Повреждения и разрушения насадных дисков и валов

2.5. Повреждения и разрушения насадных дисков и валов

Разрушение дисков является одной из наиболее тяжелых аварий, поскольку оно, как правило, не только влечет за собой полное разрушение турби­ны, но и наносит серьезный урон соседнему обору­дованию.

К разрушению дисков практически всегда приво­дит разгон машины при отказе систем регулирова­ния и защиты. Это связано с тем, что диски так же, как и рабочие лопатки, являются очень напряженны­ми деталями, причем их напряженность примерно пропорциональна квадрату частоты вращения. Поэтому содержание в идеальном состоянии систем регулирования и защиты является непременным ус­ловием исключения разгона турбины при резком сбросе нагрузки и отключении генератора от сети.

К разрыву диска может привести некачественный металл, из которого он изготовлен, или неправиль­ная его обработка. Следует подчеркнуть, что изготовление качественных поковок дисков в соответст­вии с теми высокими требованиями, которые к ним предъявляются, сложная технологическая задача.

В процессе изготовления диски проходят тща­тельный технологический контроль, а изготовлен­ный ротор в специальной вакуумной камере разгоняется до рабочей частоты вращения при баланси­ровке. Поэтому разрывы дисков – авария крайне редкая. Основной причиной разрыва дисков в усло­виях эксплуатации являются трещины, появляю­щиеся в результате усталости или коррозионного растрескивания под напряжением.

2.5.1. Коррозионное растрескивание дисков

Коррозионное растрескивание под напряжени­ем – это явление появления и роста трещины в детали при постоянном действии напряжения в агрессивной среде.

Как показывает опыт эксплуатации, трещины коррозии под напряжением могут возникнуть в лю­бом месте диска. Однако чаще всего они появляются в зонах концентрации напряжений и особенно там, где существуют условия для образования и сохране­ния достаточно длительное время концентрирован­ных растворов, например, из–за их выпаривания.

Рекомендуемые материалы

Пример 2.9. На рис. 2.10 показаны зоны коррози­онного растрескивания дисков роторов низкого давле­ния американских турбин. Статистика, собранная к 1981 г., показала, что коррозионные разрушения возник­ли на 131 диске, причем 38 % разрушений происходило в зоне хвостового соединения (рис. 2.11), 29% – на боковых поверхностях дисков, 26 % – в шпоночных па­зах и лишь 4 % – на поверхности расточки.

Наибольшую опасность представляет появление трещины на расточке, поскольку это грозит разры­вом диска и разрушением всей турбины.

Рис. 2.11. Трещины коррозии под напряжением в зоне хвостовых соединений

Пример 2.10. Поучительной с этой точки зрения яв­ляется авария с английской паровой турбиной мощно­стью 87 МВт. Авария привела к практически полному разрушению турбины и повреждениям двух соседних турбоагрегатов. Валопровод турбины был хрупко сломан в пяти сечениях, разорвались три диска в одном из ЦНД, и было разрушено облопачивание в других цилиндрах. Причиной аварии послужило образование трещин корро­зии под напряжением (рис. 2.12) в полукруглых пазах под осевые шпонки. Возникшая трещина росла, и ее дли­на достигла критического значения. В момент стандарт­ной операции по опробованию автомата безопасности, когда турбина достигла частоты вращения 53,3 1/с, произошел разрыв диска, повлекший за собой разрушение всей турбины.

Последствия этой аварии заставили персонал электро­станций провести тщательный осмотр турбин с аналогич­ными дисками.  В результате осмотра 810 дисков  на 102 роторах коррозионные трещины были обнаружены на 50 роторах, а число поврежденных дисков составило 124. Все трещины возникали в зоне перехода от перегретого пара к влажному.

Рис. 2.12.   Разрыв  диска   турбины   вследствие   трещины коррозии под напряжением

В середине 80–х годов на дисках некоторых теп­лофикационных турбин на ТЭЦ с барабанными кот­лами также появились коррозионные повреждения. Предполагается, что главной причиной их возник­новения является плохое качество пара, поступающего в турбину. Ухудшение качества пара вызывается присосами сырой воды в конденсаторе и сете­вых подогревателях, а также подачей питательной воды на впрыск в паропроводы свежего пара для регулирования его температуры.

Характерные зоны появления трещин вследст­вие коррозии под напряжением приведены на рис. 2.13–2.15.

