Текст для страницы Повышение ресурса работы оборудования ТЭС на основе применения защитных покрытий
2 (2002 г.) Общие вопросы электроэнергетики
ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ
ИЗНОСОСТОЙКИХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
К.т.н. В. К. Крайнов (РАО "ЕЭС России")
Надежность работы и ресурс теплотехнического оборудования в значительной мере
зависит от степени износа рабочих поверхностей оборудования. Производитель электрической и тепловой энергии как в нашей стране, так и за рубежом, в своей
практической деятельности сталкиваются с интенсивным износом (разрушением
поверхностных слоев) различного оборудования турбин, парогенераторов,
теплообменников, запорной и регулирующей арматуры, насосов и др. Для отечественной энергетики проблема износостойкости оборудования ТЭС в современных условиях и на ближайшую перспективу приобретает особую значимость, обусловленную, в первую очередь, состоянием теплотехнического оборудования, часто уже исчерпавшего свой ресурс, но по-прежнему находящегося в эксплуатации.
Результаты анализа отказов и повреждений лопаточных аппаратов свыше 40 мощных паровых турбин, установленных на электростанциях Центрэнерго, за период с 1960 по 2000 гг., показывают (рис. 1), что наибольшее число отказов обусловлено эрозионными, коррозионными и коррозионно-усталостными повреждениями, которые в свою очередь в значительной степени являются не только решающим фактором снижения ресурса работы, но и причиной обрыва лопаток. Повреждения рабочих лопаток (РЛ) в наибольшей степени влияют на простой турбин при восстановительном ремонте.
|
Рис. 1. Статистика повреждений лопаточного аппарата паровых турбин |
На сегодняшний день возможности существенного повышения износостойкости оборудования за счет улучшения свойств применяемых конструкционных материалов, внедрения более совершенных конструктивных и технологических решений, организации оптимальных водно-химических режимов практически исчерпаны. Поэтому в настоящее время для решения проблемы продления ресурса работы теплотехнического оборудования ТЭС, эксплуатирующегося при одновременном воздействии целого комплекса разрушающих факторов (эрозия, коррозия, эрозия-коррозия и др.) (рис. 2) необходимо значительно повысить износостойкость конструкционных материалов. В современных условиях эксплуатации энергетического оборудования это можно осуществить через внедрение защитных покрытий.
Рис. 2. Основные причины поверхностных повреждений
элементов энергетического оборудования
1 - эрозия при капельном воздействии; 2 - эрозия при воздействии агрессивных частиц;
3 - коррозия в процессе эксплуатации;
4 - коррозия в период ремонтов и простоев; 5 - коррозионное растрескивание
конструкционных материалов; 6 - эрозия-коррозия; 7-кавитация
Для этой цели проводилась разработка технологии формирования универсального защитного покрытия конструкционных материалов, обладающего высокой эрозионной и коррозионной стойкостью.
В качестве универсального защитного покрытия предложено многослойное покрытие, получаемое в вакууме, состоящее из тонких слоев нитридов и оксидов эрозионно- и коррозионно-стойких материалов.
В результате проведенной работы определены:
> эрозионная и коррозионная стойкость стали 20Х13 с универсальным вакуумным ионно-плазменным покрытием;
> усталостные характеристики стали 20Х13 с универсальным вакуумным ионно-плазменным покрытием, в том числе и в коррозионно-активной среде;
> эффективность применения универсального вакуумного ионно-плазменного
покрытия при воздействии растягивающих напряжений эксплуатационного уровня в
лопатках паровых турбин.
Ионно-плазменные покрытия на элементах теплотехнического оборудования сложной конфигурации и большой относительной длины характеризуются следующими параметрами:
> эрозионная стойкость покрытия на 30% выше, чем у широко применяемого стеллита;
> сопротивление покрытия воздействию язвенной коррозии сопоставимо с сопротивлением массивного титана;
> высокая эффективность покрытия сохраняется при воздействии растягивающих напряжений эксплуатационного уровня в условиях коррозионно-активной среды;
> процесс формирования покрытия не оказывает негативного влияния на механические свойства и структуру конструкционных материалов;
> предел выносливости лопаточной стали с покрытием увеличивается на воздухе на 15%, а в коррозионно-активной среде (NaCl) - на 100%.
