Эксплуатационные повреждения и разрушение металла деталей горячего тракта газотурбинных установок

Надежность и безопасность систем жизнеобеспечения, в том числе энергетических, формируются как в процессе строительства, так и при эксплуатации. Помимо проектно-технологических особенностей строительства должны быть известны параметры изменчивости свойств материалов, например, при повышенных или пониженных температурах, в условиях воздействия агрессивных сред. Изучение процессов деградации при эксплуатации позволяет совершенствовать существующие материалы и разрабатывать новые, с более высоким уровнем свойств, что необходимо как для повышения проектных характеристик, так и для предупреждения аварий и катастроф объектов техносферы.

Работоспособность деталей горячего тракта во многом определяет надежность энергетических газотурбинных установок (ГТУ), сбои работы которых особенно опасны для регионов с холодным климатом. Между тем высокий уровень нагрузок и значительные амплитуды их сезонных и среднесуточных колебаний (часто возникает необходимость повышения температуры рабочего тела) предъявляют особо жесткие требования к материалам ресурсоопределяющих деталей ГТУ Севера. Цель данной работы — изучение механизма деградации и разрушения металла листовой детали (ЛД) камеры сгорания и рабочих лопаток ГТУ, эксплуатирующейся в зоне климатически низких температур.

Для исследования фазового и структурного состояния жаропрочных никелевых сплавов, из которых выполнены разрушившиеся после относительно длительной эксплуатации детали горячего тракта ГТУ, использованы методы оптической микроскопии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии, проведен микрорентгеноспектральный анализ, замерены значения микротвердости. Для оценки исходного состояния металла ЛД анализировали участки, располагающиеся в местах ее крепления (здесь перегрев наименее вероятен ввиду интенсивного отвода тепла в массив окружающего металла); с этой же целью из лопатки были вырезаны образцы и подвергнуты восстановительной термообработке по стандартному режиму.

Листовая деталь изготовлена из малолегированного деформируемого сплава (по сертификату ЭИ868); лопатка — из литейного коррозионностойкого сплава ЧС-70. Фрагменты ЛД носят следы макродеформации и имеют множественные растрескивания, свидетельствующие об исчерпании пластичности. Окончательное разрушение исследованной лопатки ускорили удары осколков другой лопатки во время работы турбины.

Исследование фрагментов ЛД выявило значительные различия по химическому составу и размерам зерен, обусловленные перераспределением легирующих элементов и развитием рекристаллизации. На наиболее термонапряженных участках происходит интенсивное растворение у-фазы в основном металле, последующее выделение новых более крупных частиц этой фазы, огрубление зернограничных выделений, что резко снижает жаропрочность. Наблюдается значительное количество частиц у-фазы пластинчатой модификации, что указывает на большую степень ее некогерентности с матрицей (фактор, способствующий разупрочнению при высоких температурах). Выход высокотемпературной поврежденно- сти на уровень возникновения межзеренных эллиптических полостей и микротрещин, а также внутренней пористости по толщине листа; это свойственно развитию разрушения по механизму ползучести (путем зарождения и последующего объединения пор во внутренних слоях). Таким образом, материал разрушившейся ЛД имеет недостаточное сопротивление развитию высокотемпературной деградации при длительном динамическом контакте с газовой средой камеры сгорания ГТУ, работающей в зоне с холодным климатом.

Анализ металла разрушившейся лопатки также выявил ограниченный ресурс его применения в северной ГТУ из-за накопления необратимых изменений в структуре уже при наработке менее 10000 ч. В металле спинки лопатки, где напряжения максимальны, отмечена повышенная концентрация дефектов: высокая плотность дислокаций, полосы скольжения и многочисленные сверхструктурные дефекты упаковки внутри частиц интерметаллидной у-фазы. Появление таких дефектов является показателем деградации структуры сплава, поскольку интерме- таллид в этом случае фактически перестает выполнять функцию упрочняющей фазы. Разупрочнение интерметаллидной фазы, накопление тугоплавких элементов в карбидной фазе и обеднение ими твердого раствора вблизи границ зерен, возникновение пористости инициировали развитие усталостных трещин в лопатке. Так, на торце ее замковой части определяются трещины длиной от 3 до 15 мм с раскрытием практически по всей длине на 0,2-0,4 мм. Одна из трещин имеет длину 10 мм с раскрытием в устье 1-2 мм.

Работоспособность исследованных деталей в жестких условиях эксплуатации «северных» ГТУ не удовлетворяет критерию назначенного ресурса. Разрушение деталей связано с преждевременным накоплением в структуре различного рода обратимых и необратимых дефектов. В результате на определенном этапе их эксплуатация продолжается при уменьшении запаса пластичности, переходе металла к ускоренной стадии ползучести, росте вероятности хрупкого и усталостного разрушения. Увеличение времени работы деталей возможно либо при понижении уровня рабочих температур, либо при переходе на другой жаропрочный сплав с более высокой рабочей температурой; также возможно проведение превентивных ремонтных или защитных мероприятий до начала образования необратимых дефектов (микропор и микротрещин).

Дата публикации: 18.03.2012

Похожие записи:

• Компьютерное моделирование процесса образования продуктов реакции при сжигании жидких топлив
• Новые принципы создания тепловых генераторов на основе методов импульсного сжигания углеводородов непосредственно в водном теплоносителе
• Котел-утилизатор твердых бытовых отходов с рециркуляцией дымовых газов как способа сокращения вредных выбросов
• Электроснабжение летней дойки от микрогэс
• Моделирование установившихся режимов в сетях с импульсными преобразователями
• Особенности передачи технологическом информации по силовым высоковольтным линиям