Порядок проведения контроля металла деталей ГТУ

Для продления ресурса эксплуатации деталей ГТУ сверх установленного предприятием-изготовителем срока рекомендуется выполнить:

- анализ условий эксплуатации;

- изучение результатов контроля металла в исходном состоянии и за весь отработанный срок;

- контроль геометрии детали (при необходимости);

- исследование структуры и свойств металла (с вырезкой или без вырезки проб из габаритных деталей или на демонтированных лопатках, шпильках и других малогабаритных деталях);

- анализ опыта эксплуатации соответствующих деталей;

- расчет остаточного ресурса. Весь ресурс принят за 1, доля остаточного ресурса < 1.

4.2. Расчет остаточной долговечности деталей ГТУ основывается на оценке напряженного состояния металла в характерных тепловых и аварийных режимах. Расчетная оценка поврежденности учитывает основные факторы нагружения, приводящие к исчерпанию запаса длительной прочности и ползучести, поврежденности от мало- и многоцикловой усталости.

Для расчета остаточной долговечности рекомендуется использовать полную информацию о режимах эксплуатации, хранимую на электростанциях на бумажных и магнитных накопителях:

- параметры установки в типовых и аварийных режимах (температура, давление, мощность, длительность), условия окружающей среды, значения неравномерностей температур газа за турбиной;

- геометрические размеры детали (при необходимости);

- характеристики физико-механических и жаропрочных свойств;

- скорость подрастания обнаруженных трещин в отдельных деталях (корпусных и др.).

Остаточный ресурс определяется по формуле
, (1)
где: d_о - относительная величина остаточного ресурса (d₀ < 1);

А - поврежденность, соответствующая разрушению (принимаем < 0,5);

D_c - поврежденность от ползучести, накопленная при эксплуатации;

D_у - поврежденность от много- и малоцикловой усталости, накопленная при эксплуатации;

d_f - поврежденность от цикличности нагружения (одного пуска-останова);

d_s - поврежденность от ползучести за 1 ч работы при напряжении а и температуре стационарного режима;

t_о - длительность действия нагрузки в стационарном режиме.

4.3. К эксплуатации сверх установленного ресурса допускаются элементы, металл которых удовлетворяет критериям оценки состояния, приведенным в разделе 6 настоящей Инструкции, а также расчетам остаточного ресурса.

5.2. Корпусные детали турбин и компрессоров при наличии трещин глубиной:

- менее 40 % номинальной толщины стенки корпуса турбины или компрессора (литье, листовой прокат); после их выборки следует заварить место выборки;

- 40 % и более номинальной толщины стенки корпусов; при оценки надежности состояния металла и возможности заварки мест выборки следует вырезать заготовку металла вблизи места расположения трещин, позволяющую изготовить два ударных образца размером 10×10×55 мм и два разрывных образца длиной 36 мм и диаметром головки 6 мм для определения уровня механических свойств.

5.3. Детали проточной части турбин:

5.3.1. Для принятия решения о продлении срока службы цельнокованых роторов (или их частей) турбин, исчерпавших свой ресурс, после проведения дефектоскопии следует провести:

- исследование МР микроструктуры металла полотна диска первой по ходу газа ступени ротора турбины в двух диаметрально противоположных точках;

- измерение твердости металла полотна диска первой по ходу газа ступени ротора турбины в тех же зонах;

- расчетно-конструкторский анализ обеспечения нормативных требований по запасам прочности и долговечности.

5.3.2. Для принятия рекомендаций о продлении срока службы поврежденных или исчерпавших ресурс металла сопловых и рабочих лопаток турбины после проведения дефектоскопии всей ступени рекомендуется отобрать 1 - 2 лопатки каждой ступени ротора для проведения следующих исследований основного металла (пера и хвоста):

- химического анализа;

- макро- и микроструктуры по высоте и ширине пера и хвоста;

- механических свойств при комнатной и рабочей температурах, 100-часовой длительной прочности на соответствие требованиям ТУ;

- жаропрочных свойств с определением значения предела длительной прочности;

- расчетно-конструкторского анализа обеспечения нормативных требований по запасам прочности и долговечности.

С учетом поврежденности поверхности металла и фактических значений характеристик механических и жаропрочных свойств, а также структуры определяется возможность проведения восстановительной обработки (механической со снятием поврежденного поверхностного слоя и термической).

При наличии антикоррозионного защитного или термобарьерного покрытия на лопатках для оценки его состояния и определения возможности восстановления рекомендуется:

- измерить толщину;

- определить характер микроповреждений;

- измерить твердость (микротвердость);

- исследовать микроструктуру;

- провести микрорентгеноструктурный анализ.