Разработана методика проведения натурных испытаний и произведена установка лопаток с универсальным вакуумным ионно-плазменным покрытием на турбинах 16, 60, 65, 100 и 135 МВт.
На первом этапе определялись свойства и параметры формирования покрытий, обеспечивающих повышение стойкости конструкционных материалов к каплеударной эрозии.
В результате испытаний серии образцов получена кривая кинетики эрозии (рис. 3), определяющая зависимость средней глубины эрозионного износа (Е, м) от массы жидкости (Gв, кг), попавшей на единицу эродированной площади поверхности (&р, м2).
Рис. 3. Типичная кривая кинетики эрозии металлов при каплеударном воздействии
Процесс эрозионного разрушения металлических поверхностей лопаток турбин характеризуется тремя основными периодами:
> инкубационным, в течение которого удельная масса жидкости, попавшей на середину поверхности не превышает М0;
> с максимальной скоростью эрозии, которая достигается при удельной массе жидкости от M1 до М2 и при которой наступает разрушение.
Под скоростью эрозии здесь понимается приращение глубины эрозионного износа к приращению массы жидкости, попавшей на единицу площади поверхности, - на рис.3 характеризуется углами а (максимальная скорость) и р (установившаяся скорость эрозии).
Наиболее важными, с точки зрения ресурса работы лопаток турбин, являются величины инкубационного периода (М0) и периода с установившейся скоростью эрозии (М2), а также само значение скорости эрозии.
Исследования по определению влияния температуры процесса формирования покрытий из нитрида титана (ТiN) на эрозионную стойкость проводились в интервале температур от 100 до 330°С. Получено, что с ростом температуры эрозионная стойкость увеличивается (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость относительной эрозионной стойкости образцов
с покрытиями из нитрида титана (толщина покрытия 9 мкм)
от температуры начала осаждения первых слоев покрытия
Минимально допустимое, с точки зрения практического применения, значение относительной эрозионной стойкости (£отн>2) было получено при температуре 200°С. Повышение температуры подложки выше 330°С нецелесообразно в связи с тем, что дальнейший рост эрозионной стойкости незначителен, а высокий уровень температур может вызвать нежелательные изменения механических свойств металла. Таким образом, определен оптимальный диапазон значений температуры начала формирования покрытий.
Исследования для определения влияния на эрозионную стойкость толщины ионно-плазменных покрытий показали, что увеличение толщины покрытий приводит к увеличению их защитных свойств и, как следствие, к повышению эрозионной стойкости лопаточной стали.
Кроме температуры формирования и толщины покрытий существенное влияние на их эксплуатационные свойства оказывает состояние поверхности, на которую наносится покрытие. Возможность предварительной обработки поверхности ионами с высокой энергией является отличительной особенностью всех ионно-плазменных технологий. За счет обработки поверхности потоком высокоэнергетических частиц возможно дополнительно добиваться модификации поверхностных свойств материалов, что обычно положительно сказывается на свойствах формируемых покрытий.
Проведенные результаты исследований показывают (рис.5), что продолжительность обработки поверхности ионами аргона существенно влияет на эрозионную стойкость формируемых покрытий как для относительно малых толщин покрытий (2,5 мкм), так и для покрытий большой толщины (9 мкм и более).
Коррозионная стойкость покрытий изучалась электрохимическими методами с построением анодных поляризационных кривых. Критерием коррозионной устойчивости являлось значение потенциала пробоя.
Рис. 5. Зависимость относительной эрозионной стойкости от продолжительности
стадии ионной очистки при разной толщине покрытия из нитрида титана
Исследования коррозионной стойкости однослойных покрытий TiN показали, что его защитные свойства как антикоррозийного покрытия низки независимо от толщины покрытия (кривая 2, рис. 6) в связи с тем, что такого рода покрытия имеют пористую структуру, поэтому были исследованы многослойные покрытия, в которых в качестве первого слоя (подслоя) использовался коррозионно-стойкий металл - титан.
