6.3. Коррозионные повреждения лопаток паровых турбин
Коррозия является одной из наиболее распространенных причин повреждения лопаток паровых турбин. В ФРГ 65% всех повреждений лопаток приходится на лопатки, работающие в переходной зоне или зоне влажного пара (от 17 до 40% повреждений вызваны коррозией). По американским данным, коррозия является первопричиной примерно 50% всех повреждений лопаток ЦНД.
Коррозия лопаток вызывается определенными коррозионно-активными веществами. Эти вещества содержатся в паре, поэтому чем хуже качество пара, тем более вероятны коррозионные повреждения лопаток.
Существуют нормы качества пара, которые, в основном, соблюдаются. Однако содержание в паре большинства веществ, вызывающих коррозию, не нормируется.
Наиболее распространенными веществами являются хлориды (NaCl, NaCl+Na2SO4). Как правило, они попадают в цикл из охлаждающей воды через неплотности в конденсаторе. Часто в качестве коррозионно-активного вещества выступает гидроокись натрия. Весьма агрессивны неорганические кислоты (соляная и серная), которые попадают в цикл при нарушениях в работе БОУ, а также органические кислоты, особенно уксусная, образующиеся из органических веществ, проникающих с подпиточной водой.
Коррозия протекает с заметной активностью в местах, где происходит концентрирование примеси.
Коррозия турбинных лопаток проявляется в виде общей коррозии, коррозии под напряжением, коррозионной усталости и язвенной коррозии.
а) Общая коррозия обычно не сказывается на надежности турбинных лопаток.
б) Коррозия под напряжением - под ее воздействием с течением времени уменьшается предл прочности сталей, т.е. снижаются предельные статические напряжения, способные вызвать появление трещин в металле (рис.6.3.1). Как видно из рис.6.3.1, примерно через 4000 часов пребывания в растворе NaOH в образцах появились трещины при напряжении 55-75% предела текучести в исходном состоянии, а через 24000 ч - при напряжении 30-50%.
Коррозии под напряжением подвержены не только лопатки, но и другие высоконапряженные детали турбин.
в) Коррозионная усталость. Для рабочих лопаток особенно опасны динамические напряжения, возникающие при колебаниях лопаток и приводящие к усталостным поломкам.
Коррозионная усталость представляет собой снижение напряжений, приводящих к разрушению при заданном числе циклов колебаний, которое происходит под воздействием коррозионно-активных веществ (рис.6.3.2).
Коррозионной усталости подвержены все лопаточные стали, в том числе и нержавеющие.
Вызванный коррозоинной усталостью излом ничем не отличается от обычного усталостного излома. Различие можно обнаружить только с помощью металлографического анализа по наличию межкристаллитных и внутрикристаллитных трещин.
г) Язвенная коррозия - проявляется в виде небольших язвин на поверхности металла, которые служат концентраторами напряжений. Эти концентраторы и приводят к снижению усталостной прочности лопаток. Обычно язвенная коррозия сочетается с коррозионной усталостью, но коррозионная усталость может быть и без язвенной коррозии.
Язвенная коррозия может проявляться под воздействием увлажненных пористых отложений.
Мерой интенсивности язвенной коррозии служат потеря массы и максимальный диаметр язвин. Зависимость этих характеристик от содержания NaCl в отложениях для стали Х20Cr13 показана на рис.6.3.3.
Коррозия протекает гораздо интенивнее в условиях, соответствующих работающей турбине (80оС, N2). Добавка NaOH резко (в несколько раз) снижает интенсивность, а увеличение толщины отложений также в несколько раз повышает ее.
д) Эрозионно-коррозионный износ - как следствие уничтожения предохранительного поверхностного слоя потоком влажного пара.
Коррозионные повреждения лопаток и других элеменотв у турбин сверхкритического давления происходят чаще, чем у турбин докритического давления.
Основные направления борьбы с коррозионными повреждениями лопаток:
а) Обеспечение высокой чистоты пара: БОУ со 100 % очисткой конденсата; перекрыть все пути поступления примесей, особенно хлоридов и кислот.
б) Уменьшение статических и динамических напряжений в лопатках при их проектировании; свести к минимуму количество концентраторов напряжений. Выбрать оптимальную конструкцию крепления лопаток к дискам и бандажам (концентраторы напряжений, микрозазоры).
в) Применение материалов с повышенной стойкостью к коррозии. Кардинально решить проблему могут титановые сплавы (у них лучше усталостные характеристики). Титан дефицитен, дорог.
г) Нанесение защитных покрытий (типа инертных мембран и реакционные). Инертные покрытия не допускают контакта коррозионно-активных веществ с поверхностью металла. Можно применять тефлон.
Реакционные покрытия сами вступают в реакцию с коррозионно-активными веществами и этим защищают металл. Покрытия такого типа должны время от времени возобновляться. Хорошие результаты получены для алюминиевого и никель-кадмиевого покрытий, наносимых методом ионно-парового осаждения.
Важное значение для предотвращения поломок лопаток является регулярный осмотр их, применяя цветную, магнитную или токовихревую дефектоскопию. Визуальный осмотр при капитальных ремонтах, а также в рабочем состоянии через специальные лючки.