автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Сопротивление усталости металла рабочих лопаток стационарных ГТУ в задачах продления ресурса

На правах рукописи

□0305Ь ми

ИВАНОВ Сергей Анатольевич

СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛА РАБОЧИХ ЛОПАТОК СТАЦИОНАРНЫХ ГТУ В ЗАДАЧАХ ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА

Специальность 05.02.01 -материаловедение (машиностроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2007 г.

003055730

Работа выполнена в ЗАО «Научно-исследовательский конструкторско-технологический институт турбокомпрессоростроения» (ЗАО «НИКТИТ»).

Научный руководитель - доктор технических наук

Рыбников Александр Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Петухов Анатолий Николаевич; кандидат технических наук Ковалев Анатолий Гаврилович.

Ведущее предприятие - Институт проблем машиноведения РАН.

дании диссертационного совета Д 520.023.01 при открытом акционерном обществе «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ») по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., Д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Отзывы просьба направлять по адресу:

191167, Санкт-Петербург, Атаманская ул., 3/6, ОАО «НПО ЦКТИ», ученому секретарю.

на засе-

Автореферат разослан

2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Обеспечение надежности промышленных газотурбинных установок с длительной эксплуатационной наработкой, является одной из важнейших задач, решаемых в ходе выполнения работ по продлению срока службы их узлов и деталей, выработавших назначенный ресурс.

Рабочие лопатки турбин, являющиеся одними из самых ответственных и дорогостоящих деталей в газотурбинных двигателях, подвергаются непосредственному воздействию высокой температуры газового потока, значительным напряжениям от центробежных и аэродинамических сил. Ограниченный срок службы указанных деталей обусловливает необходимость разработки методик и мероприятий, направленных на повышение надежности работы лопаточного аппарата.

В настоящее время нет четкого разделения по влиянию отдельных факторов на работоспособность лопаток после длительной эксплуатации, в частности, не установлено влияние защитных покрытий и структурного фактора на сопротивление усталости лопаток.

Очевидно, что определение степени воздействия отдельных повреждающих факторов, разработка и внедрение специальных мероприятий, направленных на устранение их отрицательного влияния на работоспособность лопаток после длительной эксплуатационной наработки дает большой экономический эффект.

Вопросы назначения технически обоснованного дополнительного ресурса турбинных лопаток, имеющих длительную (свыше 100 тысяч часов) эксплуатационную наработку, должны базироваться на всестороннем анализе условий работы ГТУ, детальных экспериментальных исследованиях изменений работоспособности лопаток в процессе эксплуатации, определении доминирующих эксплуатационных и технологических факторов, влияющих на характеристики сопротивление усталости.

В настоящее время в литературных источниках недостаточно полно описаны закономерности, причины изменения и способы повышения сопротивления усталости лопаток турбин стационарных ГТУ с наработкой свыше 100 тысяч часов.

Это и обусловило актуальность темы диссертационной работы.

Цель и основные задачи работы. Целью диссертационной работы является: на основе анализа изменения структуры металла и свойств рабочих лопаток турбин стационарных ГТУ после длительной эксплуатации и оценки степени влияния различных факторов на эксплуатационные характеристики лопаток разработать критерии оценки остаточного ресурса лопаток «по состоянию» и технологические способы повышения сопротивления усталости лопаток. ^

Для этого в ходе работы были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать условия работы и влияние различных факторов на изменение характеристик сопротивления усталости, механических свойств и структуры металла рабочих лопаток стационарных газовых турбин в процессе длительной эксплуатационной наработки.

2. Выявить наличие "управляемых" факторов и оценить степень их влияния на сопротивление усталости металла лопаток.

3. Исследовать и оценить эффективность различных технологических методов с целью повышения характеристик сопротивления усталости лопаток стационарных ГТУ и продления их ресурса.

4. Разработать критерии оценки остаточного ресурса "по состоянию" рабочих лопаток стационарных ГТУ.

Научная новизна.

- Определены закономерности снижения предела выносливости рабочих лопаток стационарных газовых турбин в процессе длительной (свыше 100 тысяч часов) эксплуатации. Установлено, что основной причиной снижения предела выносливости являются структурные изменения в металле лопаток.

- Установлена связь между пластичностью и пределом выносливости металла литых и штампованных лопаток промышленных стационарных газовых турбин.

- Показано, что при проведении восстановительной термической обработки лопаток после их длительной эксплуатации наблюдается восстановление уровня прочностных и пластических свойств и сопротивление усталости металла лопаток. Установлено, что восстановительную термическую обработку для турбинных лопаток из сплава ЭИ893 агрегатов типа ГТК-10 целесообразно проводить после 50000ч эксплуатации во время капитальных ремонтов. ВТО допускается проводить 2-3 раза в зависимости от фактического состояния лопаток.

- Установлены закономерности влияния защитных покрытий на сопротивление усталости металла турбинных лопаток. В зависимости от технологии нанесения и состава, покрытия снижают на 10-20% (диффузионные) или повышают до 5% (низковакуумные плазменные и магнетронные) сопротивление усталости сплава ЭИ893.

Установлена возможность и целесообразность использования характеристик сопротивления усталости лопаток после длительной эксплуатации в качестве критерия определения их остаточного ресурса «по состоянию».

Практическая ценность.

Выполненные исследования, а также разработанный комплекс мероприятий позволили:

- разработать инструкцию по дефектации рабочих лопаток турбин ГТК-10, применяемую на компрессорных станциях;

- рассчитывать остаточный ресурс лопаток «по состоянию»;

- продлить ресурс рабочих лопаток турбин 37-ми г азоту; 'чшых агрегатов типа ГТК-10 с наработкой порядка 100 тысяч часов, усыновленных на компрессорных станциях «Сосногорск», «Вуктыл», «Синдор», «Уодома»,

«Микунь», «Нюксеница», «Юбилейная» ООО «Севергазпром» и внедрить комплекс технологических мероприятий для восстановления служебных свойств металла лопаток турбин с наработкой.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: 5-й научно-технический семинар «Топливно-энергетический комплекс. Надежность, долговечность и безопасность оборудования. Материалы и ресурсосберегающие технологии XXI века». СПб. 17-19 мая 1999; Международный симпозиум по пластичности и ее практическому применению, Канада, июль 2000; 16-я Международная конференция по рентгеноспектральному микроанализу и оптике, Вена, Австрия, 2001; XVIII совещание по температуроустойчивым функциональным покрытиям, Тула, 1517 мая 2001; 8-й научно-практический семинар «Обеспечение работы энергооборудования ТЭС и АЭС после сверхдлительной эксплуатации».СПб, 2002; VI Международный симпозиум «Современные проблемы прочности» им. В.А.Лихачева. Старая Русса, 20-24 октября 2003; XIX Всероссийское совещание по температуроустойчивым функциональным покрытиям, Санкт-Петербург, 15-17 апреля 2003.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав и выводов, содержит 217 страниц машинописного текста, 61 рисунок, 28 таблиц. Библиографический список включает 112 наименований.

Основное содержание работы.

Во введении приведено обоснование актуальности выбранной темы, определены цели и задачи исследований, показаны научная новизна и практическое значение работы.

В первой главе содержится обзор публикаций по исследованию изменения работоспособности турбинных лопаток после длительной эксплуатации, рассматриваются основные условия работы лопаток турбин, проведен анализ различных методик по оценке изменения работоспособности турбинных лопаток в процессе длительной эксплуатации. Показано, что . основными критериями, определяющими работоспособность лопаток турбин, являются характеристики сопротивления усталости, которые претерпевают определенные изменения в процессе длительной эксплуатации. Рассмотрены основные способы повышения сопротивления усталости, ресурса и эксплуатационной надежности лопаток турбин. Рассмотрены механизмы усталостного разрушения. На основании анализа современного состояния данного вопроса сформулированы цели и задачи теоретического и экспериментального исследования.

Вторая глава посвящена материалам и методике исследований.

Материалом для исследований служили рабочие лопатки стационарных газовых турбин, изготовленные из отечественных (литейного ЦНК-7 и

деформируемого ЭИ893) сплавов на никелевой основе. Химические составы сплавов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав сплавов.

