Коррозионная усталость рабочих лопаток

1.4. Коррозионная усталость рабочих лопаток

1.4.1. Понятие коррозионной усталости

Коррозионной усталостью называют совмест­но протекающие и ускоряющие друг друга процес­сы язвенной коррозии и обычной (механической) ус­талости, следствием которых является преждевре­менное усталостное разрушение лопатки.

Таким образом, главным внешним признаком коррозионной усталости является возникновение и развитие трещины, идущей от язвы. Однако отсут­ствие язв при усталостном разрушении еще не озна­чает отсутствие влияния коррозионных эффектов. Это является одной из причин занижения числа по­вреждений рабочих лопаток от коррозионной уста­лости. В частности, даже в чистой воде снижаются усталостные характеристики материала, хотя при этом язвы не образуются.

Условно процесс разрушения при коррозионной усталости можно разделить на следующие стадии.

На первой стадии протекают процессы механи­ческой усталости и образования язв на поверхно­сти. Образование язв – это, по–видимому, самый характерный признак коррозионной усталости. За­канчивается эта стадия образованием небольшой трещины в одной или нескольких язвах.

На второй стадии происходит развитие трещины до критического размера и быстрое хрупкое разру­шение детали.

Хотя процессы язвенной коррозии и механической усталости протекают одновременно и усилива­ют друг друга, тем не менее, имеет смысл рассмат­ривать их сначала раздельно.

Язвенная коррозия – это электрохимиче­ский процесс, для протекания которого необходи­мо иметь:

Рекомендуемые материалы

1)  гальваническую пару, т.е. участки поверхно­сти с разным электрическим потенциалом, которые всегда существуют;

2) электролит, т.е. водный раствор веществ, дис­социирующих на ионы;

3) деполяризатор – вещество, препятствующее накоплению водорода на катоде и прекращающее химическую реакцию.

Протекание язвенной коррозии определяется следующими факторами:

1) материалом и его микроструктурой, опреде­ляющими наличие гальванической пары; дополни­тельная возможность для образования пара создается приложенными напряжениями, которые в микрообъ­еме всегда неоднородны, и чистотой поверхности;

2) средой, определяемой концентрацией электро­литов и подвижностью ионов;

3) наличием деполяризаторов, которым чаще всего выступает кислород.

Следует подчеркнуть одну характерную деталь язвенной коррозии: она развивается во времени.

Остановимся кратко на механизме язвенной кор­розии рабочих лопаток.

При погружении лопаток в воду на первом этапе происходит общая коррозия, в результате которой на поверхности возникает слой оксидов, главным об­разом хрома. Оксид хрома образует на поверхности прочную пленку, не растворяющуюся в воде. Этим обусловливается пассивное состояние поверхности и прекращение процесса окисления. Однако поверхность лопатки в силу физической и электрической неоднородности представляет собой совокупность микроэлементов с различным электрическим потен­циалом, иными словами – набор гальванических пар. Поэтому, при наличии сильного (не воды) элек­тролита и деполяризатора (кислород в щелочной среде или водород – в кислотной) в зонах с наибольшим потенциалом начинает работать гальвани­ческий элемент и возникает язва – зона поверхно­сти с разрушенной защитной пленкой, т.е. с поверх­ностью в активном состоянии, с которой происходит активный переход материала в раствор. Язвы преж­де всего возникают в зонах концентрации напряже­ний, где наибольшая физическая неравномерность, способствующая образованию гальванических пар. Кроме того, концентраторы с малым радиусом скругления, особенно расположенные на горизон­тальных поверхностях, часто накапливают агрессив­ные примеси вследствие трудностей их механиче­ского удаления или упаривания раствора (тому же способствует недостаточная чистота поверхности).

1.4.2. Разрушение рабочих лопаток от коррозионной усталости

Статистика повреждений лопаток от коррозион­ной усталости противоречива.

Одно из самых обстоятельных исследований повреждений рабочих лопаток ЦНД и роли в них коррозионной усталости выполнено в США. На 50 турбинах, введенных после 1960 г., произошло 65 аварий: только две из них закончились язвен­ной коррозией без разрушения, при остальных авариях были разрушения одного или более рядов рабочих лопаток.

Роль коррозионной усталости весьма четко вид­на из рис. 1.21: основной вклад в разрушение ра­бочих лопаток ЦНД внесла предпоследняя ступень, работающая в зоне фазового перехода, где концен­трация примесей в образующихся агрессивных рас­творах максимальна (см. п. 1.4.3). В основном раз­рушения происходили от коррозионной усталости. Для лопаток последней ступени, где статические напряжения выше, образующиеся агрессивные растворы имеют меньшую концентрацию и разруше­ний меньше. В предпредпоследней ступени, где зо­на фазового перехода может возникать периодиче­ски, малы статические напряжения и разрушения также происходят реже.

