Современная теплоэнергетика
Главная   >>   Современная теплоэнергетика

Современная теплоэнергетика

12.2. Последствия длительной работы металла при высокой температуре и исчерпание ресурса

Все характеристики металла, длительное время пребывающего при высокой температуре, ухудшаются в большей или меньшей степени независимо от того, находится он под напряжением или нет. При высокой температуре происходит изменение его структуры, и он постепенно теряет свою прочность. Говорят, что металл «старится».

Физическая причина старения состоит в зернистой структуре металла и образовании пор по границам зерен. Анализ изменения структуры металла по мере срока службы оборудования показывает, что после достаточно длительного времени по границам соседних зерен металла возникают отдельные микропоры, видимые при 500-кратном увеличении. Их число растет, и постепенно появляются цепочки микропор. В свою очередь цепочки микропор при дальнейшем развитии процесса ползучести превращаются в микротрещины, длина которых достигает одного-двух зерен. Микроповрежденность металла оценивается по бальной системе (от 1 до 5 баллов). Отсутствие микропор, выявляемых оптическими методами, соответствует 1 баллу, наличие по границам зерен микротрещин длиной 0,2—0,3 мм и появление макротрещин — 6 баллам. Промежуточные оценки соответствуют разной длине микропор и их числу в поле микроскопа с 800—1000-кратным увеличением.

На рис. 12.1 показана зависимость разрушающих напряжений в детали а от так называемого параметра Ларсона-Миллера

где Т — абсолютная температура; tp — время пребывания материала при этой температуре. Параметр Р характеризует требование к материалу детали проработать число часов tp при температуре Т, и тогда кривая s(Р)дает то напряжение, которое способна выдержать деталь. Наоборот, если деталь работает при напряжении s и температуре Т, то кривая s(Р) определяет значение параметра Р, а из последнего можно получить возможное время работы детали. Если, например, в детали действует напряжение s = 100 МПа (примерно такие напряжения действуют на расточке цельнокованого ротора), а прочность материала отражается областью для исходного (в состоянии поставки) материала, то при работе детали параметр Р = 21,8 и из формулы (12.1) легко получить, что материал может проработать tp = 33,8 млн ч, после чего в нем появится трещина. В действительности уже после 130—150 тыс. ч работы вследствие пребывания при высокой температуре прочность материала изменится, параметр Р станет равным 20 и его возможная долговечность составит примерно 750 000 ч, т.е. уменьшится в 45 раз. С учетом естественного разброса свойств материала, значительной чувствительности tp к отклонениям в напряжениях и температуре долговечность в 750 000 ч не является чрезмерной.

На рис. 12.2 показано распределение вязкости разрушения К (см. лекцию 1) вдоль ротора цилиндра, которая характеризует сопротивление металла хрупкому разрушению при наличии трещин. Свежий пар и пар из промежуточного перегрева в таком цилиндре подводится в среднюю зону, и поэтому она самая горячая. Видно, что в зоне подвода свежего пара и пара после промежуточного пароперегревателя после 130—150 тыс. ч эксплуатации вязкость разрушения материала снизилась примерно на 20 %, и тогда деталь разрушится хрупко при наличии трещины примерно на 50 % меньшей, чем деталь из исходного материала.

Точно также уменьшается твердость металла (рис. 12.3), отражающая его прочность: пребывание при высокой температуре снижает и эту характеристику металла.

Для того, чтобы понять суть явления, рассмотрим результаты анализа влияния температуры и времени пребывания t материала при высокой температуре (времени старения) на время до разрушения tp, полученное в испытаниях образцов после старения. Эти результаты показаны на рис. 12.4 (анализ докт. техн. наук В.Ф. Резинских). По оси абсцисс графика отложен параметр

