Общие вопросы неразрушающего контроля
УДК 620.170
ДИАГНОСТИКА ПРИЧИН ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
В. В. Артамонов, В.П. Артамонов
Изложены результаты технической диагностики разрушения восстановленных рабочих лопаток стационарной газотурбинной установки. Для определения причин разрушения использованы визуальный, фрактографический и металлографический методы контроля. Установлены причины, вызвавшие эксплуатационное разрушение. Сформулированы практические рекомендации для предотвращения подобных разрушений.
Ключевые слова: компрессорная станция, рабочая лопатка, восстановительный ремонт, парковый ресурс, усталостная трещина, наработка.
Магистральные газопроводы предназначены для транспортировки газа на большие расстояния. Для того чтобы газ в трубах двигался в заданном направлении, необходимо создать избыточное давление. Это избыточное давление создается на компрессорных станциях газотурбинными комплексами, состоящими из газотурбинной установки и центробежного нагнетателя.
Рабочие лопатки газовой турбины эксплуатируются в весьма жестких условиях (высокие температуры, инерционные и аэродинамические нагрузки, коррозионное воздействие продуктов сгорания) и являются ответственным и дорогостоящим узлом газовых турбин. Среди деталей проточной части турбины рабочие лопатки имеют наименьший ресурс. В связи с этим одно из актуальных направлений деятельности ремонтных производств газотранспортной отрасли — восстановление лопаток, отработавших назначенный изготовителем ресурс. На ремонтной базе выполняется ремонт, включающий в себя удаление поврежденных утонений, приварку или наплавку новых утонений, термическую обработку, финиширование, диагностику весовым методом. Отремонтированным таким образом лопаткам назначают дополнительный ресурс, равный, как правило, межремонтной наработке турбины. Когда турбина вырабатывает парковый ресурс, проводится экспертиза турбины на промышленную безопасность. При этом экспертная организация вынуждена решать сложную техническую задачу оценки возможности и оптимизации сроков эксплуатации турбины с выработавшими ресурс и восстановленными рабочими лопатками. Важнейшим источником технической информации о работоспособности отремонтированных лопаток является анализ причин их повреждения.
В 2011 г. на одной из компрессорных станций магистрального газопровода Уренгой—Челябинск—Петровск произошел аварийный останов газовой турбины ГТК-10-4, наработка которой на момент аварии составила 120 тыс. ч1. Причиной вынужденного останова турбины явилось разрушение одной из рабочих лопаток (рис. 1) турбины высокого давления (ТВД). Комплект этих лопаток после наработки 40 тыс. ч был восстановлен в условиях одного из ремонтных предприятий отрасли и снова установлен на турбину. На момент разрушения комплект восстановленных рабочих лопаток проработал 900 ч.
1 Название Линейного производственного управления (ЛПУ), серийный номер агрегата и фирма, выполнившая восстановительный ремонт лопаток, не указаны из соображений конфиденциальности информации.
Вадим Владимирович Артамонов, канд. техн. наук, специалист отдела неразрушающего контроля Специализированного управления "Леноргэнергогаз". Тел. (812) 375-84-77. E-mail: vaart@mail.ru
Владимир Павлович Артамонов, канд. хим. наук, профессор кафедры металлургии Павлодарского государственного университета. Тел. (8-3182) 67-06-48. E-mail: 273_art@mail.ru
Рис. 1. Плоскость разрушения рабочей лопатки ТВД.
Рис. 2. Повреждения рабочих лопаток ТНД.
Рис. 3. Повреждение рабочих лопаток осевого компрессора.
Разрушение лопатки ТВД вызвало деформацию рабочих и направляющих лопаток (рис. 2) турбины низкого давления (ТНД), а также из-за возникшего дисбаланса и биения ротора ТВД притирку лопаток осевого компрессора с износом утонений (рис. 3).
Картина разрушения рабочих лопаток ТВД имеет некоторые особенности. Во-первых, отрыв пера лопатки (см. рис. 1) имел место на высоте 40 мм от полки хвостовика. Наиболее вероятной зоной развития трещины является основание лопатки, поскольку там инерционная нагрузка и изгибающий момент от действия газодинамических сил максимальны. Во-вторых, 9 из 89 уцелевших лопаток восстановленного комплекта имели повреждение в виде усталостной трещины на выходной кромке лопатки (рис. 4). Как и плоскость разрыва разрушившейся рабочей лопатки, трещины расположены на высоте 30—40 мм от полки хвостовика лопатки.
Рис. 4. Одна из рабочих лопаток ТВД с усталостной трещиной.
Материалом рабочих лопаток ТВД является сплав ХН65ВМТЮ. Внешний вид излома разрушенной рабочей лопатки имеет особенности, связанные с механизмом окисления сплава ХН65ВМТЮ при температуре эксплуатации 670 °С.