Сплав Содержание основных элементов, %

Сг Со W Мо Fe тП А! Мп С В Si S

ЦНК-7 14,015,5 8.09.5 6,27,2 0.20,7 - 3.64,4 3,64.3 - 0,070,13 0,0080,015 - 0,02

ЭИ893 15,017,0 - 8,510,0 3,54,5 3,0 1,21.6 1.21,6 0,5 0,06 <0,01 0,06 -

Исследовались турбинные лопатки:

- комплекты турбинных лопаток газотурбинных агрегатов производства НЗЛ типа ГТК-10 (ТВД, ТНД) и ГТ-750-6 (1-я и 2-я ступени ТВД), агрегата производства General Electric типа ГТК-25И (ТНД) после промышленной эксплуатации. Лопатки с длительной эксплуатационной наработкой (около 100 шт.) были сняты с ГТУ при проведении плановых обследований агрегатов (37 шт.), установленных на компрессорных станциях предприятий ООО «Севергазпром» и ООО «Тюментрансгаз», с целью определения их остаточного ресурса;

- новые рабочие лопатки ТВД и ТНД агрегата ГТК-10 и ТНД агрегата ГТК-25И, изготовленные из литейных и деформируемых сплавов;

- рабочие лопатки ТВД и ТНД агрегата ГТК-10 и ТНД агрегата ГТК-25И, разрушенные в процессе эксплуатации после различной наработки и снятые с аварийных агрегатов;

- стандартные образцы из сплавов ЭИ893 и ЦНК-7 с нанесенными защитными покрытиями.

В таблице 2 приведены наименования турбин, их изготовители и марки материалов и наработки лопаток, подвергнутых исследованиям.

Таблица 2.

Материалы исследований

Тип ГТУ. изготовитель Тип лопаток Марка материала лопаток Максимальная наработка, тыс. ч.

ГТК-10, НЗЛ ТВД ЭИ893 102

ТНД ЭИ893 102

ТНД ЦНК-7 22,5

ГТ-750-6, НЗЛ 1. 2 ступени ТВД ЭИ893 112

ГТК-25И, GE ТНД ЦНК-7 34

Образцы сплавов ЭИ893 -

ЦНК-7 -

Рассмотрены методики экспериментальных исСледо^.чий характеристик сопротивления усталости, вопросы вероятностно-статистической обработки

экспериментальных данных, а также приведена методика исследования остаточных напряжений в поверхностном слое материала лопаток.

Испытания на усталость проводились на стандартном вибрационном электродинамическом стенде марки ВЭДС-400 и электромагнитном стенде НЗЛ, оригинальное устройство й' принцип действия которого подробно описаны. Исследования оста точных напряжений проводились на установке ПИОН-2.

Рассмотрены способы и стандартные методики исследования структуры и фазового состава металла, используемые в НПО ЦКТИ: для изучения состояния микроструктуры металла лопаток промышленных стационарных газовых турбин применялись цифровая оптическая металлография с использованием программного обеспечения фирмы «ИстаВидеоТест», рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы с использованием установки Сатеса, а также электронная микроскопия. Проводились также испытания механических свойств и длительной прочности на образцах, вырезанных из лопаток с целью оценки влияния длительной эксплуатационной наработки на изменение этих характеристик.

В третьей главе приведены особенности технологии изготовления и формирования структуры металла турбинных лопаток из никелевых сплавов.

Выделены основные группы конструкционных технологических и эксплуатационных факторов, которые оказывают значительное влияние на сопротивление усталости рабочих лопаток.

К числу таких конструкционных факторов относятся особенности конструкционного исполнения проточной части турбины, приводящие к неравномерности потока газа, возникновению периодической возмущающей силы и повышению уровня динамических напряжений.

Основными технологическими факторами, снижающими характеристики сопротивления усталости лопаток являются остаточные напряжения растягивающего характера в поверхностном слое лопаток и различного рода дефекты от механической обработки (прижоги, риски и т.д.), а также дефекты микроструктуры металла, вызванные нарушениями режимов при отливке (штамповке) и/или термической обработки металла.

Эксплуатационными факторами являются действие статических и динамических (вибрационных) напряжений, термоциклических напряжений, возникающих при сменах режимов работы, длительное действие рабочих температур, коррозионное и эрозионное воздействие газового потока, механические повреждения поверхностного слоя лопаток от соударения с твердыми частицами, изменение состава легирующих элементов в поверхностном слое.

После длительной эксплуатации работоспособность лопаток определяется следующими доминирующими факторами: 1) состояние поверхностного слоя; 2) состояние структуры металла лопаток.

Рассмотрены основные особенности конструкции и динамической напряженности рабочих лопаток турбин производства НЗЛ.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния длительной эксплуатационной наработки на характеристики сопротивления усталости, изменение микроструктуры и механических свойств металла турбинных лопаток. Проведен анализ влияния структурного фактора на сопротивление усталости и работоспособность рабочих лопаток стационарных турбин.

Испытания на усталость, выполненные при определении остаточного ресурса рабочих лопаток турбин ГТ-750-6, ГТК-10, ГТК-25И, изготовленных из литейных и деформируемых жаропрочных сплавов, с длительной эксплуатационной наработкой показали, что предел'выносливости лопаток, не имеющих механических повреждений, изменился по сравнению с первоначальным уровнем.

Наработка,

Рис. 1. Изменение среднего предела выносливости рабочих лопаток турбины ГТК-10 из сплава ЭИ893 в процессе эксплуатационной наработки.

1 - рабочие лопатки ТНД;

2 - рабочие лопатки ТВД

Рис. 2. Изменение среднего предела выносливости рабочих лопаток ТНД ГТК-25И из сплава ЦНК-7 в процессе эксплуатационной наработки.

О 10 20 30 40

Снижение среднего значения предела выносливости литых рабочих лопаток ТНД агрегата ГТК-25И после наработки и штампованных рабочих лопаток ТВД и ТНД ГТК-10 составило примерно 15-25 % по сравнению с новыми лопатками (рис. 1,2).

Для сравнения изменений в процессе длительной эксплуатации структуры и свойств металла лопаток проводилось их изучение на металле профильной и хвостовой частей. Структура и свойства хвостовой части, работающей при более низких температурах по сравнению с профильной частью, принимались в качестве исходных (без эксплуатационной наработки).

После длительной эксплуатации в условиях агрессивной среды и высоких рабочих температур и напряжений состояние металла претерпевает изменения, а именно, происходит перераспределение фазовых составляющих металла, главным образом, на границах зерен, изменение их разменов и конфигурации.

В микроструктуре металла литых лопаток из сплава ЦНК-7 помимо дополнительного выделения мелкодисперсных частиц у'- фазы, произошло некоторое укрупнение ранее выделившейся при термообработке у'- фазы и карбида МдзС6 по границам зерен, а также увеличение количества и размера карбида М3зС(, вокруг частиц МС, первичной у1- фазы (рис 3).

Рис. з Микроструктура металл^ |абочн\ лодзггок из сплава Ц! [1С-7 I 1аработка 30000 часоп. а - хвостовая часть (х I!Ж)}, £> - профильная часть лопатки (х 1000)' в - хвостовая часть 50000); 1 - профильная часть початки (х 50000).

Образование дополнительного количества мелкодисперсных частиц у'-фазы и карбида М^Сь. особенно по границам зерен, вызвало изменение прочностных и пластических свойств профильной части (табл. 4, 5). Вследствие этого предел выносливости лопаток в процессе эксплуатации снизился примерно на 20% от первоначального.

Таблица 4.

Изменение количества упрочняющей частиц у'-фазы в металле рабочих лопаток ТНД из сплава ЦНК-7 РС ГТК-25И после эксплуатации.

Наработка* часов Количество частиц у'-фазы, %

Ножка | Перо

Исходное состояние ЭС -и ю

16000 38-41 40-42

20500 39 - 40 43-44

30000 44-47

34000 39-41 46-49

Таблица 5.

Механические свойства металла рабочих лопаток ТНД из сплава ЦИК-7 РС ГТК-25И после наработки 30 тысяч часов.

Место пырезки образцов Темп, исп., "С Механические свойства металла

Ои.2. кгс/мм2 о.. кгс/ммг 6, % т % «„1. КГС м/ш

Перо 20 82.5 - 86,0 83.5 -88.5 1,0-2.5 ■ 3,3-3,5 1,2-1,7 ■

Хвостовик 72,5 -75,0 78,0 - 81,5 2,5 - 5,5 6.3 - 6,5 1,9-2.1

Перо 700 62,5 - 70,0 81,0-97,5 " 3.2 - 8,9 6,5 - 13,0

Хвостовик 59,0 - 63,5 73.0 - 93,5 5.7 - 13.7 6,2- 16,0

ТУ 20 £73,0 >73,0 >5,0 -

70С >63,0 >63,0 £5 .0 -

Полученные значения отклонений механических свойств от требований технических условий связаны как с длительной наработкой, так и отличием СВОЙСТВ металла лопаток от свойств отлитых образцов.

Для штампованных рабочих лопаток, изготовленных из жаропрочного сплава ЭИ893, турбины ГТК-10 после эксплуатации фазовым физико-химическим анализом было установлено, что основными фазовыми составляющими являются упрочняющая у'- фаза и карбид МйС, также в металле присутствуют карбиды МС, М2зСй и в незначительном количестве боридные фазы М.^Вт и М^В}

•V /Г .'.". *

V- •'•'4

V) ч. > — —,.. . г < . * ^

¿¿у У

<3

ЙМ хНЮО

а)

б)

Рио. 4. Микроструктура металла рабочих лопаток из сплава ЭИ893. ! 1аработка 102 тыс.часоп. а - хвостовая часть; 6 - Профильная часть лопатки.

