Здесь зачастую работают принципы «по регламенту» или «по состоянию». В целом, существуют разные виды ремонтов турбин.
- Если говорить о газовых турбинах, они должны ремонтироваться по регламенту, то есть вне зависимости от внешнего вида, когда количество часов наработки узла уже подошло к расчётному времени безопасной эксплуатации, он должен быть заменен. Стоит отметить, что газовые турбины и лопатки, соответственно, пришли к нам из авиации, где к ним предъявляются очень высокие требования по надёжности и безопасности.
Ещё одна особенность таких турбин в том, что лопатка газовой турбины работает в предельно-напряженном состоянии: например, в условиях крайне высоких температур – значительно выше 1000°С. И для работы в таких условиях используются очень жаростойкие специальные сплавы и максимально сложная система охлаждения лопаток, чтобы они могли выдерживать такие температуры.
- С паровыми турбинами ситуация другая: мы смотрим на её состояние. Во время каждого ремонта специальные лаборатории контроля металлов проверяют состояние лопаточного аппарата на износ, коррозию, растрескивание. Тогда и принимается решение о необходимости, допустим, немедленной замены, хотя, как правило, этот процесс не очень быстрый, и его можно прогнозировать.
Когда в течение нескольких лет во время плановых ремонтов видим динамику ухудшения состояния лопаток, то далее планируем замену этих деталей, закупаем комплект новых лопаток и в следующий капитальный ремонт их меняем. При хорошей эксплуатации лопатка паровой турбины может работать порядка 15-20 лет без замены.
Всё вышесказанное относится к штатной ситуации и плановому ремонту по состоянию: мы фиксируем износ, оцениваем его как критически недопустимый и принимаем решение о замене. Бывают и другие ситуации — аварийные. Это может быть несвоевременно выявленное образование трещин, либо попадание посторонних предметов в оборудование, что случается чаще всего, либо появляется высокая вибрация, которая приводит к растрескиванию металла и последующему обрыву лопатки. Такие ситуации, как правило, относят к тяжелым авариям: если «вылетает» одна лопатка, она с огромной скоростью «выносит» за собой всё остальные, превращая турбину в груду металлолома, и вызывая серьезные последствия в виде длительного капитального ремонта. Эти аварии часто возникают из-за некачественных контрафактных запчастей, неправильной установки лопаток, недосмотров и низкой квалификации персонала.
Выявлены обрывы рабочего профиля двух рабочих лопаток. Причины повреждения лопаток: влажно-паровая эрозия, стояночная коррозия, образование и развитие усталостных трещин.
Дефекты обнаружены во время проведения ремонтных работ на паровой турбине (количество запусков турбины: 208, часы работы: 7953).
Обрывы рабочего профиля двух рабочих лопаток
Какие ещё причины могут повлечь за собой преждевременный ремонт паровых лопаток
Есть обстоятельства, которые могут сократить период эксплуатации лопаток турбин. Это во-первых, эрозия двух видов — влажно-паровая, или капельная и абразивная, которая создаёт вынос металла. Абразивная эрозия происходит, когда из котла или трубопровода летят частички в виде абразива – очень твёрдая окалина, которая образуется на стенках котла и трубопроводах высокого давления в процессе нагрева. От таких веществ страдают, в первую очередь, лопатки первых ступеней — входные. Возникшая эрозия быстро изнашивает и рабочие и направляющие лопатки.
Помимо этого, ускорить наступление периода замены лопаток может также низкое качество пара. Как известно, хороший пар содержит только молекулы Н2О, то есть воду и ничего больше. Все другие примеси строго регламентируются. Но по факту бывает, что пар содержит всевозможные агрессивные газы. Например, если плохо работает установка деаэрации воздуха, и он вместе с водой попадает в котёл, где идет нагрев и далее идёт не пар, а паровоздушная смесь. Из-за этого ускоряются коррозионные процессы, так как присутствует кислород, азот, углекислый газ, что вызывает коррозию лопаток и преждевременную замену.