При продолжительном воздействии температуры в зоне длительного развития трещины поверхность излома покрывается плотной окалиной из оксидов хрома и никеля, которая хорошо отражает свет и дает антрацитовый блеск (в отличие от магнетита, который образуется на окисляющихся изломах стальных деталей и имеет черный цвет). При краткосрочном воздействии температуры в зоне долома образуется окисная пленка, толщина которой сопоставима с длиной световой волны (около 550 нм). Эта окис-ная пленка преломляет свет, отраженный металлической основой. В зонах кратковременной остановки роста трещины толщина окалины равна 1,5—2 длинам световой волны, эти зоны наблюдаются как темные поперечные полосы (см. рис. 1). Кроме того, светлая зона длительного развития трещины имеет оплывшие (из-за толстой окалины) зерна, темно-желтая зона до-лома — рельефные, контрастные зерна. Очаг зарождения трещины находился на выходной кромке. Фрактографическая картина плоскости разрушения (см. рис. 1) однозначно свидетельствует, что разрушение развивалось по усталостному механизму.
По мере развития трещины эффективное, то есть еще не разрушенное сечение лопатки уменьшалось. Когда увеличивающее напряжение в неразрушенном сечении лопатки достигло некоторого значения, усталостный механизм сменился на квазихрупкий и произошел долом.
Микроструктура разрушевшейся рабочей лопатки аустенитная, величина зерна — № 4 по ГОСТ 5639. В микроструктуре металла присутствуют оксиды (загрязненность ими соответствует 4 баллу шкалы ГОСТ 1778) и карбонитриды. В теле и по границам зерен имеются микропоры, микро-поврежденность соответствует 4 баллу шкалы ВТИ. Примерно 20 % зерен аустенита имеют оторочку, состоящую из мелких субзерен сигма-фазы (рис. 5).
Рис. 5. Микроструктура разрушившейся рабочей лопатки.
Указанная выше микроструктура разрушившейся рабочей лопатки дает основание утверждать, что она находилась в эксплуатации не 900 ч, а значительно больше. Однако состояние микроструктуры не могло быть непосредственной причиной массового развития усталостных трещин: микропоры ползучести не слились в цепочки по границам зерен, не образовались микротрещины, сигма-фаза развита сравнительно слабо, отсутствуют такие дефекты, как межкристаллитная коррозия в поверхностных слоях металла лопатки и, в значительных количествах, гамма-штрихфаза. Лопатка с описанной выше микроструктурой могла прослужить несколько тысяч часов. Следовательно, трансформация микроструктуры материала лопатки в процессе эксплуатации не могла стать причиной разрушения.
Судя по микроструктуре, технология восстановительного ремонта не включала в себя восстановительную термообработку, которая бы вызвала растворение в аустените вторичных фаз и залечивание микропор.
Наиболее вероятной причиной повреждения является наличие поверхностных дефектов, которые были на лопатке еще до начала эксплуатации. В процессе ремонта или транспортировки на выходную лопатку на высоте 30—40 мм от хвостовика могли быть нанесены дефекты типа царапин, рисок или так называемых забоин. Дефекты послужили бы концентраторами напряжения, уменьшив предел выносливости лопаток. Однако указанные дефекты на разрушившейся лопатке не удалось обнаружить и задокументировать, т. к. они имели микроскопическую глубину, сопоставимую с толщиной окалины, которая развилась при эксплуатации лопаток, либо указанные дефекты были замаскированы развившимися усталостными трещинами.
Изложенное выше предположение удалось подтвердить в ремонтную компанию 2012 г., когда на той же компрессорной станции при экспертизе промышленной безопасности был подвергнут контролю другой комплект рабочих лопаток, восстановленных по технологии, аналогичной технологии восстановления повредившегося в 2011 г. комплекта. Одна из лопаток комплекта на полированной спинке и выходной кромке имела ряд чет-
ко выраженных царапин2, наиболее крупные из которых располагались на высоте 30—40 мм от полки хвостовика (рис. 6а).
Часть поверхности дефектной лопатки, отмеченной на рис. 6а штриховой линией, при стократном увеличении показана на рис. 6б. Поверхность полирована до чистоты Яг 1 мкм. На полированной поверхности имеются поперечные царапины глубиной около 10—20 мкм на спинке пера лопатки, 20—50 мкм — на выходной кромке. Царапины были оставлены сравнительно грубым инструментом типа абразивного круга с зернистостью Яг 10 мкм на стадии шлифования (на шлифе видны микронадрывы, следы смятия и резания), затем частично заполированы более тонким абразивом (поперечные риски на рис. 6б).
а б
Рис. 6. Царапины на поверхности восстановленной лопатки.
Таким образом, правомерно утверждать, что причиной разрушения рабочей лопатки ТВД турбины ГТК-10-4 явились не удаленные абразивные царапины, которые были нанесены при восстановительном ремонте. Царапины послужили концентраторами напряжений, в результате чего на выходной кромке лопатки возник очаг деформации, который по ходу эксплуатации турбины стал развиваться в усталостную трещину, что и привело в конечном счете к эксплуатационному разрушению лопатки. Указанная причина была основной, так как имеется еще одна сопутствующая причина — низкая культура производства. Поясним этот тезис более подробно.
Как показывает многолетний опыт авторов по контролю и технической диагностике энергетического оборудования [1, 2], часто кроме чисто технических причин к эксплуатационным разрушениям оборудования п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.