После длительной эксплуатации за счет довыделения мелкодисперсных частиц у'-фазы в металле профильной части лопаток (рис. 4) имеется повышенное содержание упрочняющей у'-фазы по сравнению с металлом замковой части. Количество у'-фазы возрастает с наработкой с 9-10% для лопаток в исходном состоянии до 13-18% для лопаток с наработкой порядка 100 тыс. часов.

Механические свойства металла лопаток турбины после наработки до 102 тыс. часов заметно меняются (табл. 6).

Таблица 6.

Механические свойства при температуре 20 °С металла рабочих лопаток турбины из сплава ЭИ893.

Наработка Место вырезки образца НВ а 0,2, кгс/мм2 8, % Ф. % а„ кгс м/см2

0 Перо 217-275 52-56 25-39 30-40 6-10

58 тыс. часов Хвостовик 265-285 55-60 28-35 30-35 6-9

Перо 290-315 62-70 18-25 18-25 4-6

102 тыс. часов Хвостовик 315-340 70-86 15-20 15-20 6-8

Перо 345-365 82-90 5-15 5-15 1,5-4

ТУ 108-02-005-76 217-277 >30 >20 >20 >6

Исследования фазового состава и измерения физических свойств сплава ЭИ893 в пределах марочного состава в области температур 500-650°С при длительных выдержках показали, что помимо обычных для жаропрочных сплавов на никелевой основе процессов довыделения и коагуляции упрочняющей у'-фазы и карбидных превращений,

протекают также и процессы дальнего упорядочения атомов матрицы. Развитие этих процессов приводило к аномальному упрочнению,

существенному снижению пластичности и ударной вязкости, повышению чувствительности к надрезу и высокой склонности к хрупкому разрушению.

Создание благоприятного строения микроструктуры металла лопаток и устранение эффекта дальнего упорядочения после наработки возможно путем проведения восстановительной термической обработки, что восстанавливает

оог Б.%

Рис. 5. Изменение механических свойств штампованных турбинных лопаток из сплава ЭИ893 в зависимости от наработки. 1- а о.2 после наработки, 2- 8 после наработки; 3- о «.г после ВТО; 4- 8 после ВТО.

механические свойства металла, особенно его пластические характеристики (рис. 5).

Сравнительные испытания на усталость после проведения ВТО показали, что предел выносливости лопаток практически соответствует уровню, характерному для лопаток без эксплуатационной наработки (рис 6, 7). При отсутствии механических повреждений поверхностного слоя в течение эксплуатационной наработки структурный фактор является определяющим механизмом, оказывающим влияние на снижение работоспособности лопаток

промышленных турбин.

кгс/мм' 30

гЛ \

V \

V \

° \ / □ V о У

\ \|

\

\ 2

■ о \ / ) (

о \ /

■

•

■

1 1

Изменение предела выносливости хорошо коррелирует с изменением пластических характеристик металла (рис.8).

24 22 20 18 |6 14

0 5 а)

15 20

25

Г ((тискни* мто

/

-2— .2

11) 2(1 31) Ф) 51) М 71) XI) VI) |ш III) 120

II.1L Ч.к

1 о'' 10' N. циклов

Рис. 6. Кривая усталости рабочих лопаток ТНД из сплава ЦНК-7 агрегата ГТК-25И после наработки 30000 часов и проведения ВТО.

1- лопатки до эксплуатационной наработки;

2- лопатки с наработкой 30000 часов; 3 - лопатки после ВТО.

с.|,кгс/мм2

Рис. 7. Изменение предела выносливости штампованных турбинных лопаток ГТК-10 из сплава ЭИ893 в зависимости от наработки. 1 - предел выносливости лопаток после длительной эксплуатации; 2- предел выносливости лопаток после ВТО.

о.).кгс/мм

24 22 20 18 16 14

8.%

г, %

2,0

6,0

б)

Рис. 8. Зависимость сопротивления усталости металла лопаток от пластических характеристи) а - штампованные лопатки из сплава ЭИ893; б - литые лопатки из сплава ЦНК-7.

Пятая глава посвящена изучению накопления повреждений в поверхностном слое металла лопаток после длительной эксплуатационной наработки.

По результатам микрорентгеноспектральных исследований, в процессе эксплуатационной наработки под слоем оксидов на поверхности металла лопаток образовывался слой с измененным составом легирующих элементов (\У, Т», Сг, Мо, А1). Максимальная глубина такого поверхностного слоя для исследованных рабочих лопаток ТВД и ТНД ГТК-10 и ТВД ГТ-750-6 с наработкой до 100000 часов составляла 40 мкм. Для оценки влияния поверхностного слоя с измененным составом легирующих элементов на сопротивление усталости металла лопаток были проведены испытания на усталость лопаток с искусственно созданным поверхностным слоем. По своему составу поверхностный слой был близким к таковому реальных турбинных лопаток после эксплуатации в течение порядка 100000 часов в среде продуктов сгорания природного газа при температуре 630 - 670 °С.

Результаты сравнительных испытаний на усталость при нормальной температуре лопаток трех партий в количестве 17 штук в каждой с полученным путем моделирующей температурной обработки поверхностным слоем с измененным составом легирующих элементов глубиной до 100 мкм не выявили заметного различия в уровне их характеристик сопротивления усталости от лопаток в исходном состоянии.

Практика обследования большого количества агрегатов и проведенные испытания на усталость лопаток с эксплуатационной наработкой показали, что возникновение усталостных трещин на профильной части лопаток в ряде случаев связано с наличием в их очагах поверхностных дефектов, образовавшихся в результате механических повреждений.

Для определения степени влияния механических повреждений на характеристики сопротивления усталости турбинных лопаток проводились испытания на усталость лопаток, имеющих одинаковую наработку, на профильной части которых имелись эксплуатационные механические-повреждения различных размеров.

Проведенные испытания показали, что величина снижения предела выносливости определяется главным образом не формой, а глубиной повреждения. Существенно снижают сопротивление усталости лопаток не только острые забоины, но и плавные повреждения, имеющие сравнительно низкие значения теоретического коэффициента концентрации.

Это связано с наличием на поверхности дефекта с плавными очертаниями мелких повреждений, способствующих развитию усталостных трещин.

При исследованиях особое внимание уделялось прикорневому сечению выходной кромки. Эта область является зоной максимальных напряжений при эксплуатации и, учитывая малую живучесть лопатки с забоиной в реальных условиях эксплуатации, при наличии значительных статических напряжений состояние указанной зоны лопаток определяет надежность работы агрегата в целом.

Для изучения влияния глубины механических повреждений на сопротивление усталости лопаток на выходную кромку в прикорневом сечении наносились искусственные повреждения в виде У-образных надрезов с углом 60° и радиусом закругления при вершине 0,1 мм.

Все исследуемые лопатки (64 шт.) при проведении испытаний на^ усталость разбивались на 4 группы в зависимости от глубины повреждения (0,2; 0,4; 0,8; 1,5 мм).

К„

3.0

1.0

о

0.5

1,0

Анализ экспериментально

полученной зависимости (рис. 9) показал, что критическим повреждением в зоне максимальных напряжений, при котором еще не происходит заметного снижения предела выносливости лопаток, является концентратор глубиной не более 0,3 мм. При глубине повреждения около 1,3 мм происходит снижение предела

выносливости лопатки примерно в 2 раза.

Из проведенного анализа следует, что механические повреждения профильной части от соударения с твердыми частицами существенно влияют на снижение характеристик сопротивления усталости турбинных лопаток. Результаты

проведенных исследований послужили основанием для разработки норм допустимых дефектов для рабочих лопаток турбин (табл. 7) и методик обследования технического состояния и определения дополнительного ресурса рабочих лопаток стационарных ГТУ.

Шестая глава посвящена разработке технологических способов повышения ресурса лопаток турбин и определению критериев оценки остаточного ресурса лопаток «по состоянию».

Структурные изменения в материале после длительной эксплуатации привели к снижению характеристик сопротивления усталости металла литых и штампованных турбинных лопаток. При благоприятном исходном состоянии металла описанные изменения микроструктуры, возникшие в результате высокотемпературного старения сплава, являются обратимыми (если нет пор, межкристаллитных трещин и других дефектов структуры).

Для литых лопаток из сплава ЦНК-7 был специально разработан режим восстановительной термической обработки (ВТО): нагрев до 1180°С, выдержка в течение 2 ч, охлаждение на воздухе + стабилизационный отпуск при 850°С в течение 24 ч.; для штампованных лопаток из сплава ЭИ893: нагрев до 850°С, выдержка 5 ч., охлаждение на воздухе.

