Глава 14 ремонт турбин в условиях завода

14.1. Особенности заводского метода ремонта

Заводской метод ремонта, о котором говорилось в § 1.1, — это особый вид ремонта, позволяющий выполнять сложные ремонтные операции, как правило, неосуществимые в условиях ТЭС. Обычно такой ремонт осуществляется на заводе-изготовителе турбин или на специализированном ремонтном предприятии.

При заводском ремонте выполняется реконструкция цилиндров, роторов и других крупных узлов или работы по устранению в них серьезных дефектов. В последние годы, учитывая значительный износ и исчерпание ресурса оборудования, при заводском ремонте выполняется восстановление ресурса металла. Выполнение этих операций требует разработки специальных технологий, применения специализированного оборудования и высокой квалификации персонала.

Одновременно с работами по восстановлению ресурса узлов турбины, как правило, проводится их реконструкция. При реконструкции внедряются современные технические решения по усовершенствованию узлов, позволяющие повысить их надежность и экономичность.

Ниже будут рассмотрены вопросы ремонта и восстановления цилиндров и стопорных клапанов турбин на основе работ, выполненных на ТМЗ.

14.2. Ремонт и восстановление

Как было сказано в § 3.1, по конструктивно-технологическому признаку цилиндры паровых турбин можно разделить на сварные и сварно-литые (литые), корпуса стопорных клапанов — на сварно-кованые (кованые) и сварно-литые (литые).

Литые стальные цилиндры используются для турбины в широком диапазоне параметров свежего пара от р₀ = 2,8 МПа, t₀ = 420 °С до р₀ = 23 МПа, t₀ = 560 °С. При более низких параметрах пара не исключено применение литых чугунных корпусов.

Сварными выполняются цилиндры части низкого давления и выхлопные патрубки.

Сварные корпуса, работающие в части низкого давления, ремонтируются редко, поскольку дефекты в них являются, в основном, следствием коррозии либо стенок, либо силовых элементов конструкций (стяжек, ребер). Иногда причиной поверхностных дефектов элементов сварных цилиндров (в основном обтекателей и поворотных ребер) является паровой размыв.

Стенки и силовые элементы сварных цилиндров имеют конструктивные размеры, определяемые не столько соображениями прочности, которые учитывают влияние коррозии, сколько соображениями жесткости конструкции, что практически сводит к нулю влияние коррозии на надежность эксплуатации.

Размытые элементы сварного цилиндра (обтекатели, ребра, имеющие аэродинамическое предназначение) в случае необходимости целесообразнее заменить новыми, чем ремонтировать.

Таким образом, ремонт цилиндров паровых турбин сводится, в большинстве случаев, к контролю и ремонту литых корпусов.

Возможные дефекты литых цилиндров можно сгруппировать следующим образом:

1. Исчерпание ресурса жаропрочности цилиндра, изменение прочностных характеристик металла.

2. Растрескивание стенок и патрубков цилиндра.

3. Коробление цилиндра.

4. Прочие дефекты (разрушение опорных площадок для обойм, диафрагм и т. д.).

Для изготовления литых цилиндров применяются материалы, приведенные в (табл. 14.1).

Таблица 14.1

Химсостав и мехсвойства материала литых цилиндров*

	20ХМЛ	20ХМФЛ	15Х1M1ФЛ	Примечание
Химический состав, %
С	0,15...0,25	0,18...0,25	0,14...0,20
Si	0,17...0,37	0,17...0,37	0,15...0,37
Мn	0,5...0,8	0,4...0,7	0,4...0,7
Р	<0,04	<0,03	<0,03
S	<0,04	<0,03	<0,03
Сг	0,4...0,7	0,9...1,2	1,2...1,7
Мо	0,4...0,6	0,5...0,7	1,0...1,2
V	—	0,2...0,3	0,2...0,4
Ni	—	—	<0,03
Механические свойства
σ0,2, кг/мм2	25...50	32...55	30...50	Сдаточные
σв, кг/мм2, >	47	50	50	характеристики
5, %, >	18	20	15
, %, >	30	35	35
ак, кгм/см2, >	3,0	3,5	3,0

*Данные приводятся по ОСТ 108.961.02.