Рис. 1.21. Гистограммы количества разрушившихся лопа­ток по ступеням ЦНД и доля лопаток, разрушившихся от коррозионной усталости (заштрихованные области)

Гистограммы на рис. 1.22 иллюстрируют зоны поломок лопаток. Видно, что максимум поломок и рабочих частей, и хвостовиков, и связей приходится на предпоследнюю ступень. Поломки шипов воз­никают только в предпоследней ступени, а основ­ная доля поломок, приходится на рабочую часть.

Рис. 1.22. Гистограммы количества поломок z элементов облопачивания ЦНД

Аналогичная статистика разрушения рабочих лопаток получена в Германии. Для иллюстрации на рис. 1.23 приводятся данные за трехлетний пери­од. Основная доля аварий рабочих лопаток прихо­дится на ЦНД: на них падает 62 % аварий, причем 2/3 из них – на зону фазового перехода.

Рис. 1.23. Процент аварий рабочих лопаток в различных цилиндрах турбин по исследованиям в Германии

1 – регулирующие ступени; 2 – ЦВД; 3 – ЦСД; 4 – ЦНД

С другой стороны фирма "Дженерал Электрик" не имела серьезных вынужденных простоев из–за коррозионной усталости и коррозионного растрес­кивания. Объясняет это фирма тем, что с 30–х годов она знает о снижении усталостных свойств мате­риалов в присутствии в среде NаСl и NаОН и при­нимает при проектировании соответствующие запа­сы прочности. Всего фирма имеет 19 случаев кор­розионной усталости для ступеней, работающих в области фазового перехода. Время появления тре­щин составляет 3–15 лет. Во всех случаях разру­шения отмечается плохое качество пара, которое, по мнению фирмы "Дженерал Электрик", является определяющим в возможности коррозионной уста­лости. Фирма отмечает, что язвенной коррозии под­вергаются практически все ступени ЦНД. На пер­вый взгляд это кажется необъяснимым, так как от­сутствие влаги и кислорода в "сухих" ступенях при работе турбины не может привести к коррозии. С другой стороны, во "влажных" ступенях агрес­сивные растворы сильно разбавлены. Фирма счита­ет, что в основном язвенная коррозия происходит во время стоянки, когда в цилиндр проникает влага и кислород и образуются агрессивные растворы.

Существует точка зрения, что там, где имеется химический контроль, независимо от способа обра­ботки питательной воды, проблем язвенной корро­зии не существует, так как после определенной на­работки рабочие лопатки покрываются плотно при­легающей тонкой пленкой оксидов, защищающих металл от агрессивной среды. При этом, однако, подчеркивается, что особое внимание уделяется конструкционному демпфированию с помощью бандажей и связей, снижающему вибрационные на­пряжения. В то же время, как уже отмечалось выше, другие фирмы часто объясняют малое число повре­ждений именно отсутствием бандажей, шипов, про­волок, на которые приходится 46 % разрушений.

1.4.3. Основные особенности коррозионной усталости материалов

Главной особенностью коррозионной усталости лопаток является образование в процессе усталости язв и появление в них трещин усталости. Другим важным признаком коррозионной усталости пред­ставляется возможность разрушения при весьма ма­лых амплитудах напряжений или, иными словами, отсутствие предела усталости даже при весьма больших базах по числу циклов. На рис. 1.24 пока­заны кривые усталости для лопаточной стали на воздухе и в 0,03 %–ном растворе NаСl. Хорошо вид­но, что на воздухе предел усталости обнаруживается уже при 2·10⁶  циклах и составляет 380 МПа. В среде NаСl он является сомнительным даже при 10⁹ циклов при амплитуде напряжений  σ_а = 100 МПа. Поэтому при усталостных разрушениях рабочих ло­паток при малых напряжениях всегда надо искать в качестве одной из причин возможность существова­ния агрессивной среды.

Рис. 1.24. Кривые усталости лопаточной стали при симметричном цикле в 0,03 %–ном растворе NaCl  (кривая 1) и на воздухе (кривая 2)

Рассмотрим основные факторы, определяющие возможность коррозионной усталости.