Рис. 9. Влияние глубины механических повреждений на предел выносливости лопаток К„ = о.|/ о.ц. где см - предел выносливости лопаток без концентраторов, а.|ь - предел выносливости лопаток с концентраторами; Ь = Ь/ЯВЫХ, где Ь - глубина повреждения, 1^Вых" радиус выходной кромки в месте максимальных напряжений.

Таблица 7.

Нормы допустимых эксплуатационных повреждений рабочих лопаток турбины ГТК-10.

Характер дефекта и место его расположения на профиле Способ замера дефекта Величина допускаемого без ремонта дефекта, мм не более Кол-во на профиле, шт. не более Величина допускаемого с ремонтом дефекта, мм не более Рекоменд. способ ремонта Величина недопустимого дефекта, мм более

Длина, ширина- глубина Длина, ширина глубина Длина, ширина глубина

8 Забоина, выходная кромка, зона 1 Глубиномер шаблон не контролируется: 0,3 3 кроме галтели не контролируется 1,0 Шлифова- ние+ полирова- ние+ термооб р.+ упрочнение - 1,0

5 Забоина, выходная кромка, зона 1 0,5 5 1,0 - 1,0

Погнутости, забоины, вмятины. Входная кромка, зона 3. Язвы 0,5 5 1.5 - 1,5

2

Забоина, профильная часть, зоны 2,5 1,0 5 в каждой зоне 2,0. - 2,0

Зоны дефектации Погнутости, забоины, вмятины. Профильная часть, зоны 7, 8, 9. 1,5 - - 2.5 - 2,5

Отгибание, срез угла, зона 7 Шаблон, штангенциркуль 10x15 - 1 - Не требуется - -

Погнутость вых. кромки, зоны 4, 7 15 2 2 - - с растрескиванием, кол-во более 2

Вырывы выходной кромки, зона 7 15 2 2 - -

После проведения ВТО произошло выравнивание фазового состава металла лопаток, растворение дополнительно выделившихся в результате длительной наработки упрочняющих фаз и снят эффект упорядочения матрицы.

Проведение ВТО привело к некоторому повышению прочностных и значительному повышению пластических характеристик металла (табл. 8). Предел выносливости восстановленных лопаток, определенный в результате испытаний на усталость, практически соответствовал состоянию лопаток без наработки (рис. 6, 7).

Таблица 8.

Характеристики металла при 20 °С рабочих лопаток ТВД ГТК-10 и ТНД ГТК-25И после эксплуатации и восстановительной термообработки.

Материал лопатки Состояние Характеристика

Кол-во у'-фазы, % ст». кгс/мм2 СТо.2. КГС/ММ2 5,%

ЭИ893 Исходное 9-12 85,0 52,0 30

После наработки 60 тыс.ч 13-18 95-105 62-72 5-20

После ВТО 9-13 85-92 50-63 30-45

ППК-7 Исходное 37-41 73,0 73,0 5,0

После наработки 30 тыс.ч 44-47 86-88 86-88 1,4-1,6

После ВТО 38-41 75-80 75-80 3,8-5,0

Показано заметное повышение характеристик сопротивления усталости турбинных лопаток после проведения их упрочняющей обработки.

Подбор оптимального режима упрочнения осуществлялся на образцах по результатам исследования распределения остаточных напряжений в поверхностном слое и проведения испытаний на усталость.

Рис.10. Эпюры остаточных напряжений в зависимости от диаметра шариков ош 1 - ош = 0,8 мм; 2- ош = 1,3 мм; 3- ош = 2,0 мм; 4- ош = 2,5 мм.

Рис. 11. Эпюры остаточных напряжений в зависимости от продолжительности обработки. ош = 1 мм. 1- х = 1 мин; 2- т = 2 мин; 3-т = 4 мин; 4- т = 8 мин.

Характер распределения остаточных напряжений зависит от диаметра шариков, их массы, времени упрочнения и амплитуды колебаний резонатора. Эпюры остаточных напряжения при различных параметрах упрочнения приведены на рисунках 10 и 11.

По результатам экспериментальных исследований для упрочнения турбинных лопаток были выбраны малоразмерные шарики диаметром 1 мм.

При выборе режима упрочнения для рабочих лопаток турбин оказалось, что оптимальное время упрочнения в значительной степени зависит от геометрических размеров упрочняемой детали, т.е. имел место масштабный фактор.

Для рабочих лопаток турбин из жаропрочного деформируемого сплава ЭИ893 оптимальные характеристики достигаются при упрочнении шариками в течение 4-6 минут в зависимости от размера лопаток при амплитуде колебаний резонатора 10 мкм.

Как показали результаты

исследования влияния упрочнения на сопротивление усталости лопаток (рис 12), предел выносливости лопаток после упрочнения увеличился на 20-30%. Релаксация остаточных напряжений после 30000 часов нагрева составила всего 10-12%.

Данная технология применяется как штатная операция при изготовлении турбинных лопаток и указана в требованиях чертежа на лопатки. п Проанализировано влияние

различных защитных покрытий на характеристики сопротивления

усталости металла турбинных лопаток стационарных ГТУ.

Показано, что для сплавов ЭИ893 и ЦНК-7 с электронно-лучевым покрытием с внешним керамическим слоем СДП8/КДП1 по результатам испытаний на усталость при температурах испытаний 750-850 °С не отмечено снижение предела выносливости по сравнению с непокрытыми образцами.

Результаты испытаний на усталость рабочих лопаток ТВД агрегата ГТК-10 из сплава ЭИ893 с покрытием

Рис. 12. Средний предел выносливости лопаток из сплава ЭИ893 после упрочнения в зависимости от продолжительности обработки:

1-рабочие лопатки ТВД;

2- рабочие лопатки ТНД.

\ \

V

1 1 . V

\ 1

Рис. 13. Результаты испытаний на усталость рабочих лопаток ТВД ГТК-10 из сплава ЭИ893 с электронно-лучевыми покрытиями СоСгЛ1У/гЮ2.

СоСгАГУ^Ю; показали, что их предел выносливости находится на уровне, соответствующем лопаткам без покрытий (рис. 13). Диффузионные, особенно хромовые, покрытия снижают предел выносливости на 10-20%, а низковакуумные плазменные и магнетронные покрытия несколько повышают предел выносливости сплава ЭИ893 (табл. 9).

Таблица 9.

Влияние антикоррозионных защитных покрытий на сопротивление усталости гладких образцов из жаропрочных сплавов при асимметричном цикле нагружения (стстат = 15 кгс/мм2).

Сплав Вид покрытпя Температура испытания Т °Г ' ИСп. Толщина покрытия 5, мкм Величина переменных напряжений аа. кгс/мм2

ЭИОТЗ Без покрытпя 750 - 28,5

Диффузионное хромирование Сг-Ре 750 70-75 22,5

Суспензионное А|-$1 750 70-100 25,5

Плазменное СоСгА1У в воздушной среде 750 160-180 28,5

Плазменное СоСгА1У в вакууме 750 100-120 30.0

Магнетропное СоСгА1У 750 90-100 29,5

Электронно-лучевое СоСгА1У 750 65-75 27,0

Электронно-лучевое СоСгА!У/2гСЬ 750 75+30 29,0

Электронно-лучевое трехслойное 750 75+30+30 28,5

ЦНК-7 PC Без покрытия 850 - 28.0

Электронно-лучевое СДП8/КДП11 850 65+35 28,0

Электронно-лучевое СДППА/СДП8/КДПП 850 35+80+40 28,0

Разработана методика оценки остаточного ресурса турбинных рабочих лопаток «по состоянию». Применительно к стационарным газовым турбинам,

используемым на магистральных газопроводах, основным критерием, по которому может быть рассчитан остаточный ресурс рабочих турбинных лопаток, являются их характеристики сопротивления

многоцикловой усталости.

По результатам испытаний на усталость остаточный ресурс лопаток с наработкой определяется по формуле:

<3-1

Рис. 14. Схема расчета остаточного ресурса.

Т = Г -Т -ост пр.ф. же.

-/исх.

- 1пр.

■Т

/го , -/¡а , , 'Ф , . ' пр.эксп.

6 -111СХ. & -1ф. ь -1исх. л -/яр.

где Тф - фактическая наработка лопаток; Тпр1ксп - расчетная предельная наработка экспериментальных лопаток; о.,ф - предел выносливости лопаток с фактической наработкой; о.|„сх - предел выносливости лопаток в исходном (без наработки) состоянии; с.|пр. - минимальное значение предела выносливости, определенное с учетом коэффициентов запаса и максимальных действующих динамических напряжений:

о , = с -и , - {пр. V V

где действующие рабочие напряжения, определенные по результатам тензометрических испытаний натурных агрегатов; пу - нормативные коэффициенты запаса по динамическим напряжениям.