Параметр Р1 зависящий от температуры и времени старения, определяет структуру металла: если, например, материал работает короткое время при высокой температуре или длительно, но при малой температуре, а параметр Р1 для этих двух случаев одинаков, то считается, что и структура металла в этих двух случаях также одинакова. Если из различных зон, например ротора, прослужившего достаточно длительное время, изготовить образцы, то их структура будет различной и ее можно характеризовать соответствующими значениями параметра Р1. Если теперь все эти образцы нагрузить одинаковым напряжением s, например s = 160 МПа и поместить в среду с одинаковой температурой, то через некоторое время tp, отложенное по оси ординат, произойдет разрушение этих образцов, причем время пребывания под нагрузкой tp зависит от параметра Р1. Для всех значений напряжений s характер зависимости долговечности tp от Р1 оказывается одинаковым (рис. 12.4): на первом этапе эксплуатации (20—40 тыс. ч) прочность стали уменьшается и затем стабилизируется, а при значении параметра Р1 в пределах 19,5—20,0 катастрофически падает. Температура металла в наиболее горячих зонах турбины находится на уровне 500 °С и тогда из соотношения (12.1) легко получить, что при приведенных значениях параметра Р1 необходимо достигнуть наработки в 1—2 млн ч, что в 2—5 раз меньше, чем наработка, достигнутая в настоящее время.

Аналогичным образом происходит изменение и других характеристик прочности.

Таким образом, металл длительно работающих турбин сегодня и в ближайшие 10 лет будет оставаться достаточно далеким от своего предельного состояния — полной потери несущей способности.

Почему же все-таки большая наработка, как мы уже знаем более 170—220 тыс. ч, приводит к опасности массового вывода из эксплуатации энергетического оборудования? Ответ на этот вопрос прост: в процессе эксплуатации на фоне общего ухудшения механических свойств в наиболее напряженных зонах возникают дефекты, размеры которых растут и достигают критического размера, при котором происходит практически мгновенное хрупкое разрушение детали.

Опасности внезапного хрупкого разрушения после длительной эксплуатации подвергаются паропроводы, особенно их тройники и гибы паропроводов, в которых возникают повышенные напряжения; арматура (корпуса задвижек, предохранительных и стационарных клапанов), корпуса стопорных и регулирующих клапанов свежего пара и пара промежуточного перегрева, корпуса и цельнокованые роторы высокотемпературных цилиндров паровых турбин.

Особенно опасны по своим последствиям разрушения роторов. В качестве примера на рис. 12.5 показано разрушение ротора вала низкого давления (частота вращения 3600 об/мин), произошедшего в 1974 г. при пуске из холодного состояния на американской станции. В результате аварии образовались 23 куска массой более 40 кг и один массой 800 кг. Причиной разрушения явились мелкие трещины, появившиеся возле неметаллических включений внутри ротора под действием малоцикловой усталости и ползучести, которые в процессе пусков (турбина прослужила 106 000 ч при 145 пусках из холодного состояния и 150 пусках из горячего состояния) объединились в магистральную трещину, достигшую критического размера, после чего и произошло разрушение.

Хрупкие разрушения роторов, как правило, приводят к механическому разрушению всего турбоагрегата (и турбины, и генератора), к возникновению пожара вследствие горения масла, поступающего из системы маслоснабжения подшипников, приводящего в считанные минуты к обрушению кровли, повреждению соседствующего вспомогательного оборудования и даже устройств, находящихся вне машинного зала (например, блочных трансформаторов). На многие месяцы из эксплуатации выводятся не только турбоагрегат, претерпевший аварию, но и соседние турбоагрегаты.

При длительной работе трещины образуются в зонах максимальной температуры: на внутренней поверхности осевых каналов под дисками первых ступеней ЦВД и ЦСД. Считается, что в общем случае они имеют плоскую полуэллиптическую форму с короткой полуосью, равной глубине l трещины, и длинной осью 2с. Чем больше эллиптичность l/2с, тем опаснее трещина: при одинаковой глубине l трещина с l/2с = 0,1 примерно вдвое опаснее, чем трещина с l/2с = 0,5. Трещина располагается в плоскости, проходящей через ось ротора, так как при вращении центробежные силы стремятся разорвать ротор по радиальным плоскостям.

Расчеты показывают, что для хрупкого разрушения типичного цельно­кованого ротора достаточно на его расточке иметь осевую трещину глубиной 25—40 мм (при диаметре бочки ротора примерно 500—550 мм).

Таким образом, главная опасность эксплуатации оборудования, отработавшего свой расчетный ресурс, состоит в возможности тяжелых массовых аварий элементов энергоблока с выводом из эксплуатации на длительный срок значительной части генерирующих мощностей вследствие возникновения и роста трещин.