1.4.3.1. Агрессивность среды. С увеличением концентрации NаСl сопротивление материала уста­лости падает. Это хорошо видно из рис. 1.25, от­носящемуся к испытаниям с одинаковой амплиту­дой напряжений 340 МПа. Можно также отметить, что с увеличением концентрации агрессивных ве­ществ наблюдается определенное "насыщение" уменьшения долговечности, и поэтому концентра­ция NаСl, превышающая 5 %, по–видимому, уже слабо влияет на долговечность.

Снижение усталостных свойств происходит не только в водных растворах, но и в паровой среде. Даже в чистом паре при напряжениях, меньших предела усталости, долговечность меньше, чем на воздухе, хотя сам предел усталости остается неиз­менным. В паре с 3 % NаСl также происходит сни­жение долговечности, однако в меньшей степени, чем в водных растворах.

Рис. 1.25.   Влияние   концентрации   NаСl  на   усталостную долговечность при постоянной амплитуде напряжений

Большое влияние на усталостную долговечность оказывает совокупное влияние характера среды и содержания свободного кислорода. При переходе от щелочной среды к кислой даже в чистой воде ам­плитуда разрушающих напряжений уменьшается в 4–5 раз. Укрупненное итоговое влияние всех этих параметров для лопаточных сталей иллюстри­руется рис. 1.26. Даже в чистой воде сопротивле­ние усталости уменьшается, причем в тем большей степени, чем больше база испытаний. С увеличени­ем содержания кислорода, ионов хлора и кислотности среды сопротивление усталости падает. В рас­творах, содержащих значительный процент агрес­сивных примесей, предел усталости может умень­шаться в 3–3,5 раза по сравнению с пределом уста­лости на воздухе.

Рис. 1.26. Относительное уменьшение предела усталости для различных агрессивных сред

1 – испытания на воздухе; 2 – полоса разброса для различ­ных материалов для испытаний в чистой нейтральной воде; 3 – то же для растворов NаСl

1.4.3.2. Условия нагружения материала. На со­противление коррозионной усталости влияют ам­плитуда напряжения, среднее напряжение цикла, концентрация напряжений и чистота поверхности.

С ростом амплитуды вибрационных напряжений долговечность, естественно, уменьшается. Основ­ное отличие от обычной усталости состоит лишь в том, что повреждающими оказываются и очень малые амплитуды напряжений, что выражается в отсутствии предела усталости.

Влияние среднего напряжения оказывается от­носительно более существенным, чем при механи­ческой усталости: кривая предельных амплитуд сдвигается в сторону меньших напряжений. Сред­нее напряжение играет очень большую роль и при получении характеристик материала в агрессивных средах: кривые усталости следует получать экспе­риментально, а не использовать для этой цели упро­щенные расчетные методы.

Влияние концентрации напряжений на воздухе и в агрессивной среде проявляется по–разному. На воздухе оно оказывается весьма сильным и моно­тонно зависит от коэффициента концентрации. В аг­рессивной среде,  во–первых, исчезает физический предел усталости и, во–вторых, появляются другие факторы, отодвигающие факт концентрации напря­жений на второй план. Таким фактором являются язвы, которые образуются в первую очередь в зонах концентрации напряжений. Глубина типичных язв составляет 10–20 мкм. По существу язва – это глубокий "колодец", концентрация солей внутри которого может быть существенно выше, чем сред­няя. Поэтому даже при концентрации NаСl всего в  3·10^–4 % заметно снижение предела усталости. По некоторым исследованиям язвы сохраняют та­кой размер независимо от концентрации NаСl, при­ложенных напряжений и коэффициента концентрации. Именно этим можно объяснить слабое влияние коэффициента концентрации на усталостную дол­говечность: определяющим является образование язв в концентраторе, а не влияние его самого.

Прямое влияние язв на итоговое сопротивление усталости показано на рис. 1.27: даже на воздухе для образцов с язвами оно оказывается в 2,5–2,7 раза меньше.

Рис. 1.27. Кривые усталости для образцов без коррозион­ных язв (кривая 1) и с язвами (кривая 2)

1.4.3.3. Основные закономерности образова­ния язв. Остановимся на некоторых основных ре­зультатах исследований язвенной коррозии применительно к лопаточным материалам и условиям в паровых турбинах.

Для исследования факторов, влияющих на обра­зование язв, выполнены специальные опыты. На пластину из лопаточной стали наносился слой искусственных "отложений"  толщиной 0,3 мм. Их состав был близок к составу реальных отложений: более 80% Fе₃O₄, в пределах 10% SiO₂. На покрытие прикреплялась фильтровальная бумага, весь этот "слоеный пирог" зажимался, и конец пластины вместе с фильтровальной бумагой опус­кался в воду. Вода поднималась вверх по бумаге, смачивала слой искусственных отложений, и тем самым имитировалось увлажнение слоя отложе­ний в турбинах. Выдержка при испытаниях со­ставляла 10 сут, а иногда – 30 сут.

