2. Отказы в работе турбоустановок

2.1 Отказы в работе паровых турбин

2.1.1 Повреждение корпусов паровых турбин

При эксплуатации паровых турбин довольно часто возникают неисправности и неполадки, приводящие к отказам. Хотя сравнению с котлоагрегатами их частота значительно меньше, но время восстановления обычно больше. Это объясняется различиями в конструкции и особенностями технологического ремонта оборудования. Отметим, что, вместе с тем, во многих случаях физико-химические процессы, приводящие к снижению уровня надёжности деталей турбин, подобны происходящим в котлоагрегатах: ползучесть, изменение свойств материалов при больших наработках времени, эрозионные и коррозионные процессы и т.д.

Некоторые, даже серьезные, повреждения деталей турбин не приводят к отказам. Это, прежде всего, относится к корпусам цилиндров, стопорных и регулирующих клапанов. Главная особенность их конструкции - большая толщина стенок при сложном рельефе поверхности, матерная - хромомолибденовые стали, механические свойства корпусов имеют существенный разброс, что характерно для литья. При литье, особенно при нарушении технологии отливки и термообработки возникают раковины, поры, трещины и другие дефекты: В период эксплуатации под действием высоких температур при длительных наработках по времени в корпусных деталях турбин развиваются исходные и возникают новые трещины. Их протяжённость может быть от нескольких миллиметров до метра и более, по глубине - от долей миллиметра до сквозного отверстия. Чаще всего растрескивание встречается в зонах радиусных переходов, то есть в местах наибольших напряжений. Причинами появления трещин при работе турбин могут быть циклические нагрузки процессов малоцикловой усталости или вибрации

С течением времени наблюдаются изменения характеристик металла. В таблице 6.1 иллюстрируются изменения качества материала ЦСД турбины после 100000 ч работы.

	Механические свойства
	Предел текучести, МПа	Временное сопротивление, МПа	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %	Ударная вязкость, Дж/м2
Свойства материала ЦСД	2,68÷2,8	5,03÷5,2	24,6÷26,8	64,0÷66,0	(0,7÷9,0).105
По технически М условиям	3,2÷5,5	≥5,0	≥ 14,0	≥ 30,0	≥ 3,0.105

Таблица. 6 1. Сопоставление характеристик металла корпуса ЦСД при наработке 100000 часов (сталь 15Х1М1ФЛ).

Существенно сниженными оказываются ударная вязкость и предел текучести

Цилиндры низкого давлений (ЦНД) изготавливаются сварными из листового металла и поэтому, обычно, в них отсутствуют пороки, присущие литым деталям. К характерным износам можно отнести эрозию некоторых поверхностей - цилиндра, однако, повреждения участков невелики и относительно легко устранимы.

Внутренние корпуса цилиндров турбин высокого давления К-300-340 ХТГЗ изготавливаются из стали 15ХШ1ФК1РЛ. Эта же сталь используется для изготовления сопловых коробок. Для наружного корпуса цилиндра высокого давления применена сталь 20ХМФЛ. Корпуса цилиндра среднего давления и корпуса клапана промежуточного перегрева отлиты из стали 15Х1М1ФЛ, механические свойства которой характеризуются значениями предела текучести 3,2÷5,5 МПа, предела прочности не менее 5,0Па, относительным удлинением >15%, относительным сужением не менее 35%, ударной вязкостью 3^.10⁵ Дж/м² и более.

Корпусам стопорных и регулирующих клапанов присуши повреждения, аналогичные описанным повреждениям для корпусов ЦВД и ЦСД. Крупные трещины на корпусных деталях могут представлять серьезную угрозу для турбины и обслуживающего персонала, возможно, их мгновенное развитие с трудноопределимыми последствиями. Поэтому во время плановых ремонтов металл зоны трещины выбирают механическим инструментом и, при необходимости, заваривают. Однако наличие трещин в большинстве случаев не приводит к отказам в работе турбины.

Наименование повреждений элементов, узлов или систем турбины	| Количество отказов, %
Проточная часть	13
Система парораспределения	2
Система регулирования	22
Подшипники	17
Система смазки	9
Арматура и трубопроводы в пределах турбины	2
Отказы без повреждений	24
Отказы с повреждениями прочих элементов и узлов турбины	11

Таблица 6.2 Распределение отказов турбин

К-300-240 ЛМЗ.

Фланцы разъемов цилиндров стопорных и регулирующих клапанов соединяются с помощью шпилек и гаек. Пределы продолжительности работы крепежа определяются температурными условиями эксплуатации, Наиболее часто выходят из строя шпильки. В некоторых случаях на фланцевых разъемах ЦВД и ЦСД обрываются несколько шпилек. Турбина вынужденно останавливается из-за угрозы пропаривания и эрозионного износа поверхности фланцев. Места разрыва шпилек часто располагаются в их резьбовой части, но могут находиться и в зоне сплошного металла. Распространены повреждения из-за нарушения технологии изготовления, неправильной транспортировки и хранения, при монтаже - нарушение резьбы шпилек и гаек. Чаще всего резьба повреждается в период ремонтов при сбалчивании и разбалчивании фланцевых соединений турбин. Следует отметить, что геометрические размеры шпилек могут быть весьма большими (диаметр 160-200мм, длина до 1м), поэтому технология сбалчивания - сложная, трудоемкая и ответственная операция.