Исходя из интегральной оценки возможного эксплуатационного растрескивания стенок цилиндра, на заводах-изготовителях стремятся к удержанию сдаточных характеристик в нижней части диапазона σ_0,2. Более того, значение σ_0,2, меньшее сдаточных значений на 1...1,5 кг/мм2, не рассматривается как основание для перетермообработки цилиндра. Не рассматриваются также как сдаточные, значения длительной прочности, критическая температура хрупкости, фазовый состав металла. Эти характеристики получают существенное значение для оценки остаточного ресурса металла после длительной наработки (не менее 150 000 ч), либо после значительных повреждений металла.

Эти характеристики, например, для стали 15Х1М1ФЛ имеют следующие численные значения:

1 σ^qn₂₀₀₀₀₀ > 12...14 кг/мм²

2. T²⁰_пр = 30...50°С

3. Фазовый состав:

• СКСr (карбиды хрома) < 34 %;

• СКМо (карбиды молибдена) < 45 %;

• CKV (карбиды ванадия) > 50 %.

Специалистами ОАО "Турбомоторный завод", Свердловэнерго и ВТИ проведено несколько работ по восстановлению ресурса металла корпусных деталей, в том числе цилиндра ВД и стопорного клапана турбины Т-100-130 после 206 000 ч и после 246 000 ч наработки.

Рабочие параметры турбины: P₀ = 130 ата, t₀ = 555 °С, Р_крк = 105 ата, t_крк = 510...515 °С.

Клапан и цилиндр — литые из стали 15Х1М1ФЛ.

Детали, отработавшие 206 000 ч были подвергнуты восстановительной термообработке (ВТО).

С учетом возможностей термического оборудования ТМЗ было осуществлено термоциклирование:

• пятикратный нагрев до 870 °С с выдержкой 2...3 ч;

• пятикратный отпуск при 690 °С.

Детали, отработавшие 246 000 ч на оборудовании УЗТМ, были подвергнуты нормализации при 970...1000 °С (выдержка 7 часов, охлаждение на воздухе под вентилятором) и отпуску при 730...750 °С (выдержка 15...16 ч, охлаждение с печью до 250...300 °С, далее на воздухе).

В процессе работы был проведен большой объем исследований металла:

• химический анализ материала;

• определение механических свойств;

• карбидный анализ;

• металлографический анализ;

• исследование характеристик жаропрочности;

• определение критической температуры хрупкости.

Исследования проводились в два этапа — до ВТО и после ВТО — на образцах, вырезанных по специальной схеме. Полученные результаты сравнивались со свойствами данных деталей в состоянии поставки.

Анализ результатов показал следующее:

1. Химический состав металла по всем элементам соответствует требованиям ПМТУ 44-57, действовавшим на момент изготовления турбины, и ОСТ 108.961.02—79, действующим в настоящее время, а также сертификатным данным.

2. Механические свойства металла, исследовавшиеся на образцах, вырезанных из нижней и верхней половин цилиндра, сопловых коробок и паровых коробок, а также из верхней и нижней половин стопорного клапана, после наработки оказались ниже, чем в состоянии поставки, но практически все находятся в пределах, требуемых по ОСТ 108.961.02—79 (исключение составляют отдельные значения σ_0,2 и а_к); после ВТО все свойства соответствуют ОСТу.

3. Одним из основных факторов, определяющих уровень жаропрочности перлитной хромомолибденовой стали, является концентрация молибдена в твердом растворе α-железа. Кроме того, упрочнителем стали 15Х1М1ФЛ являются дисперсные карбиды ванадия.

Карбидный анализ металла до ВТО показал, что в металле цилиндра в карбидах находятся менее 50 % ванадия, более 47 % молибдена и более 34 % хрома, что снижает жаропрочность металла.