Опыты показали, что размер образующихся язв прежде всего зависит от характера среды: чем выше ее кислотность, тем больше диаметр образующихся язв. Роль образующихся язв весьма значительна. Во–первых, язвы – это очаги разрушения пассивирую­щей пленки, в которые облегчается доступ к свеже­му металлу агрессивных веществ, что ускоряет про­цессы коррозии. Во–вторых, язвенные колодцы – это концентраторы агрессивных веществ. При попа­дании в них влаги образующиеся водные растворы не могут смываться потоком пара, что определяет их значительное влияние.    В–третьих, язвы – это ин­тенсивные концентраторы напряжения, ускоряющие процессы усталостного разрушения материала.

1.4.3.4. Рост трещин при коррозионной уста­лости. Совместное протекание процессов устало­сти и коррозии, в конце концов, приводит к появле­нию в язвах микротрещин. По наблюдениям по­верхности испытанных образцов, первые самые ма­лые микротрещины образуются у язв диаметром да­же 1 мкм (по другим наблюдениям – до 3 мкм), ко­торые, в свою очередь, возникают даже при концен­трации NаСl  3·10^–4 %. Такие микротрещины мож­но наблюдать на поверхности неразрушенных образцов после 10⁹  циклов приложения нагрузки.

Рис. 1.28. Зависимости скорости роста усталостных тре­щин от размаха коэффициента интенсивности для различ­ных сред и условий нагружения

1 – испытания в вакууме; 2 – испытания в аэрированной во­де при температуре 85 ºС в 22 %-ном растворе NаСl при коэф­фициенте асимметрии нагружения R = 0,05; 3 – то же для R = 0,5; 4 – то же для R = 0,9

На рис. 1.28 показано сравнение скорости раз­вития трещин в зависимости от размаха коэффици­ента интенсивности [область справедливости фор­мулы (1.16)] и коэффициента асимметрии в двух средах: в вакууме и 22 % – ном растворе NаСl. Каче­ственно характер зависимостей одинаков, однако имеется и ряд особенностей развития трещин в коррозионной среде.

Во–первых, скорость развития трещин в ней су­щественно выше. Она увеличивается с уменьшени­ем размаха ΔК; при малых ΔК разница в скоростях развития трещины в вакууме и в агрессивной среде может достигать 2–3 порядков.

Во–вторых, если в области справедливости зави­симости (1.16) в воздухе асимметрия нагружения практически не сказывается, то в агрессивной среде, особенно при малых ΔК, влияние асимметрии становится очень существенным.

В–третьих, как и при усталости на воздухе, обна­руживается порог развития трещины коррозионной усталости ΔК_thcc, значение которого зависит от асимметрии цикла и агрессивности среды.

1.4.4. Источники агрессивных веществ и механизмы их концентрирования в ЦНД

Агрессивность среды, точнее водных растворов агрессивных компонентов зависит от ряда факто­ров, главными из которых являются:

1) природа агрессивной примеси;

2) ее концентрация;

3) кислотность (или щелочность) среды;

4) содержание кислорода;

5) температура.

Наиболее обстоятельный анализ состава приме­сей, содержащихся в паре, выполнен фирмой "Вестингауз", проанализировавший 812 проб отложений от 104 турбин, питающихся от различных котлов. Установлено, что в состав отложений входит 154 соединения: оксиды, силикаты, сульфаты, фосфаты, карбонаты, хлориды, кислоты и т.д. Фирма считает, что при оценке возможности коррозионной устало­сти из них необходимо учитывать, по крайней мере, 50. Наиболее важными являются: NаСl, NаОН, Nа₂SO₄, Nа₃РO₄, Nа₂SiO₃ и др.

Правильная оценка агрессивности этих компо­нент важна по двум причинам. Во–первых, их зна­ние позволит принять меры для исключения их по­падания в турбину. Во–вторых, можно назначить среду для изучения сопротивления коррозионной усталости материала в ней.

Можно считать доказанным, что одной из самых агрессивных примесей являются хлориды, однако не исключается, что более агрессивной может ока­заться и смесь солей. Этот вопрос сегодня остается открытым; подвергается сомнению даже сама по­становка задачи о выборе универсальной среды для испытаний, во–первых, потому, что условия работы разных ступеней ЦНД различны, во–вторых, пото­му, что для разных материалов и разных условий нагружения влияние среды может быть прямо про­тивоположным.