Данная методика расчета использована при продлении ресурса рабочих лопаток турбин ГТК-10 на компрессорных станциях ООО «Севергазпром».

ВЫВОДЫ

1. Проведенные экспериментальные исследования влияния различных технологических, конструкционных и эксплуатационных факторов на характеристики сопротивления усталости рабочих лопаток стационарных газовых турбин в процессе длительной (до 112 тыс. часов) позволили выявить особенности снижения предела выносливости рабочих турбинных лопаток ГТУ и разработать мероприятия по его повышению.

2. Установлено влияние структурного состояния металла штампованных из сплава ЭИ893 и литых из сплава ЦНК-7 лопаток на их характеристики сопротивления усталости. Изменение предела выносливости коррелирует с изменением пластических свойств металла.

3. Установлена зависимость снижения предела выносливости от механических повреждений профильной части лопаток в результате соударения с твердыми частицами. Показано, что величина снижения предела выносливости определяется главным образом не формой, а глубиной повреждения,

4. Установлено, что повышение сопротивления усталости турбинных лопаток (на 30% при комнатной и рабочей температурах) вследствие проведения ультразвукового упрочнения сохраняется после изотермической выдержки при эксплуатационной температуре в течение 30 тысяч часов, что обеспечивается низкой скоростью процесса релаксации остаточных напряжений.

5. Разработан комплекс восстановительных технологических операций, позволяющих восстановить физико-механические свойства металла турбинных лопаток и существенно продлить их ресурс. Показана эффективность восстановительной термической обработки для рабочих лопаток ГТ-750-6, ГТК-10 и ГТК-25И с целью восстановления характеристик сопротивления

усталости. Для лопаток из сплава ЦНК-7 разработан режим восстановительной термической обработки.

6. Установлено повышение предела выносливости сплава ЭИ893 при нанесении электронно-лучевых покрытий с внешним керамическим слоем и вакуумно-плазменных металлических и металлокерамических покрытий. Диффузионные алюминидные и хромовые покрытия снижают предел выносливости на 10-25%.

7. Показано, что определяющим критерием оценки остаточного ресурса турбинных лопаток после длительной эксплуатации являются их характеристики сопротивления многоцикловой усталости. Предложен способ расчета остаточного ресурса лопаток на основании результатов испытаний на усталость.

8. На основе проведенных исследований на 30-50 % продлен ресурс 37-ми комплектов рабочих лопаток стационарных ГТУ типа ГТК-10, ГТ-750-6, эксплуатирующихся на КС ООО «Севергазпром» и лопаток ТНД агрегата ГТК-25И.

Основное научное содержание диссертации отражено в публикациях в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Иванов С.А., Рыбников А.И.. Влияние длительной эксплуатации на сопротивление усталости турбинных лопаток. - Морской Вестник, 2006, № 4, с. 19-22.

2. Иванов С.А., Рыбников А.И., Кузнецов В.Г.. Влияние длительной эксплуатации на усталостную прочность лопаток газовых турбин. -Металлообработка, 2006, № 5-6, с. 51-53.

Кроме того, материалы диссертации представлены в следующих публикациях:

3. Рыбников А.И., Масалева E.H., Пигрова Г.Д., Иванов С.А., Крюков И.И. Ресурс лопаток турбин газоперекачивающих агрегатов. - Материалы 5-го научно-технического семинара "Топливно-энергетический комплекс. Надежность, долговечность и безопасность оборудования. Материалы и ресурсосберегающие технологии XXI века", СПб, 1999, с. 30-35.

4. Иванов С.А. Карбидные превращения на границах зерен жаропрочного никелевого сплава ЭИ893 в процессе старения и длительной эксплуатации. - 2-я молодежная школа "Поверхность и границы раздела структур микро- и наноэлектроники", СПб, 1999, с. 35.

5. Elena Р. Manilova, Alexander I. Rybnikov, Iosif I. Krukov, Sergey A. Ivanov. Carbide transformations in inter-granular layers of heat-resistant nickel-base alloy.-The International Symposium on Plasticity and its current applications. Whistler Resort, Canada, 2000, pp. 42-43.

6. Иванов С.А., Иванов A.B., Рыбников А.И., Масалева E.H., Добина Н.И. Исследование рабочих лопаток газовых турбин после наработки для определения возможности их дальнейшей эксплуатации. - Турбины и компрессоры, 2001, № 14, с. 9-13.

/. Иванов С.А., Иванов A.B., Рыбников А.И., Масалева E.H.. Влияние восстановительной термообработки на служебные характеристики металла рабочих лопаток газовых турбин после наработки. - Турбины и компрессоры, 2001, № 16-17, с.34-36 .

8. Mojaiskaia N.V., Rybnikov A.I., Kryukov 1.1., Ivanov S.A. Investigation of carbide transformation in inter-granular layers of heat-resistant nickel-base alloy by electron-probe microanalysis. - 16lh international conference on X-ray optics and microanalysis, Vienna, 2001, p. И 8.

9. Рыбников А.И., Пигрова Г.Д., Крюков И.И, Иванов С.А. Применение защитных покрытий для лопаток стационарных газотурбинных установок. -Труды XVIII совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям, Тула, 2001, с.39-42.

10. Шайдак Б.П., Иванов С.А., Иванов A.B., Рыбников А.И., Масалева E.H. Продление ресурса рабочих лопаток приводных ГТУ. - Труды ЦКТИ, 2002, вып.286, с. 191-204.

11. Иванов С.А.. Продление ресурса рабочих лопаток приводных ГТУ. Обеспечение работы энергооборудования ТЭС и АЭС после сверхдлительной эксплуатации. - Материалы 8-го научно-практического семинара, СПб, 2002, с. 143.

12. Гецов Л.Б., Иванов С.А., Круковский П.Г., Рыбников А.И. Методика оценки ресурса лопаток ГТД без покрытий с учетом процессов высокотемпературной коррозии. - Научные труды Vi Международного симпозиума «Современные проблемы прочности» им. В.А.Лихачева, Старая Русса, 2003, с.347-358.

13. Дашунин Н.В., Иванов С.А., Мошников A.B. Влияние защитных покрытий на усталостную прочность лопаток газовых турбин. - Температуроустойчивые функциональные покрытия, СПб, 2003, том 1, с. 106-111.

14. Шайдак Б.П., Иванов A.B., Иванов С.А. Продление ресурса турбинных лопаток стационарных ГТД. - Газотурбинные технологии, 2003, № 3 (24), с. 42-45.

15. Дашунин Н.В., Иванов С.А., Мошников A.B. Влияние защитных покрытий на усталостную прочность лопаток газовых турбин. - Труды XIX Всероссийского совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям, СПб, 2003, с. 106-1II.

16 Getsov L.B., Ivanov S.A., Mojaiskaia N.V., Rybnikov A.I. Fatigue resistance of high-temperature alloys with protective corrosion-resistant coating. - Revue Internationale d'Ingenieri't des Systèmes de Production Mecanique, 2004, № 8, p. 6064.

17. Шайдак Б.П., Иванов С.А.,. Рыбников А.И. Влияние структурного фактора на конструкционную усталостную прочность рабочих лопаток промышленных ГТУ. - Труды ЦКТИ, 2006, вып. 295, с. 79-89.

ПЛД №69-378 от 09.06.1999.

Ротапринт. Подписано в печать 15.12.2006. Формат бумаги 60x84'/,6.

Объем 1,0 уч. - изд. л. Бумага офсетная. Тираж 90. Заказ 230.

ОАО «НПО ЦКТИ». 191167, Санкт-Петербург, ул. Атаманская, д. 3/6

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Современное состояние проблемы оценки влияния эксплуатационной наработки на изменение служебных свойств турбинных лопаток, пути повышения их эксплуатационных характеристик. Цель и задачи исследований.

1.1 Условия работы и требования к материалу лопаток стационарных ГТУ.

1.2 Основные причины разрушений рабочих лопаток стационарных

1.3 Способы оценки изменения работоспособности турбинных лопаток.

1.4 Природа усталости, методы испытаний и обработки результатов

1.5 Тензометрирование турбинных лопаток.

1.6 Сопротивление усталости лопаток в вероятностном аспекте.

1.7 Обеспечение работоспособности лопаток стационарных ГТУ. 37 1.8. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Материал исследования и методика эксперимента.

2.1. Материал исследования.

2.2. Методика испытаний на усталость и статистическая обработка экспериментальных данных.

2.3. Методика исследований остаточных напряжений.

2.4. Методика исследований состояния структуры и фазового состава металла лопаток.

Глава 3. Никелевые сплавы для рабочих лопаток стационарных ГТУ. Технология изготовления. Структура и фазовый состав. Конструкционные особенности и динамическая напряженность.