После ВТО содержание хрома (до 13,4 %) и молибдена (до 25,2 %) в карбидах уменьшилось, а в твердом растворе увеличилось, а содержание ванадия в карбидах увеличилось до 56,15 %, что свидетельствует о восстановлении жаропрочных свойств.

4. Оценка жаропрочности производилась по результатам испытаний на длительную прочность образцов при температуре 565 °С и 610 °С по методике ЦНИИТМАШа.

Образцы, исследованные до ВТО, разрушились за достаточно короткое время, и результаты испытаний показали, что они не удовлетворяют необходимым условиям оценки годности металла. По результатам испытаний все термообработанные образцы полностью удовлетворяют всем необходимым условиям оценки годности, а именно: термообработка обеспечивает уровень, соответствующий пределу длительной прочности при 565 °С для литых деталей из стали 15Х1М1ФЛ не ниже 9 кгс/мм² за 100000 ч.

5. Металлографический анализ показал, что микроструктура металла с наработкой 206 000 ч состоит из феррита и карбидов, выделившихся по телу и границам зерен, что соответствует стали 15Х1М1ФЛ после длительной эксплуатации.

После термообработки структура металла образцов, вырезанных из цилиндра, — сорбитообразный перлит; образцов, вырезанных из стопорного клапана, — перлит с выделением карбидов по телу и границам зерен.

6. Одним из критериев сопротивляемости материалов хрупким разрушениям является критическая температура хрупкости Т₅₀, которая определялась по критерию наличия в изломе ударных образцов 50 % волокнистой составляющей.

Для образцов, испытанных до термообработки, T₅₀ составила 83 °С, после восстановительной обработки Т₅₀ упала до 43...46 °С, что соответствует Т₅₀ для новых отливок из стали 15Х1М1ФЛ.

Обобщенные результаты исследований металла после наработки 206000 ч и ВТО приведены в табл. 14.2, 14.3 и 14. 4.

Расчеты ресурса, проведенные в соответствии с РД 34.17.440—96, показали, что корпуса ЦВД и стопорного клапана, восстановленные до описанного выше состояния, могут быть использованы повторно на срок не менее 170000 ч без снижения начальных параметров пара.

ВТО подвергли верхнюю и нижнюю половины ЦВД порознь из-за размеров печи. Коробление разъемов не превысило 2 мм для каждой половины. После контроля сплошности металла механической обработкой восстановили плоскостность разъема, при съеме металла до 1 мм были очищены расточки под диафрагмы, обойму направляющего аппарата, обоймы концевых уплотнений и сопловой аппарат.

Цилиндр укомплектовали новыми диафрагмами, новым сопловым и направляющим аппаратами и ввели в состав турбины для повторной эксплуатации (турбина заводской № 26039, станционный № 7 ТЭЦ-22 Мосэнерго).

Технологический цикл изготовления цилиндра сократился более чем в 2 раза. Не потребовались затраты времени и материалов на литье цилиндра.

Паровые коробки и стопорный клапаны были выполнены из новых заготовок, так как старые были использованы для вырезки большого количества образцов.

Следует сказать, что при описанном выше заводском способе восстановления цилиндра в камере регулирующей ступени (верхняя половина) были обнаружены две трещины протяженностью до 200 мм, уходящие в горловины II и IV клапанов. Сопловые коробки были вырезаны, трещины выбраны по серийной заводской технологии.

Вместо старых сопловых коробок были установлены новые заготовки, что позволило не потерять соосности расточки под сопловой аппарат относительно расточек цилиндра.

В значительной мере процедура замены сопловых коробок была вызвана традиционным технологическим процессом "лечения" отливок — "обнаруженная трещина должна быть выбрана". Это и проделали в данном конкретном случае без анализа характера трещины и исследования металла, в пределах досягаемости на короткой части трещины. Литая поверхность со стороны выборки стала непригодной для инструментальных методов контроля. Прилегающие к трещине участки были вырезаны фрезой, образцы для исследования металла после этого взять не удалось. Тем не менее надо сказать, что однозначно задаваемая последовательность технологических операций, не оставляющая места для вариантов, оправдана для условий большого завода: постоянство технологии уменьшает возможность производственных ошибок.