Источники примесей, циркулирующих или вы­падающих в паровой турбине, можно разделить на две категории: внутренние и внешние.

Внутренним источником являются метал­лические поверхности конденсатно–питательного тракта (трубная система подогревателей и трубопроводы), окисление которых вследствие наличия кислорода, неизбежно проникающего в тракт, при­водит к появлению оксидов железа (Fе₂O₃ ) и меди (СuО). Растворимость СuО, достаточно высокая в перегретом паре, резко уменьшается с уменьшени­ем давления. Поэтому СuО выпадает в основном в ЦВД. Гепатит Fе₂O₃ выпадает по всей проточной части турбины, и, в основном, в ЦНД. И СuО, и Fе₂O₃ не являются сами по себе агрессивными ве­ществами, вызывающими язвенную коррозию.

Основным способом поддержания слабой непре­рывной окисляемости конденсатно–питательного тракта является создание и поддержание на поверх­ности пассивирующей защитной пленки магнетита Fе₃O₄. Для этого необходимо выдерживать в жест­ких пределах водный режим. В настоящее время применяют два режима: гидразинно–аммиачный и нейтрально–кислородный.

Гидразинно–аммиачный режим обеспе­чивает щелочной режим вследствие подачи гидра­зина и аммиака, которые, взаимодействуя с водой, обеспечивают избыток ионов ОН^–. При этом про­исходит связывание свободного кислорода. ПТЭ требует для нормальной работы рН на уровне  9,1 ±0,1. Однако для создания надежной пассиви­рующей пленки требуется рН 9,5–9,8. В принци­пе его можно создать, однако при наличии в трак­те латуни, особенно в низкотемпературной части (конденсатор, ПНД), возникает аммиачная корро­зия медных сплавов и занос ЦВД оксидами меди. Значение рН 9,1 ±0,1 – это компромисс между окислением железа и меди. Этот режим с высоки­ми рН может успешно применяться при использо­вании в теплообменниках и конденсаторе титано­вых или нержавеющих трубок.

При использовании нейтрально–кислород­ного режима с подачей газообразного кислоро­да в количестве примерно 200 мкг/кг на поверхно­сти также образуется прочная защитная пленка, од­нако аммиачной коррозии при этом не происходит. Однако этот режим требует очень высокого качества воды, исключающей образование электролитов, т.е. растворов солей. Это делает возможным его приме­нение только при наличии конденсатоочистки, кото­рая всегда устанавливается на энергоблоках СКД.

Главным внешним источником нечистот являются   присосы   сырой  воды   в   конденсаторе.

Именно конденсатор является источником в цикле всех тех соединений, о которых говорилось выше. Главными из них являются оксид кремния SiO₂ и  Nа₂SiO₃, а  кроме них NаСl  и Nа₂SO₄, вызываю­щие язвенную коррозию рабочих лопаток.

В теплофикационных ПТУ с возвратом конден­сата греющего пара сетевых подогревателей в цикл серьезным источником являются присосы загряз­ненной сетевой воды.

В общем случае составы пара, поступающего к турбине, и конденсата отличаются в зависимости от типа котла и принятой системы очистки конденсата.

При прямоточном котле качество питательной воды однозначно определяет качество пара. Именно поэтому энергоблок с прямоточным котлом обору­дуют конденсатоочисткой – блочной обессоливаю­щей установкой (БОУ), которая должна задерживать все образующиеся и поступающие в конденсат окси­ды и соли и выводить их из цикла. Конденсатоочистка почти полностью удаляет нечистоты, поэтому на современных ТЭС должна быть 100 % – ная конденсатоочистка. Однако решить полностью пробле­му коррозии при введении конденсатоочистки нель­зя, поскольку при некоторых режимах, в частности, при пусках и остановках пар имеет худшее качество.

На другом принципе построена очистка пара в барабанном котле. В таком котле переход примесей из кипящей воды в пар происходит в соответствии с их коэффициентами распределения. Коэф­фициент распределения – это отношение количе­ства примесей, растворяемых в паре и воде. По­скольку для NаСl его значения находятся на уровне 10^–4 , то в пар переходит лишь незначительная часть NаСl, если бы не было капельного уноса и по­падания примесей на участке от котла до турбины. Поскольку в каплях концентрация NаСl велика, то даже небольшой капельный унос приводит к суще­ственному заражению солями пара.