3.1. Характеристики материала, особенности технологии изготовления и формирования структуры металла лопаток из никелевых сплавов.

3.2. Особенности конструкции и динамической напряженности турбинных лопаток.

Глава 4. Влияние различных факторов на сопротивление усталости рабочих лопаток стационарных ГТУ.

4.1. Литые лопатки, изготовленные из сплава ЦНК-7.

4.2. Штампованные лопатки, изготовленные из сплава ЭИ893.

4.3. Повышение эксплуатационных характеристик металла турбинных лопаток после длительной эксплуатации. Кинетика изменения и взаимосвязь сопротивления усталости и механических свойств металла.

Глава 5. Изучение накоплений повреждений в поверхностном слое металла лопаток в процессе длительной эксплуатации.

5.1. Влияние поверхностного слоя с измененным составом легирующих элементов на характеристики турбинных лопаток.

5.2. Влияние остаточных напряжений на характеристики металла лопаток.

5.3. Влияние эксплуатационных перегревов на эксплуатационные характеристики лопаток.

5.4. Влияние эксплуатационных механических повреждений на сопротивление усталости лопаток.

Глава 6. Способы повышения ресурса турбинных лопаток и определение критериев оценки остаточного ресурса.

6.1. Восстановительная термическая обработка.

6.2. Поверхностное пластическое деформирование лопаток ГТУ.

6.3. Применение защитных покрытий для рабочих лопаток стационарных ГТУ.

6.4. Критерии оценки остаточного ресурса.

ВЫВОДЫ.

В настоящее время газовые турбины, благодаря таким качествам как малые удельная металлоемкость и трудоемкость изготовления, высокая степень автоматизации управления и эксплуатационная надежность, получили широкое распространение в качестве двигателей различного назначения [1, 2]. Повышение удельной мощности и экономичности современных ГТУ неразрывно связано с интенсификацией процессов преобразования энергии и тем самым, увеличением уровня эксплуатационных нагрузок, воздействующих на их элементы.

На сегодняшний день единичная мощность отечественных промышленных газовых турбин в зависимости от их назначения находится в пределах 4-150 МВт. Основные тенденции в развитии газотурбостроения заключены в увеличении эксплуатационной надежности агрегатов, их ресурса и КПД. Последнее тесно связано с повышением начальной температуры продуктов сгорания.

На компрессорных станциях магистральных газопроводов России для привода нагнетателей природного газа применяются большое количество промышленных ГТУ различной мощности.

В настоящее время большое число этих газотурбинных агрегатов уже выработали назначенный ресурс, либо подходят к его исчерпанию. Так, например, для наиболее распространенного газотурбинного агрегата типа ГТК-10 мощностью 10 МВт производства ОАО «НЗЛ», которых было изготовлено более 1000 штук, из 720 единиц, находящихся в эксплуатации, около 50% выработало свой назначенный ресурс. Ежегодно порядка 30 агрегатов вырабатывают свой ресурс, а к 2010 году наработка большей части агрегатов превысит 200 тыс. часов.

Исследование конструкционной прочности лопаток после столь длительной эксплуатации представляет несомненный научный и практический интерес для турбиностроительных предприятий, т.к. эти результаты не могут быть получены с помощью эквивалентных испытаний.

Состояние действующего парка ГТУ типа ГТК-10. о со Iо Ф т Ц О

CQ О I

05 [

0) Q.

СО

250

200

150

100до 80 80-100 100-120 120-140 140-160 более

160

Наработка, тыс. час

Кроме того, задача продления ресурса узлов и деталей ГТУ при сохранении высокой степени надежности агрегатов представляется достаточно актуальной.

Рабочие лопатки, являющиеся одними из самых ответственных и дорогостоящих деталей в газотурбинных двигателях, подвергаются непосредственному воздействию высокой температуры газового потока, значительным напряжениям от центробежных и аэродинамических сил.

Известно, что с увеличением наработки такой показатель как надежность лопаток, не остается постоянным, а претерпевает изменения даже при расчетных условиях эксплуатации [3]. Это обусловливает необходимость разработки методик и мероприятий, определяющих возможность увеличения их ресурса и повышения надежности работы лопаточного аппарата в процессе длительной эксплуатации.

Данное обстоятельство тесно связано с расширением базы теоретических знаний и экспериментальных исследований в области прочности материалов и механизмов разрушения, рабочих ступеней лопаточного аппарата газовых турбин, обеспечивающих необходимую длительность их эксплуатации, измеряемую десятками тысяч часов [4, 5], разработки и внедрения технологических операций, позволяющих повысить конструкционную прочность, надежность и продлить ресурс лопаток турбин после нормативной эксплуатационной наработки.

Одной из главных причин выхода из строя газоперекачивающих агрегатов (ГПА) являются поломки рабочих лопаток турбин. Основным показателем, определяющим работоспособность лопаток в течение длительной эксплуатации, является их характеристики сопротивления усталости, которые претерпевают изменения в процессе наработки. Сопротивление усталости турбинных лопаток может в значительной степени изменяться вследствие воздействия конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов.

Анализ отказов ряда промышленных турбоагрегатов показал, что примерно в 80% случаев аварии происходят из-за усталостных повреждений лопаток. В «Тюментрансгазе» в период с 1988 по 2000 гг. произошло более 150 отказов турбин по этой причине.

В ходе проведения работ по оценке технического состояния и продлению ресурса ГПА с наработкой, превышающей нормативную (100 тысяч часов), в период с 1998 по 2005 гг. было обследовано более 125 агрегатов типа ГТК-10, установленных на предприятиях ООО «Севергазпром» и ООО «Тюментрансгаз». Опыт обследования показал, что одной из основных причин браковки лопаток являются трещины на профильной части, образовавшихся по причине усталости.

Следовательно, определение доминирующих факторов, влияющих на характеристики сопротивления усталости рабочих лопаток и определяющих их снижение в процессе длительной эксплуатации, является важным предметом для исследований.

Несовершенство конструкции и технологии изготовления, рассеяние механических характеристик материала могут служить причиной пониженного уровня усталостных характеристик новых лопаток.

Однако, даже при условии правильного проектирования и соблюдения оптимальных параметров технологического процесса изготовления лопаток, в эксплуатации имеют место отказы и разрушения лопаток турбин.

Статистические данные, базирующиеся на расследованиях причин аварийного выхода их строя турбин на магистральных газопроводах, свидетельствуют, что абсолютное большинство случаев аварийного выхода из строя стационарных газотурбинных агрегатов связано именно с усталостными разрушениями рабочих лопаток.

Причинами этого могут служить изменения, происходящие с турбинными лопатками в результате длительного воздействия повреждающих эксплуатационных факторов, в той или иной степени, приводящие к снижению их конструкционной прочности.

Таким образом, сопротивление усталости турбинных лопаток с длительной эксплуатационной наработкой не остается постоянной, а претерпевает изменения. Степень снижение характеристик сопротивления усталости зависит от многих факторов конструкционного, технологического и эксплуатационного происхождения.

Анализ механизмов возникновения и степени воздействия отдельных факторов позволит выявить среди них доминирующие, наиболее часто встречающиеся при эксплуатации лопаток и наиболее сильно влияющие на работоспособность лопаток. Для повышения надежности турбинных лопаток с длительной эксплуатационной наработкой и продления их ресурса необходима разработка мероприятий, направленных на снижение их отрицательного влияния на характеристики сопротивления усталости рабочих лопаток стационарных ГТУ.

выводы.

1. Проведенные экспериментальные исследования влияния различных технологических, конструкционных и эксплуатационных факторов на характеристики сопротивления усталости рабочих лопаток стационарных газовых турбин в процессе длительной (до 112 тыс. часов) позволили выявить особенности снижения предела выносливости рабочих турбинных лопаток ГТУ и разработать мероприятия по его повышению.

2. Установлено влияние структурного состояния металла штампованных из сплава ЭИ893 и литых из сплава ЦНК-7 лопаток на их характеристики сопротивления усталости. Изменение предела выносливости коррелирует с изменением пластических свойств металла.

3. Установлена зависимость снижения предела выносливости от механических повреждений профильной части лопаток в результате соударения с твердыми частицами. Показано, что величина снижения предела выносливости определяется главным образом не формой, а глубиной повреждения.

4. Установлено, что повышение сопротивления усталости турбинных лопаток (на 30% при комнатной и рабочей температурах) вследствие проведения ультразвукового упрочнения сохраняется после изотермической выдержки при эксплуатационной температуре в течение 30 тысяч часов, что обеспечивается низкой скоростью процесса релаксации остаточных напряжений.