Но и это не единственные причины низкокачественного пара. Проблема может быть как в газах, так и во множестве растворенных солей: железа, кальция, кремния, натрия и др. В этом случае всё, что не должно быть в составе пара, присутствует в нём. Это вызывает достаточно сильную химическую коррозию, а в некоторых режимах — отложения этих солей на лопатках турбины. Это также происходит в зоне фазового перехода, когда пар из газообразного состояния переходит во влажное состояние тумана и из него начинают выделяться соли, которые откладываются на лопатках, «прилипая» достаточно прочно и со временем образуя «шубу». Нечто похожее мы можем видеть на дне обычного бытового чайника, когда долго кипятим неочищенную воду. Это плохо тем, что увеличивается масса лопатки и, соответственно, растёт нагрузка на хвостовую часть, а это чревато развитием трещин. Также со временем соляные отложения забивают каналы прохождения пара, причем, часто очень существенно. Когда все каналы забиты солями, пар начинает создавать большие осевые усилия на лопатки.
Откуда появляются соли
Ведь качество воды, поступающей в котел, строго регламентируется по ГОСТам и стандартам. Но любой котел имеет дренажное устройство, где часть пара просто теряется, выходя в атмосферу. Это безвредно для экологии, но со временем нарастает концентрация солей в самом паре, поскольку, добавляя постоянно новую воду, мы с ней добавляем и соли — чистый пар выпаривается, а соли остаются.
Если качество химводоочистки плохое, то тогда еще быстрее это приведёт к сложному ремонту турбины. Когда случается авария, эксперты задаются вопросом о причинах. Но в 90% случаев это комплекс причин, и нам приходится сложно расставлять «весовые» коэффициенты для каждой из них. Всегда есть цепочка событий. Наши специалисты как раз смотрят оборудование в комплексе: мы увидим свою задачу в любом звене «цепочки»: от момента подачи и забора воды до выдачи электроэнергии в сеть. Все, что происходит на территории станции, находится в зоне нашего внимания, и мы на каждом участке предлагаем эффективные решения.
Ещё одной причиной может стать то, что металловеды своевременно не обнаружили трещины или эти дефекты из-за высокой вибрации стали развиваться очень быстро. Такие неприятные и болезненные ситуации, к сожалению, случаются в среднем несколько раз в год, примерно с такой же периодичностью, как и другие серьезные техногенные аварии. Из нашего опыта, для профилактики аварий, прежде всего, нужно выявить дефект на ранних стадиях, далее провести анализ причин и разработать необходимые мероприятия.
Приведём пример из нашего опыта
В результате фрактографического исследования поверхности разрушения выявлены типичные зоны усталостного излома:
1 - концентратор (очаг разрушения); 2 - зона стабильного (медленного) роста трещин; 3 - зона ускоренного (нестабильного) развития трещин; 4 - зона долома
На фотографиях отчетливо различимы: очаг разрушения под промывом; зона стабильного роста трещины (занимающая 70% от площади излома); зона ускоренного развития трещин (занимающая 25% от площади излома); зона долома (занимающая 5 % от площади излома). Очаг разрушения - область начала развития магистральной трещины, включающая в себя фокус излома. В зоне усталостного разрушения виден очаг разрушения (1), где трещина развивается от сквозного промыва торцевого утонения профиля лопатки, о чем свидетельствует притертая и потемневшая поверхность трещины вблизи торца лопатки. Очевидно, что сквозной промыв явился острым концентратором напряжений и определил место зарождения усталостной трещины. Непосредственно зона усталостного разрушения имеет характерные концентрические линии остановки трещины (усталостные линии) и микрорельеф в виде «тракового следа». Зона усталостного разрушения (2). Усталостная трещина имеет гладкую матовую поверхность, распространяется от зоны сопряжения наружной поверхности профиля и торцевым утонением, которое расположено со стороны точки «1», и проходит через все сечение выпуклого профиля до начала зоны ускоренного развития трещины (3). Небольшая протяженность этой зоны по сравнению с остальными зонами (~ 30 мм) может свидетельствовать о достаточно высоком уровне номинальных напряжений. Зона ускоренного развития трещины (3) с более неровной и шероховатой поверхностью и с частично затертым рельефом и загрязнениями. В зоне ускоренного развития трещины разрушение хрупкое внутризеренное с небольшими участками хрупкого межзеренного разрушения. Зона долома (4) с затертым до блеска рельефом и силовой деформацией профиля из-за задевания обломка за уплотнительное кольцо. Таким образом, фрактографическим анализом установлено, что излом профиля двух лопаток образовался в результате усталостного разрушения под действием высоких номинальных напряжений, которое развивалось от зоны сквозного эрозионного промыва утонения наружной поверхности профиля.