Дополнительный ввод агрессивных примесей происходит с впрыском воды в паропровод свеже­го пара при регулировании его температуры, если для этого используется питательная вода, а не кон­денсат, полученный в испарителе и специальном конденсаторе.

Дополнительными внешними источниками при­месей являются присосы воздуха, химводоочистка, водоприготовительная установка, остатки химика­тов, используемых для обработки воды и химиче­ской отмывки котлов.

Требования к качеству пара сформулированы в правилах технической эксплуатации, однако, к сожалению, они часто не выполняются персоналом электростанций (табл. 1.1).

Таблица 1.1 – Требования норм и реальное качество пара на электростанциях США

Видно, что, хлоридов гораздо больше (в 3 раза), но еще хуже то, что диа­пазон их содержания может быть на порядок боль­ше. Вместе с тем, очевидно, что абсолютное содер­жание агрессивных примесей в паре ничтожно и, естественно, возникает вопрос: может ли оно при­водить к ощутимому снижению сопротивления коррозионной усталости?

Прямые опыты фирмы "Вестингауз" в воде с ко­личеством примесей, в 100 раз превышающим нор­мальные (NаСl – 2000 мкг/кг; SiO₂ – 5000 мкг/кг; Nа₂SO₄ – 2000 мкг/кг; NаОН – 2000 мкг/кг), по­казали очень слабое снижение пределов усталости по сравнению с испытаниями в деионизированной воде. Слабое влияние примесей в стандартном ко­личестве на предел усталости и одновременно мно­гочисленные случаи разрушений свидетельствует о том, что в турбинах действуют механизмы кон­центрирования, главными из которых являются:

1) отложения;

2) испарения и подсушка растворов;

3) появление концентрированной жидкой фазы при переходе через линию насыщения.

Ряд исследователей считают отложения основ­ным источником образования концен­трированных растворов, приводящих к кор­розионной усталости.

Процесс образования отложений при фиксиро­ванных условиях работы – это динамическое рав­новесие трех процессов: выпадения отложений из расширяющегося пара, их осаждения на поверхно­сти и эрозии образующихся отложений. При пус­ках и остановках отложения могут смываться влагой. При этом соли могут снова растворяться в па­ре и уноситься им.

Выпадение отложений происходит вследствие уменьшения растворимости примесей в паре с паде­нием давления. Вместе с тем этот механизм образо­вания отложений не очень ясен, так как скорость расширения пара велика и время пребывания его во всей турбине составляет всего примерно 0,2 с.

Надо также иметь в виду, что даже равновесная растворимость зависит от присутствия других ве­ществ, например, в присутствии NH₄ равновесная растворимость NаСl увеличивается. Поэтому необ­ходимо изучение химических и поверхностных эф­фектов для типичных смесей компонент, имеющих место в ЦНД. В первом приближении, по–видимо­му, можно считать, что твердые отложения на рабо­чих лопатках возникают вследствие уменьшения растворимости ряда веществ при уменьшении дав­ления вследствие расширения пара.

Для коррозионной усталости в первую очередь имеет значение образование растворов хлористо­го натрия NаСl. Термодинамический анализ про­цесса расширения раствора NаСl показывает, что практически во всей турбине NаСl находится в па­ре в твердом состоянии и потому не опасен, но в области фазового перехода несколько выше ли­нии насыщения в очень узкой зоне образуются жидкие растворы NаСl (для турбин ТЭС при давлении меньшем 0,1 МПа). Это было обнаружено прямыми измерениями проводимости конденсата на различных турбинах.

Образующиеся твердые отложения в основном состоят из кремниевой кислоты и оксидов железа, которые сами по себе не вызывают язвенной корро­зии и соответственно коррозионной усталости. Од­нако для них характерна пористая поверхность, ко­торая работает как губка, впитывая в себя и удер­живая концентрированные растворы агрессивных солей. Агрессивность накопленных солей проявля­ется всякий раз при смачивании и испарении (за счет концентрации). При этом увеличивается и кон­центрация агрессивных веществ.

Отложения на поверхности лопаток осаждаются неравномерно. Интенсивность образования язв тем выше, чем больше отложений. Сам их характер так­же может быть различным: в частности, они могут быть "кислыми" (с малыми значениями рН), что увеличивает их коррозионные воздействия.

Вместе с тем установлено, что при концентра­ции хлоридов в отложениях менее 0,2–0,5% коррозии не возникает. Из почти 100 осмотренных тур­бин такую концентрацию имели около 61 %.