5. Разработан комплекс восстановительных технологических операций, позволяющих восстановить физико-механические свойства металла турбинных лопаток и существенно продлить их ресурс. Показана эффективность восстановительной термической обработки для рабочих лопаток ГТ-750-6, ГТК-10 и ГТК-25И с целью восстановления характеристик сопротивления усталости. Для лопаток из сплава ЦНК-7 разработан режим восстановительной термической обработки.

6. Установлено повышение предела выносливости сплава ЭИ893 при нанесении электронно-лучевых покрытий с внешним керамическим слоем и вакуумно-плазменных металлических и металлокерамических покрытий. Диффузионные алюминидные и хромовые покрытия снижают предел выносливости на 10-25%.

7. Показано, что определяющим критерием оценки остаточного ресурса турбинных лопаток после длительной эксплуатации являются их характеристики сопротивления многоцикловой усталости. Предложен способ расчета остаточного ресурса лопаток на основании результатов испытаний на усталость.

8. На основе проведенных исследований на 30-50 % продлен ресурс 37-ми комплектов рабочих лопаток стационарных ГТУ типа ГТК-10, ГТ-750-6, эксплуатирующихся на КС ООО «Севергазпром» и лопаток ТНД агрегата ГТК-25И.

1. Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г. Стационарные газотурбинные установки. Справочник.- Л.: Машиностроение, 1989, 543 с.

2. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки.- М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 94.

3. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей,- М.: Машиностроение, 1976, 216 с.

4. Е.Е.Левин, Е.М.Пивник, И.Г.Генерсон. Опыт применения жаропрочного сплава ЭИ893 для изготовления лопаток газовых турбин. Л.: Ленинградский дом научно-технической пропаганды, 1977, с. 5.

5. Ртищев В.В, Храбров П.В., Корсов Ю.Г. Исследования в области служебных характеристик материалов основа повышения надежности и ресурса газовых турбин. - Энергомашиностроение, 1986, № 6, с. 25-30.

6. Манушин Э.А., Суровцев И.Г. Конструирование и расчет на прочность турбомашин газотурбинных и комбинированных установок.- М.: Машиностроение, 1990,400 с.

7. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин.- М.: Машиностроение, 1979, 702 с.

8. Гецов Л.Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин.- М.: Недра, 1996, 591 с.

9. Зальф Г.А. и др. Отработка проточных частей газовых турбин. В кн.: Турбо- и компрессоростроение. - Л.: Машиностроение, 1970, с.219-228.

10. Жирицкий Г.С. Конструкция и расчет на прочность деталей паровых и газовых турбин. М.: Машиностроение, 1986. 520 с.

11. Копелев С.З. Основы проектирования турбин авиадвигателей. М.: Машиностроение, 1988, 328 с.

12. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1993, 240 с.

13. Балашов Б.Ф., Петухов А.Н. и др. Конструкционная прочность материалов и деталей ГТД. Труды ЦИАМ, 1979, 522 с.

14. Трощенко В.Т. и др. Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Справочное пособие. Киев.: Наукова Думка, 1993, 288 с.

15. Кузнецов A.JI. Обеспечение конструкционной прочности рабочих лопаток судовых газовых турбин. Учебное пособие, ч.2. Л., ЛКИ, 1989, 78 с.

16. Левин А.В., Боришанский К.Н., Консон Е.Д. Прочность и вибрация лопаток и дисков паровых турбин. Л.: Машиностроение, 1981, 710 с.

17. Самойлович Г.С. Возбуждение колебаний лопаток турбомашин. М.: Машиностроение, 1975, 288 с.

18. Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин. М.: Машиностроение, 1982, 264 с.

19. Кузнецов Н.Д. Прочность деталей турбин ГТД в условиях сложного нагружения и связанные с ней проблемы.- Пробл. Прочности, 1982, № 3, с. 10-14.

20. Марусий О.И., Коваль Ю.И. и др. Влияние длительной эксплуатации на тонкую структуру поверхностных слоев рабочих лопаток ГТД. Проблемы прочности, 1977, № 10, с. 103-107.

21. Мухин А.А., Ковалев А.А. и др. К вопросу эксплуатации ГТД большого ресурса по техническому состоянию.- Изд. ВУЗов. Авиац. Техника, 1978, №3, с. 153-156.

22. Бойцов Б.В. Прогнозирование долговечности напряженных конструкций. Комплексное исследование шасси самолета М.: Машиностроение, 1985, 232 с.

23. Налимов Ю.С. Исследование динамической напряженности и влияние эксплуатационной наработки на усталостную прочность рабочих лопаток турбин АГТД. Проблемы прочности, 1977, №8, с.34-37

24. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1969, 750 с.

25. Петухов А.Н. Об особенностях возникновения и развития усталостных трещин в деталях ГТД. Авиационно-космическая техника и технология, Харьков, ХАИ, 2005, № 9 (25), с. 56-62.

26. Б.Е.Патон. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита их от окисления. Киев.: Наукова думка, 1987, 258 с.

27. Симе И., Хагель В. Жаропрочные сплавы. -М.: Металлургия, 1976, 576 с.

28. Пигрова Г.Д. Образование в жаропрочных сплавах на никелевой основе а- и ц-фаз, резко снижающих ударную вязкость металла. -Труды ЦКТИ, 1971, вып. 105, с.19.

29. Пигрова Г.Д. Состав у'-фазы в жаропрочных сплавах на никелевой основе. -Труды ЦКТИ, 1975, вып. 130, с.83.

30. Нормы статической и динамической прочности лопаток осевых компрессоров, газовых и паровых турбин». Л., H3J1, 1986, 35 с.

31. Ртищев В.В. и др. Расчетное и экспериментальное исследование ликвационной неоднородности и параметров кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе для нового энергетического оборудования. -Труды ЦКТИ, 1983, вып. 204, с. 13-28

32. Пигрова Г.Д. О методах прогнозирования ТПУ-фаз в сплавах на никелевой основе, применяемых для газовых турбин. Труды ЦКТИ, 1980, вып. 172, с. 59-65.

33. ТУ 108.641-77. Технические условия. Установка газотурбинная типа ГТК-10-4,-Л., НЗЛ, 1977, 45 с.

34. Козлов С. А., Балашов Б.Ф. Вероятностная оценка характеристик сопротивления усталости и действующих напряжений в деталях машин в связис расчетом на прочность при многоцикловом нагружении. Проблемы прочности, 1983, №5, с.59-64.

35. Голенышша Л.Г., Мосягин В.Е., Сорокин Ю.Г. Исследование металла лопаток из сплава ЭИ893 после длительной эксплуатации в газовых турбинах.-Энергомашиностроение, 1980, №12, с.27-29.

36. Сулима A.M., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1974, 256 с.

37. Пивоваров В.А. Эксплуатационная повреждаемость лопаток турбин авиационных силовых установок. М., Транспорт, 1977, 120 с.

38. Газоперекачивающий агрегат с газотурбинным приводом типа ГТК-10-4. Инструкция по эксплуатации 194 ИЭ.- JI, H3JI, 1981, 86 с.

39. Гордеева Т.А., Жегина И.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.: Машиностроение, 1978, 200 с.

40. Иванов А.В. Выносливость турбинных лопаток ГТУ при длительной эксплуатации и способы повышения их ресурса. Дисс. на соискание ученой степени кандидата тех.н., Л., 1987, 186 с.

41. Исследование влияния эксплуатационных факторов с целью установления технически обоснованного ресурса лопаточного аппарата осевого компрессора и газовой турбины. Отчет НЗЛ, 1980, 120 с.

42. Петухов А.Н. Совершенствование конструкций ГТД, технологий и вопросы конструкционной прочности. Тяжелое машиностроение, 2006, № 1, с. 2-4.

43. Вибрации в технике. Справочник в 6 т. Том 3. М.: Машиностроение, 1980, 544 с.

44. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977, 232 с.

45. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М.: Металлургия, 1978, 304 с.

46. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. Руководство и справочное пособие. М.: Машиностроение, 1975, 488 с.

47. НД 6311.301.0216-03-2000. Технические условия на усталостные испытания рабочих лопаток газотурбинных установок, поставляемых предприятиями ОАО «Газпром», 2000,18 с.

48. ГОСТ 25.507-85. Методы испытаний на усталость при эксплуатационных режимах нагружения. Изд. Стандартов, 1985, 32 с.

49. Захарова Т.П. К вопросу о статистической природе усталостной повреждаемости сталей и сплавов. Проблемы прочности, 1974, №4, с. 17-23.

50. Захарова Т.П. Об оценке минимальных пределов выносливости на основе представлений о двух механизмах усталостного повреждения металлов. -Машиноведение, 1974, №2, с. 53-60.

51. Глухов Ю.А., Сапрыкин В.Г. и др. Оценка остаточного ресурса деталей с термоусталостными трещинами. Тезисы докладов VII Всесоюзной научно-технической конференции, Куйбышев, 1980, с. 23-26.

