за 100000 ч составит:

т.е. выработка ресурса увеличивается почти в 1,5 раза.

Для случая регулирования нагрузки турбины регули­рующими клапанами при постоянном начальном давлении время до разрушения составит , т.е.  при этом режиме поврежденность практически не вносит­ся и выработка ресурса составит

.

Конечно, из этого примера вовсе не следует, что при­менение режима скользящего давления нецелесообразно.

Для исключения повышения температуры в камере регу­лирующей ступени скольжение следует осуществлять на части полностью открытых регулирующих клапанов.

Трещины длительной прочности могут возни­кать не только на расточках роторов, но и в придисковых галтелях и ободьях дисков, где расположены хвостовые соединения.

Лекция "2 Основные параметры и их характеристики в механотронах продольного управления" также может быть Вам полезна.

Пример 2.5. На рис. 2.4 схематично показан диск первой ступени ЦСД турбины мощностью 125 МВт, раз­рушившейся вследствие исчерпания длительной прочно­сти после менее чем 2–х лет службы. Трещина возникла в зоне двух отверстий под заклепки замковой лопатки, за­тем она развивалась до критического размера, после чего произошел вырыв сегмента в 160º.

Рис. 2.4. Разрыв диска вследствие трещины, появившейся в результат исчерпания длительной прочности

Пример 2.6. На рис. 2.5 показано разрушение от исчерпания длительной прочности пазов под хвостовики на барабанных роторах американских турбин, прослу­живших всего 7 мес. В последних двух случаях причиной исчерпания длительной прочности явилась низкая дли­тельная пластичность материала ротора.

Рис. 2.5. Разрушение хвостовых соединений вследствие ис­черпания длительной прочности