Рис. 2.13. Трещины коррозии под напряжением на торце­вой поверхности втулки диска в районе шпоночного паза

Рис. 2.14. Трещины коррозии под напряжением в отверсти­ях под заклепки вильчатого хвостового соединения

Рис. 2.15. Трещины коррозии под напряжением у разгру­зочного отверстия и на полотне дисков

Рассмотрим явление коррозионного растрески­вания. Если некоторый образец, не имеющий де­фектов, нагрузить постоянным напряжением и поместить в агрессивную среду, то его дальнейшая "жизнь" будет состоять из трех стадий.

Первая стадия, или инкубационный период про­текает без каких–либо видимых изменений. Его финалом является появление небольшой трещины. Вторая стадия – это рост трещины вплоть до дос­тижения третьей стадии – достижения критическо­го коэффициента интенсивности К_1с и практически мгновенного разрушения.

На различных стадиях коррозионного растрески­вания действуют различные механизмы,  и поэтому влияние отдельных факторов оказывается разным.

Прежде всего, одним из главных определяющих факторов является агрессивность среды. Все корро­зионные разрушения дисков происходят в зоне рас­ширения пара, близкой к фазовому переходу. Здесь действуют те же механизмы концентрирования аг­рессивных примесей, которые рассматривались вы­ше (см. § 1.4): появление первых насыщенных агрессивными веществами капель конденсата, цикли­ческое подсушивание и увлажнение отложений в застойных зонах (зазорах в шпоночных пазах, хвостовых соединениях и т.д.). Чем выше концен­трация агрессивных примесей, тем менее корот­ким является инкубационный период и тем быст­рее развивается возникшая коррозионная трещина. Очень большое влияние на инкубационный период оказывают напряжения, с ростом которых инкуба­ционный период также сокращается. На рис. 2.16 показано совместное влияние агрессивности среды и напряжений на время до появления трещины кор­розии под напряжением для роторных сталей ЦНД. В водном растворе NаОН в количестве 28–35 % ин­кубационный период снижается примерно в 10 раз по сравнению с испытаниями в чистом паре.

Рис. 2.16. Время до появления трещин коррозии под на­пряжением в дисковом материале в зависимости от прило­женного напряжения в паре (1) и в концентрированном растворе щелочи (2)

Повышение напряжений вдвое, например, вслед­ствие концентрации напряжений, приводит к уменьшению инкубационного периода в 8–10 раз. Рис. 2.16 очень хорошо объясняет, почему именно коррозионное растрескивание возникает в зоне фа­зового перехода и чаще всего в зонах концентрации напряжений (в шпоночных пазах и хвостовых со­единениях).

Рис. 2.17. Влияние температуры на скорость роста трещи­ны коррозии под напряжением в агрессивной среде

Температура очень серьезно влияет на скорость распространения трещины коррозии. Из рис. 2.17 видно, что при повышении температуры с 70 до 120 ºС скорость роста трещины увеличивается при­мерно с 0,1 до 15 мм/год. Отсюда становится яс­ным, что диски, работающие в зоне фазового перехо­да турбины Т–100/110–12,8 ТМЗ, более склонны к коррозионному растрескиванию, чем, например тур­бины Т–180/210–12,8 ЛМЗ. Процесс расширения пара в турбине Т–180/210–12,8 вследствие наличия промежуточного перегрева в h, s–диаграмме располагается существенно правее, чем в турбине Т–100/110–12,8. Поэтому процесс расширения пересекает нижнюю пограничную кривую х = 1 в точке, где температура конденсации существенно меньше, и поэтому ско­рость роста коррозионной трещины также меньше.

Основные меры борьбы с коррозионным рас­трескиванием дисков осуществляются на этапе кон­струирования и изготовления. Очень важными эта­пами являются выбор материала и качество поков­ки, из которой изготавливается диск. Закалка диска на высокий предел текучести с целью увеличения коэффициента запаса по статической прочности весьма существенно увеличивает скорость роста трещины. Поэтому и при изготовлении диска, и при ремонте (например, при его снятии с вала с помощью нагрева) следует обеспечить условия, когда исключается закалка его материала.

При изготовлении отливки должна тщательно соблюдаться технология, сводящая к минимуму за­грязнение материала фосфором, серой, мышьяком и другими примесями, которые приводят к охрупчиванию материала, снижению К_1с и повышению ве­роятности коррозионного растрескивания.