Вторым основным механизмом концентрирова­ния агрессивных растворов в турбинах считаются их испарение и подсушка. Этот механизм работает в области влажного пара в тех зонах, где температу­ра металла становится периодически выше темпе­ратуры пара. На таких поверхностях влага испаря­ется, а нелетучие примеси остаются.

Третий механизм – образование жидкой фазы. Специальные опыты с использованием датчиков проводимости, устанавливаемых сразу же за рабочими лопатками, показали наличие пиков электро­проводимости, что свидетельствует о существова­нии этого механизма.

Кроме содержания агрессивных примесей, важ­ное значение имеет характер среды (кислотная или щелочная) и содержание кислорода. Чем более ки­слой является среда (меньшее значение рН) и чем больше содержание кислорода в ней, тем она аг­рессивнее.

1.4.5. Меры предупреждения коррозионной усталости

рабочих лопаток

Коррозионная усталость возникает тогда, когда имеется агрессивная среда, высокие общие или ме­стные напряжения и материал, слабо сопротивляю­щийся язвенной коррозии. Отсюда исследуют глав­ные меры борьбы.

1) обеспечение высокого качества пара на входе в турбину и его поддержание в процессе расшире­ния в турбине. При этом под «качеством пара» сле­дует понимать не только малые содержания агрес­сивных примесей, но и достаточно высокое значе­ние рН и малое содержание O₂ и на входе в турби­ну, и в самом ЦНД;

2) обеспечение низких напряжений в лопатках путем их рационального конструирования и вы­полнения;

3) выбор материала, обеспечивающего высокое сопротивление язвенной коррозии и одновремен­но удовлетворяющего основным необходимым требованиям.

Относительно "генерального направления" ре­шения проблемы коррозионной усталости точки зрения противоречивы.

Конструкторы, создающие турбины, хорошо представляющие себе трудности создания надеж­ной конструкции и необходимость ее длительной эксплуатационной проверки, но все–таки не достаточно глубоко представляющие трудности реальной эксплуатации, трудности измерения малых концен­траций веществ и другие факторы, как правило, считают, что главной мерой борьбы с коррозионной усталостью должно быть высокое количество пара.

Эксплуатационный персонал, наоборот, считает, что трудности поддержания высокого качества пара, которое обеспечивается работой всего оборудования ТЭЦ столь велики, что выполнить это условие во всех режимах эксплуатации практически невозмож­но. Поэтому турбина и ее лопаточный аппарат долж­ны быть спроектированы так и выполнены из такого материала, чтобы турбина не имела коррозионных повреждений. При этом пользователи, в большинст­ве своем имеют недостаточное представление о том комплексе свойств, которым должны обладать рабо­чие лопатки и все трудности их создания.

Наконец, позиция металлургов состоит в боль­шинстве случаев в том, что трудно создать матери­ал длительно и надежно работающий в реальных условиях и что можно найти и другие способы по­вышения сопротивления материала коррозии (на­пример, поверхностный наклеп или защитные покрытия), однако для этого требуются многие годы. При всей противоречивости взглядов считается, что борьбу с коррозионной усталостью следует вести по всем направлениям. Что же касается практического применения тех или иных мер, то они опреде­ляются экономическими соображениями. Напри­мер, одной из мер борьбы с присосами в конденса­торе является применение титановых трубок, привариваемых к трубным доскам. Однако, одна из проблем, которая возникает при этом, состоит в ма­лом модуле упругости титана и, следовательно, в большом количестве промежуточных перегоро­док. Это затрудняет смену трубок и, главное, удли­няет ее, что приводит к экономическим потерям.

Аналогичная ситуация с использованием рабо­чих лопаток из титана для зоны фазового перехода. Обладая высокими механическими свойствами, ти­тановые сплавы в 5–8 раз дороже стали, что при сравнительно редкой повреждаемости рабочих ло­паток от коррозионной усталости делает их исполь­зование дискуссионным.

Остановимся на некоторых мерах борьбы с кор­розионной усталостью.

1.4.5.1. Обеспечение высокого качества пара. Существующие нормы качества пара вполне удов­летворяют требованиям практики. Поэтому, задача состоит в том, чтобы обеспечить их в условиях экс­плуатации.

Основным параметром, определяющим чистоту пара, является его проводимость. Поэтому на элек­тростанциях необходим непрерывный контроль про­водимости свежего пара и турбинного конденсата. Его изменение позволяет установить появление не­плотности в конденсаторе и принять соответствую­щие меры (локализация утечек, заглушение трубок, удаление загрязненного конденсата из цикла).