Исследование металла деталей турбин, отработавших 246 000 ч показало ту же тенденцию к разупрочнению металла и обеднения твердого раствора молибденом, что и в предыдущем случае.

Дополнительно службой металлов Свердловэнерго на вырезках из корпуса стопорного клапана и цилиндра были проведены электронно-микроскопические исследования, для определения критического раскрытия трещины и горячей твердости до и после ВТО. Результаты исследования представлены в табл. 14.5.

Сопоставление результатов двух ВТО (термоциклирование после наработки 206 000 ч и нормализация с отпуском после наработки 246 000 ч) обозначило тенденцию к снижению эффективности ВТО по мере роста наработки. Ясно, что во втором случае (ВТО после наработки 246 000 ч) опасно продлять последующий ресурс цилиндра более чем на 100 000...120 000 ч. Можно предположить, что исходная наработка 220 000...230 000 ч представляет собой предельный срок, после которого ВТО даст максимальный результат, — восстановление ресурса до 170 000...200 000 ч.

Есть и другой путь продления срока работы цилиндра — поэтапное (дробное) продление на срок 30 000...40 000 ч на основе результатов контроля фактического состояния металла в объеме, изложенного в табл. 14.5. Следует, однако, помнить, что после двух-трех таких продлений ресурса проведение ВТО не дает экономически целесообразного результата, цилиндр придется заменить.

Третий способ продления ресурса — снижение температуры свежего пара, что по вполне понятным соображениям существенно замедляет темп снижения всех механических характеристик стали, включая предел длительной прочности и скорость развития процессов ползучести ("снижение температуры пара увеличивает остаточный ресурс вдвое" — так формулируется физическая сущность этого явления в официальных протоколах).

Следует, однако, снижать не только температуру, но и давление свежего пара, т. е. соблюдать сопряженность параметров в соответствии с табл. 14.6.

В любом случае снижение начальных параметров пара приведет к увеличению его удельного объема и, следовательно, к уменьшению пропуска пара через ЦВД и снижению мощности турбины. Восстановление мощности турбины при сниженных параметрах пара требует реализации специальных конструкторских разработок.

Рассогласование начальных параметров приведет к увеличению влажности в конце проточной части, т. е. к снижению экономичности, а кроме того, переместит в зону более высоких давлений точку фазового перехода, что резко увеличивает опасность коррозионно-усталостного растрескивания насадных дисков.

Таким образом, в настоящее время существуют три направления работ по продлению срока службы литых цилиндров высокого давления, а именно:

• своевременное проведение ВТО;

• поэтапное продление срока эксплуатации по фактическому состоянию металла цилиндра;

• сопряженное снижение параметров свежего пара перед турбиной.

Выбор между ними в конкретном случае определяется только анализом экономического положения электростанции или энергосистемы.

Для снижения экономического давления при реализации планов реновации турбинного оборудования станции (системы) целесообразно партнерам по этой работе (заказчику и заводу-изготовителю турбин) создать переходящий задел в виде одного–двух новых цилиндров, за счет которых может происходить последовательное восстановление ресурса цилиндров всех однотипных турбин заказчика.

Для того чтобы в условиях электростанции проводить ремонтные мероприятия, полезно иметь некоторое представление о заводском изготовлении литых цилиндров.

В паротурбостроении сложилось следующее распределение труда:

• исполнение отливки (цилиндра, стопорного клапана, паровой коробки, сопловой коробки и подобных элементов) на специализированном металлургическом предприятии;

• механическая обработка отливки, сварка и комплектация литого корпуса на турбостроительном заводе.

Соответственно разделены и технологические мощности.

Таблица 14.2