Диски, которые могут попадать в зону фазового перехода при изменении режима работы, не долж­ны иметь осевых шпонок. Крутящий момент при временном ослаблении посадки должен передавать­ся торцевыми шпонками.

Кардинальным решением вопроса является ис­ключение из использования для  РНД  сборных рото­ров (с насадными дисками). Сварные и цельнокова­ные ротора имеют меньшие напряжения, что позво­ляет выполнить их из более "мягкого" материала; отсутствие посадки позволяет исключить очень на­пряженную зону в области ступицы, омываемую паром с агрессивными примесями.

Задача персонала ТЭЦ в предупреждении корро­зионного растрескивания дисков прежде всего со­стоит в тщательном поддержании технологии ре­монта. Особенно тщательно следует соблюдать пре­дусмотренные ремонтным регламентом натяги по­садки в хвостовых соединениях. Повышенные монтажные напряжения, например, вследствие натяга в замках, препятствующих разгибу щек диска  или хвостовика, излишний натяг при ус­тановке штифтов хвостовиков (особенно, замковых лопаток) вполне может привести к появлению тре­щин коррозии под напряжением.

2.5.2. Вибрация дисков

Вибрация дисков и связанные с ней усталостные разрушения происходят под действием периодиче­ских импульсов со стороны парового потока. Природа возникающих внешних импульсов не отлича­ется от природы импульсов, вызывающих вибра­цию рабочих лопаток.

Подобно тому, как рабочие лопатки имеют раз­личные тона колебаний, характеризующиеся соот­ветствующими значениями собственных частот и форм колебаний, диски турбин также имеют бес­конечное число собственных частот и форм колеба­ний. Из них наибольшее значение имеют две формы колебаний: зонтичная и веерная.

При зонтичных колебаниях все точки диска перемещаются во времени, за исключением точек, геометрическое место которых представляют собой окружности. В простейшем случае такой окружно­стью может быть окружность примыкания полотна диска к ступице. На рис. 2.18, а показана форма колебаний диска с одной окружностью: при колеба­ниях точки окружности в пространстве не переме­щаются, а точки, расположенные внутри и вне ее, колеблются в разных фазах. На диске могут быть две, три и более узловых окружностей.

Рис. 2.18. Зонтичные (а) и верные (б) формы колебаний дисков

В паровых турбинах практически отсутствуют условия для возникновения резонансных зонтич­ных колебаний, поэтому они не играют сущест­венной роли.

Гораздо большее значение имеют веерные ко­лебания (рис. 2.18,б), при которых неподвижны­ми (узловыми) являются диаметры, а соседние об­ласти колеблются в разных фазах. Опасными для турбинных дисков являются веерные колебания с числом узловых диаметров от двух до шести.

Так же, как и при вибрации рабочих лопаток, вибрация рабочих дисков опасна тогда, когда на­блюдается резонанс, т.е. совпадение частоты собственных колебаний вращающегося диска с частотой возмущающей силы, и когда возмущающие силы достаточно велики. Опасным вибрациям подверже­ны только тонкие диски, частота собственных коле­баний которых мала. Для исключения возможности резонанса диск "настраивают", снимая с его боко­вых поверхностей часть металла (без снижения его сопротивления разрыву) для изменения частоты собственных колебаний.

Для толстых дисков, в частности, для дисков по­следних ступеней, размеры ступиц и обода велики, а внешний диаметр мал, поэтому такие диски име­ют весьма высокую частоту собственных колеба­ний, и опасности резонанса для диска не возникает. Правда, учет осевых смещений диска при веерных колебаниях приходится все равно производить, по­скольку они значительно сказываются на вибраци­онных характеристиках рабочих лопаток.

Вследствие вибрации в материале диска проявля­ется явление усталости металла, ведущее к появле­нию трещины усталости. Как обычно, трещины возникают в местах концентрации напряжений: разгру­зочных отверстиях, галтелях, царапинах и рисках.

Особенно опасным местом диска является его обод, на котором крепятся лопатки. Форма обода сложна, лопаточный паз имеет скругления малого радиуса, в которых действуют повышенные напря­жения. Эти напряжения увеличиваются при неплот­ной установке лопатки в диске, когда на диск начи­нают действовать наряду с центробежной силой ло­патки переменные напряжения от ее колебаний.