1.4.5.2. Оптимизация конструкции рабочих ло­паток. Сопротивление коррозионной усталости ра­бочих лопаток, прежде всего, зависит от их нагруженности постоянными и переменными усилиями. Важным фактором является также частота пусков, при которых лопатки одновременно проходят через резонансные зоны и через линию фазового перехо­да с подсушкой и соответственно концентрировани­ем агрессивных примесей. Главной мерой борьбы в таких условиях является исключение резонанса, достигаемое мерами, рассмотренными выше.

Альтернативной мерой может быть изменение конструкции самих лопаток. Для рабочих лопаток, работающих в зоне фазового перехода, используют два принципиально разных вида облопачивания.

Первый, наиболее распространенный – рабочие лопатки со связями, как правило, в виде накладного или цельнофрезерованного бандажа и демпферных проволок. Главное их достоинство – хорошее демпфирование в условиях резонанса, возникающе­го вследствие изменения частоты сети или при про­ходных резонансах.

Другая конструкция – свободно стоящие рабо­чие лопатки без каких–либо связей. Такие лопатки используют некоторые зарубежные фирмы. Они удовлетворяют всем критериям надежности рабо­чих лопаток со связями; их стали применять очень широко, в том числе и для замены выполненных лопаток со связями. Преимуществом таких лопаток является больший КПД из–за отсутствия проволок.

Ещё посмотрите лекцию "1 Введение" по этой теме.

Считается, что свободно стоящие лопатки имеют повышенное демпфирование за счет трения в хвосто­вом соединении, однако следует помнить, что повы­шенное трение в зонах высоких напряжений могут привести к фреттинг–коррозии. В частности, пробле­ма фреттинг–коррозии играет особую роль для хво­стовиков титановых лопаток. Выгоднее иметь трение в зонах малых напряжений (в месте контакта полок цельнофрезерованного бандажа или связи).

Хотя демпфирование и играет большую роль, следует иметь в виду, что и рабочие лопатки, имеющие высокое демпфирование и цельнофрезерованный бандаж, и свободно стоящие лопатки, практиче­ски не имеющие демпфирования, одинаково совер­шенны. Поэтому, говоря о большей или меньшей склонности этих видов лопаток к коррозионной усталости, следует выяснить, какой из них в большей степени способствует образованию язв. Представля­ется, что рабочие лопатки со связями способствуют появлению больших отложений в "затененных" местах (в отверстиях под проволоку, под бандажа­ми), что в целом способствует язвенной коррозии и, следовательно, коррозионной усталости.

1.4.5.3. Выбор материала. В качестве основно­го материала для рабочих лопаток используется сталь, содержащая 12 % хрома и небольшое количе­ство легирующих добавок. Для рабочих лопаток по­следних ступеней иногда применяют титановые сплавы. Для лопаток зон фазового перехода исполь­зуют исключительно хромистые стали.

Хромистые стали имеют многочисленные досто­инства, сочетающие высокие прочность и вязкость разрушения, и, главное, высокое демпфирование. Од­нако в коррозионной среде ее сопротивление устало­сти резко падает, в первую очередь из–за образования язв, появления и быстрого развития трещин. Поэтому давно ведутся поиски таких новых материалов, кото­рые бы не подвергались язвенной коррозии.

Несмотря на весьма широкий фронт исследова­ния различных материалов, потенциально пригод­ных для рабочих лопаток, общий вывод практиче­ски всех исследователей состоит в том, что исполь­зовать новые материалы вместо 12 %–ной хроми­стой стали следует только в тех случаях, когда нельзя получить достаточно высокого качества па­ра. Ряд фирм, вообще считает, что их опыт не ука­зывает на необходимость изменения материала для рабочих лопаток, работающих в области влажного пара. Однако одновременно другие фирмы, не на­стаивая на необходимости немедленного изменения материала лопаток, считают, что кардинальное ре­шение проблемы коррозионной усталости будет по­лучено при подборе материала, обладающего, кро­ме обычно требуемых качеств, еще и высоким сопротивлением коррозионной усталости.

1.4.5.4.       Поверхностный наклеп. Известно, что поверхностный наклеп является мощным средством повышения усталостной прочности деталей, осо­бенно в условиях низких температур, где этот наклеп сохраняется. Однако при коррозионной уста­лости он не оправдывается. Связано это прежде всего с тем, что при прохождении язвы под упроч­ненный слой в зону растягивающих остаточных на­пряжений сопротивление коррозионной усталости резко снижается. К этому надо добавить, что эрозия также может смыть упрочненный слой.