Надежность крепежа фланцевых разъемов корпусов цилиндров, стопорных и регулирующих клапанов важная составляющая для безотказной работы турбин и её обеспечению должно уделяться самое серьезное внимание.

6.1.2. Повреждение лопаточного аппарата паровых турбин

Значительный процент от общих повреждений составляют повреждения лопаток. Надёжность лопаточного аппарата зависит от конструкции, материала, действующих нагрузок, качества изготовления. Во многих случаях качество изготовления играет решающую роль для обеспечения надёжности, так как оно определяет частотные характеристики и, соответственно, отстройку от резонансных частот, возмущающих нагрузок. Особенно это важно при отстройке сложных колебательных систем "диск - лопатка - связи" при их аксиальных колебаниях. В этих случаях наблюдаются вибрационные поломки с изломами усталостного характера. Такие повреждения обычно связаны с конструктивными особенностями и могут быть устранены изменением конструкции лопаточного аппарата.

Вибрационные поломки могут быть обусловлены повышенной концентрацией напряжений из-за недостаточных радиусов скругления при переходе от пера лопатки к хвостовику, недостаточной чистоты обработки поверхностей, наличия пороков в металле;

В некоторых случаях обрывы лопаток могут происходить из-за несоответствия фактического профиля пера лопатки проектному при отклонениях в размерах поперечного сечения на 1÷2 мм и более. Уменьшение площади и моментов инерции сечений приводит к снижению запасов прочности и соответствующим обрывам. Нередко поломка одной лопатки приводит к поломке соседних лопаток и, естественно, к аварийной остановке турбины.

Эрозионное повреждение рабочих лопаток под действием потока влажного пара характерно для последних турбинных ступеней части низкого давления. Эрозионный износ пропорционален степени влажности пара. Решение проблемы обеспечения эрозионной прочности особенно актуально для влажнопаровых турбин АЭС.

6.1.3. Нарушение прочности диафрагм

Диафрагмы - многочисленные элементы паровых турбин. Возможны поломки не только лопаток (наиболее часты отрывы кромок и трещины на выходных кромках), но и трещины в полотне в местах крепления лопаток. Отметим, что перепад давлений на диафрагму обуславливает прогиб. Вследствие ползучести остаточная деформация характеризуется прогибами: для чугунных диафрагм - 0,15÷0,2 мм, для стальных - 0,2÷0,3 мм. Вместе с упругими такие уровни деформаций могут быть опасными.

6.1.4. Отказы роторов

Обеспечение надёжности турбин всегда связано с обеспечением вибрационной надёжности роторов- турбин. Причины вибрации роторов: расцентровка или разбалансировка роторов, защемление стульев подшипников некачественная заливка вкладышей. Особую опасность представляют автоколебания роторов (низкочастотные вибрации).

6.1.5. Повреждение подшипников

Повреждения подшипников одна из частых причин аварийных остановов турбин (16 18%отказов). Повреждения вкладышей подшипников происходит при снижении давления масла, что может быть обусловлено как засорением сеток фильтров, так и срывными режимами работы главного масляного насоса. Даже кратковременное снижение давления масла достаточно для повреждения вкладышей подшипников, так как при 3000 об/мин ротора уже через 4-5 оборотов происходит их наплавление; по времени это составляет доли секунды. Причиной повреждения подшипников также может быть остаточный "прогиб" ротора, вызванный его неравномерным прогревом и пластической деформацией при несоблюдении правил эксплуатации. В это случае при пусках наблюдается значительное повышение температуры вкладышей с последующим выправлением баббита.

6.1.6 Отказы элементов регулирования

Повреждения элементов системы регулирования - достаточно частая причина отказов в работе турбины. Одна из причин -вибрационные поломки регулирующих клапанов, работающих при частичных открытиях. При этом наблюдаются усталостные трещины на штоках клапанов и их обрывы, усталостные трещины на резьбе шпилек крепления к кожуху турбины сервомотора отсечного клапана, возможны усталостью повреждения сварных соединений труб маслопроводов системы - регулирования. Разрывы маслопроводов могут привести к пожарам, а в некоторых случаях - к разгону турбины.

6.2 Отказы газотурбинных агрегатов

Представленная в разделе классификация типичных причин отказов не может претендовать на полноту. Это обусловлено не только совокупной сложностью рабочих процессов ГТА, но и, во многом, одновременным воздействием и взаимосвязью полностью различных причин. В общем случае влияют особенности конструкции и выбранных материалов, особенности технологии производства и условия эксплуатации. К особенностям конструкции необходимо отнести, и несовершенство системы автоматического регулирования и зашиты. При анализе поломок обычно трудно разделить действие различных причин. Возможны ситуации, когда недостаточная конструкционная прочность дополняется производственными отклонениями в размерах (например; в значениях радиусов Закруглений) и несоблюдением требуемых условий эксплуатации. Возможны и случаи, когда материал детали соответствует максимальным современным требованиям, но неудовлетворительна работа системы охлаждения.