52. Степнов М.Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний. М.: Машиностроение, 1972, 232 с.

53. Биргер И.А., Балашов Б.Ф. и др. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей. Под ред. И.А. Биргера и Б.Ф. Балашова.-М.: Машиностроение, 1981, 222 с.

54. Когаев В.П. Методы статистической обработки результатов усталостных испытаний. Обзор завод, лабор., 1975, № 5, с. 612-620.

55. Степнов М.Н., Гиацинтов Е.В. Усталость легких конструкционных сплавов. М.: машиностроение, 1973, 317 с.

56. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ результатов. М.: Машиностроение, 1964, 275 с.

57. Бауэр В.О., Шорр Б.Ф. Влияние расстройки частот лопатки на резонансные колебания. В кн.: Прочность и динамика авиационных двигателей. М., 1971, вып. 6, с. 75-98.

58. Степнов М.Н. Оценка вероятности разрушения при усталостных испытаниях. Завод, лаборатория, 1962, № 7, с. 839.

59. Капралов В.М. Динамическая напряженность консольных лопаток турбокомпрессоров ГТД. Пробл. Прочности, 1985, № 3, с. 108-113.

60. Сиротин Н.Н., Коровкин Ю.М. Техническая диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1979, 272 с.

61. Шорр Б.Ф., Локштанов Е.А., Халатов Ю.М. Об одном возможном подходе вероятностной оценки вибрационной прочности деталей турбомашин. -Проблемы прочности, 1972, № 11, с. 11-14.

62. Ищенко И.И. и др. О некоторых закономерностях изменения сопротивления усталости жаропрочных никелевых сплавов при совместном действии переменных и статических нагрузок. Проблемы прочности, 1985, № 3, с.108-113.

63. Петросов В.В. Повышение долговечности и надежности деталей гидродробеструйной обработкой. Вестник машиностроения, 1977, № 4, с. 60-62.

64. Жученко Э.И., Фридмидер И.Г. Прогнозирование долговечности и ресурса лопаток компрессоров ГТД. Изд. ВУЗов, Авиац. Техника, 1973, № 4, с. 130134.

65. Кордонский Х.Б., Фридман Я.Ф. Некоторые вопросы вероятностного описания усталостной долговечности. Обзор завод, лаборатория, 1976, № 7, с. 828-847.

66. Кордонский Х.Б., Фресин Б.С. Форсированные испытания на усталость методом «доламывания». Завод, лаборатория, 1967, № 3, с. 221-231.

67. Серенсен С.В. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению.- М.: Атомиздат, 1975, 192 с.

68. Черных В.И. Надежность и ресурс авиационных газотурбинных двигателей. Учебное пособие. Изд-во высшего военного инж. Авиац. Училища Я. Алксинса, Рига, 1974, 42 с.

69. ГОСТ 25.502-79. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. Изд. Стандартов, 1980, 32 с.

70. ОСТ 100870-77. Лопатки газотурбинных двигателей. Методы испытаний на усталость. Изд-во стандартов, 1977, 83 с.

71. Сулима A.M., Серебренников Г.З. Расчет при высокочастотных напряжениях на выносливость в условиях высоких температур. Тр. Моск. Авиац. ин-та, 1976, вып.З, с. 60-93.

72. Кузнецов Н.П., Марков Е.В., Миререр Я.Г. Устройство для передачи деформации образцов. Авторское свидетельство № 199468 (СССР).

73. Подзей А.В., Сулима A.M. и др. Технологические остаточные напряжения .М.: Машиностроение, 1974, 216 с.

74. Биргер И.А. Остаточные напряжения.- М.: Машиностроение, 1963, 232 с.

75. Ковалев B.C. Металлографические реактивы. Справочник. М.: Металлургия, 1970, 133 с.

76. Металлография железа. Том 1. «Основы металлографии». Пер. с англ. -Металлургия, 1972, с. 44-45.

77. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976, 272 с.

78. Рыбников А.И. Методы микрорентгеноспектрального анализа и его применение для исследования жаропрочных сплавов. Труды ЦКТИ, 1975, вып. 130. с. 245-249.

79. Левин Е.Е., Пивник Е.М. Прогрессивные методы термической обработки высоколегированных жаропрочных сплавов, Л., 1960, 34 с.

80. Жаропрочные сплавы для газовых турбин. Материалы международной конференции. Ред. Д. Которадис, П. Феликс, X. Фишмайстер и др. Пер. с англ. под ред. Р.Е. Шалина. М.: Металлургия, 1981, 480 с.

81. Фридляндер И.Н. Исследование форм роста кристаллов в зависимости от скорости охлаждения. Минавиапром, Труды № 95, 1949, 56 с.

82. Бокштейн С.З., Бронфин М.Б, Другова И.А. Свойства интерметаллидных фаз в никель-алюминиевых сплавах. Современные способы упрочнения деталей машин термообработкой, Ташкент, 1973, с.56-61.

83. Эндзелин М.А., Филатова М.А., Свистунова З.В., Нудэ Л.А.Термическая обработка сплава ЭИ893ВД.- Энергомашиностроение, № 11, 1983 г., с. 16-18.

84. ГОСТ 5639-85. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. Изд-во стандартов, 1985, 45 с.

85. Ртищев В.В, Иванов А.В. Прогнозирование и продление ресурса рабочих лопаток приводных ГТУ компрессорных станций магистральных газопроводов. Труды ЦКТИ, 1990, вып. 260, с. 110-120.

86. Третьяченко Г.Н., Кравчук J1.B. Несущая способность лопаток газовых турбин при нестационарном тепловом и силовом воздействии. Киев.: Наукова думка, 1975, 296 с.

87. Масалева Е.Н., Рычкова JI.B. Влияние глубины обезлегированного слоя и шероховатости поверхности точнолитых отливок из сплава ЖС6К на длительную и усталостную прочность. Труды ЦКТИ, 1979, вып. 169. с. 87-94.

88. Гецов Л.Б., Рыбников А.И. и др. Влияние поверхностного обезлегирования жаропрочных сплавов на их долговечность. Проблемы прочности, 1989, № 2, с.28-31.

89. Форрест П. Усталость металлов.- М.: Машиностроение, 1968, 352 с.

90. Кравченко Б.А., Папшев Д.Д., Колесников Б.И. Повышение выносливости и надежности деталей машин и механизмов. Куйбышевское книжное издательство, 1968, 131 с.

91. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. -М.: Машиностроение, 1977, 166 с.

92. Рыбников А.И., Масалева Е.Н., Добина Н.И., Иванов С.А., Иванов А.В. Исследование рабочих лопаток газовых турбин для определения возможности их дальнейшей эксплуатации. Турбины и компрессоры, 2001, № 14, с. 9-13.

93. Кудрявцев И.В. Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1969, 100 с.

94. Бавельский Д.М., Иванов А.В. и др. Влияние поверхностно-пластического деформирования на качество поверхности и усталостную прочность а-сплава титана. Проблемы прочности, 1980, №8, с. 109-111.

95. Бляшко Я.И., Волосатов В.А., Бавельский Д.М., Богорадовский Г.И., Вероман В.Ю., Иванов А.В. Повышение усталостной прочности лопаток стационарных ГТД методом ультразвукового упрочнения шариками. -Проблемы прочности, 1980, №7, с. 112-115.

96. Кишкина С.И. Поверхностный наклеп высокопрочных материалов. ВИАМ, ОНТИ, 1971,253 с.

97. Кулемин А.В., Кононов В.В., Стебельков И.А. Повышение усталостной прочности деталей путем ультразвуковой поверхностной обработки. -Проблемы прочности, 1981, №1, с.70-74.

98. Рахмарова М.С., Мирер Я.Г. Влияние технологических факторов на надежность лопаток газовых турбин. М.: Машиностроение, 1966, 233 с.

99. Бляшко Я.И., Волосатов В.А., Бавельский Д.М., Вероман В.Ю. Характеристики поверхностного слоя некоторых лопаточных материалов после ультразвукового упрочнения. Энергомашиностроение, 1977, №5, с. 25-26.

100. Сулима A.M., Москаленко А.И. Механотермическое упрочнение поверхностного слоя лопаток из жаропрочных сплавов. Проблемы прочности, 1976, №8, с. 114-117.

101. Яценко В.К., Стебельков И.А. и др. поверхностное упрочнение лопаток газотурбинных двигателей в ультразвуковом поле. Проблемы прочности, 1985, №8, с. 68-71.

102. Цейтлин В.И., Колотникова О.В. Релаксация остаточных напряжений в деталях турбины ГТД в процессе эксплуатации. Проблемы прочности, 1980, № 8, с. 46-48.

103. Никитин В.И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. Л., Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987, 272 с.

104. Коломыцев П.Т. Жаростойкие диффузионные покрытия. М.: Металлургия, 1979, 272 с.