Пример 2.11. В практике эксплуатации французских турбин мощностью 125 МВт было более 20 случаев (на 18 турбинах) появления трещин в узком сечении щеки обода диска (рис. 2.19). Причинами появления трещин явились постепенное ослабление крепления лопатки в пазе диска, снижение частоты собственных колебаний, усиление вибрации лопаток и появление знакоперемен­ных напряжений в ободе диска. Одновременно с трещи­нами в ободе возникли трещины и в узком сечении хво­стовиков лопаток.

2.5.3. Усталость валов

При вращении колеблющегося вала в нем возни­кают изгибные напряжения, достигающие макси­мальных значений на его поверхности. Особенно значительны они в местах концентрации напряже­ний, т.е. в местах резких изменений диаметров се­чений, тепловых и шпоночных канавок и т.д.

Размеры ротора выбираются, главным образом, так, что­бы обеспечить требуемую критическую частоту вращения. При этом возникающие изгибные напря­жения оказываются сравнительно малыми, и появ­ление трещин усталости может произойти только в области концентраторов.

Пример 2.12. На рис. 2.20 показано образование трещины в переходной галтели от последнего диска к шейке вала в цельнокованом роторе ЦНД. Значительную роль в появлении и развитии этой трещины сыграли пе­риодически возникающие  концентрированные солевые растворы. При возникновении трещины наблюдалось воз­растание вибрации примыкающего подшипника.

Рис. 2.20. Трещина усталости на поверхности ротора ЦНД турбины мощностью 125 МВт после 80 тыс. ч работы

Пример 2.13. На рис. 2.21 показан ротор низкого давления, разрушившийся после появления трещины ус­талости (совместно с коррозией) в вале ротора. Максимальная глубина трещины достигла 245 мм при диаметре вала 978 мм. В роторе второго ЦНД появилась аналогич­ная трещина, успевшая развиться до 50 мм.

Трещины усталости могут возникать и в шейках роторов ЦНД вследствие циклического кручения, возникающего при несинхронных включениях гене­ратора в сеть и коротких замыканиях в генераторе.

Рис. 2.21. Образование трещины усталости в галтели ротора ЦНД

2.5.4. Погибы валов

Выше отмечалось, что неравномерный прогрев или остывание вала или ротора неизбежно приводит к возникновению сильной вибрации. Такой изгиб, однако, в большинстве случаев носит временный ха­рактер и исчезает после прогрева турбины. К сожа­лению, в турбине может возникнуть остающееся искривление вала, которое поддается правке только в заводских условиях. Остающееся искривление мо­жет быть вызвано следующими причинами:

1) проникновением в турбину воды или холодно­го пара, вызывающих местное охлаждение ротора и появление зоны остаточных пластических деформа­ций. Наиболее часто холодная среда проникает из паропроводов отбора пара на регенеративные и се­тевые подогреватели или на приводную турбину питательного насоса;

2) радиальными задеваниями ротора о непод­вижные детали. При задеваниях в месте контакта за счет трения появляется столь высокая неравномер­ность температур, что возникающие температурные напряжения превосходят предел текучести. При этом ясно, что сильно разогретые волокна вала бу­дут сжаты. После остановки ротора в этом месте возникнут растягивающие остаточные напряжения, и место задеваний будет расположено на вогнутой стороне. Радиальные задевания возникают при повышенной вибрации ротора, а также при темпера­турном изгибе вала и корпуса турбины.

Контрольные вопросы

1. Назовите возможные причины хрупкого разрушения роторов.

2. Что такое флокены и чем они опасны?

3. Чем опасен обрыв лопатки большой массы на роторе?

4. Почему нельзя повышать частоту вращения ротора непрогретой турбины?

5. Какой основной эксплуатационный фактор определя­ет долговечность роторов ЦВД и ЦСД?

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - Классификации состава природных вод.

6. В каких зонах цельнокованых роторов появляются трещины термической усталости?

7. Что такое коррозия под напряжением? Для каких де­талей турбины она наиболее опасна?

8. Как влияют напряжения и агрессивность среды на длительность появления трещины коррозии под на­пряжением?

9. Как влияет температура на скорость роста трещины коррозии под напряжением?

10. Назовите виды колебаний дисков.

11. Назовите причины временного и остающегося проги­ба роторов.