В частности установлено:
> при толщине подслоя чистого титана 0,6 мкм потенциал пробоя стали 20Х13 увеличивался более чем в 3 раза (кривая 3);
> при толщине подслоя примерно 5 мкм - поляризационные характеристики стали становятся близки к характеристике массивного титана (кривые 4 и 5).
Рис. 6. Поляризационные характеристики образцов из Ti (кривая 5)
из стали 20Х13 с защитными покрытиями:
1 – покрытия нет; 2 – 2–8 мкм TiN; 3 – 0,6 мкм Ti+1 мкм TiN; 4 – 5 мкм Ti+6 TiN
Рис. 7. Результаты усталостных испытаний на воздухе образцов из стали 20Х13
Рис. 8. Результаты усталостных испытаний в растворе NaCl образцов из стали 20Х13
С учетом того, что интенсивно изнашиваемые элементы оборудования ТЭС, как правило, в процессе эксплуатации подвергаются значительным динамическим нагрузкам (наиболее характерным примером являются рабочие лопатки последних ступеней мощных паровых турбин), были проведены усталостные и коррозионно-усталостные испытания образцов лопаточной стали без покрытия и с многослойным износостойким покрытием (рис. 7 и 8).
Результаты исследований свидетельствуют:
> предел выносливости на воздухе образцов с покрытием примерно на 15% выше предела выносливости исходных образцов;
> ограниченный предел выносливости на базе 5Х10 циклов в растворе NaCl образцов с многослойным покрытием (240 МПа) в два раза больше чем у образцов без покрытий (120 МПа).
Таким образом комплекс выполненных исследований позволяет сделать вывод о перспективности использования в энергетике универсальных защитных покрытий, повышающих ресурс элементов энергетического оборудования по меньшей мере до расчетного, а в ряде случаев значительно его увеличивающих (в 3-4 раза) за счет существенного уменьшения (или полного исключения в период расчетного ресурса) эрозионного, коррозионного и коррозионно-эрозионного износа поверхности конструкционных материалов.
Литература
1. Акользин П.А. Коррозия и защита металла теплоэнергетического оборудования.Энергоиздат,
2. Влияние обработки поверхности ионами аргона на эрозионную стойкость лопаточных сталей / В.А. Рыженков, В.К. Крайнов, С.Н. Погорелов и др. Прикладная физика, 2001, ¹ 2.
3. Ольховский Г.Г. Проблемы технического перевооружения и продления ресурса турбинного оборудования электростанций. Всероссийское совещание "Проблемы технического перевооружения и продления ресурса турбинного оборудования электростанций", 1999.
4. Рыженков В.А., Нестеров С.Б., Погорелов С.Н. Исследование износостойких защитных покрытий на основе нитрида титана. Тр. шестой научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Вакуумная наука и техника". Гурзуф, 1999.
5. Паули В.К. Разработка и реализация управления надежностью теплоэнергетического оборудования тепловых электростанций: Дис. доктора техн. наук. М., 1997.
6. Пряхин В.А., Поваров О.А., Рыженков В.А. Проблемы эрозии рабочих лопаток паровых турбин. Теплоэнергетика, 1984, ¹ 10.
7. Влияние язвенной коррозии на сопротивление усталости лопаточных материалов /А.И. Лебедева, В.С. Соколов, В.Ф. Резинских, А.Ф. Богачев. Теплоэнергетика, 1992, ¹ 2.
8. Исследование антикоррозионных свойств износостойких покрытий для защиты рабочих лопаток паровых турбин мощных энергоблоков / В.А. Рыженков, С.Н. Погорелов, С.И. Нефедин. Вестник МЭИ, 2001, ¹ 5.
9. Явельский М.Б., Шилин Ю.П. Эрозия выходных кромок рабочих лопаток и мероприятия по ее устранению. Энергомашиностроение, 1981.
При проектировании оборудования наши специалисты используют современные программные продукты, позволяющие получить 3D-модели изделий и оптимизировать их конструкцию.
Наша основная задача состоит в постоянном повышении качества и объемов выпускаемой продукции для обеспечения возрастающих потребностей ведущих предприятий страны и Ближнего Зарубежья, работающих в нефтегазовой отрасли энергетике химической, фармацевтической, пищевой промышлености.