5.3.3. Шпильки корпусов цилиндров турбин.

Для принятия решения о продлении срока службы крепежа после проведения дефектоскопии и измерения твердости металла на 100 % шпилек из работавших в горячих зонах разъема корпуса цилиндра отбирается одна, имеющая наименьшую твердость, а другая - максимальной твердости для исследования соответствия их механических свойств нормативным документам.

Твердость измеряется на торце шпильки, количество отпечатков рекомендуется не менее двух.
6. Нормы и критерии оценки качества металла основных деталей ГТУ
6.1. Корпусные детали турбин и компрессоров
6.1.1. Критерием надежности металла корпусов цилиндров турбин и компрессоров является соответствие их механических свойств нормам технических условий (таблица 4).

В случае несоответствия результатов испытаний механических свойств нормам технических условий вопрос о необходимости дополнительных испытаний для установления причин повреждения определяет профильный НИИ.

На поверхности корпусных деталей не допускаются трещины и грубые механические повреждения. Допустимые дефекты металлургического происхождения должны соответствовать нормам [13]. Вопрос о выборке и заварке трещин в труднодоступных местах рекомендуется согласовывать с предприятием-изготовителем и профильным НИИ.
6.2. Роторы турбины
6.2.1. На поверхности роторов турбин и компрессоров до и после их эксплуатации (концевые части валов, осевой канал, обод, гребни, полотно, ступица, галтели дисков, полумуфты, тепловые канавки) не допускаются дефекты, превышающие требования [14] (например, трещины, скопления и крупные одиночные неметаллические включения, флокены, раковины, остатки усадочных рыхлот).

Кроме этого, после эксплуатации на поверхности всех элементов роторов не допускаются трещины, коррозионные язвы, следы эрозионного износа, нарушающие их первоначальную геометрию, следы задеваний и механических повреждений, грубые риски и следы электроэрозии на поверхности шеек в местах посадки подшипников, грубые риски на призонных поверхностях отверстий под болты на полумуфтах, превышающие нормы предприятия - изготовителя турбины.

В процессе эксплуатации не допускаются изменения вследствие ползучести металла диаметра дисков и геометрических размеров хвостовых соединений горячих зон ротора, выходящие за пределы установленного допуска.

Таблица 4 – Механические свойства при температуре 20С металла корпусов цилиндров и компрессоров по НД

6.2.2. Недопустимы превышения рабочей температуры при эксплуатации:

роторных сталей - выше указанных:

- перлитных сталей:

• 34ХН1МА, 34ХН3МА, 27ХН3М2ФА, 30ХН3М2ФА, 35ХН3МФА – 350 °С;

• Р2, Р2МА (25Х1М1ФА) – 530 С;

• 20Х3МВФ (ЭИ415) – 545 С;

- стали мартенсито-ферритного класса ЭП291 – 550 °С;

- сталей мартенситного класса ЭИ428, ЭИ802 (15Х12ВНМФ), ЦДМ1 (10Х12Н3М2ФШ), ЭП674Ш (08Х15Н25Т2МФР), ЭИ609 (07Х12НМВ6) – 580 °С.

6.2.3. Степень сфероидизации бейнита в микроструктуре металла ротора из перлитных сталей (Р2, Р2МА, ЭИ415) не должна превышать 3-го балла по ОСТ 34-70-690.

6.2.4. Твердость металла роторов из сталей 34ХМА, Р2, Р2МА должна быть не менее 1800 МПа, а роторов из стали 20Х3МВФ (ЭИ415) - 2000 МПа. Металл роторов из перлитных Cr-Ni-Mo и Cr-Ni-Mo-V сталей 34ХН1М, 34ХН3М, 27ХН3М2ФА, 26ХН3М2ФАА (УВРВ), 35ХН3МФА, 30ХН3М2ФА должен иметь предел текучести 680-800 МПа и твердость 2300-2650 МПа, а из хромистой стали ЭИ802 (15Х12ВНМФ) - предел текучести 666-813 МПа и твердость 2410-2850 МПа.

6.2.5. Механические свойства при температуре 20°С по НД и после эксплуатации металла роторов и дисков ГТУ приведены в таблице 5.

6.4.2. На лопатках не допускаются трещины, следы задеваний, механические повреждения (риски, забоины, вмятины, в особенности на кромках, галтелях прикорневых зон), коррозионные язвы, в том числе на лопатках с защитным покрытием (особенно на выходных кромках и галтелях), следы общей коррозии, утоняющие рабочее сечение. Геометрические размеры лопаток (толщина кромок, особенно прикорневых зон и др.) должны соответствовать проектным.

6.4.3. Не допускаются трещины, разрушения бандажей и 2-образных связей, их повреждение, заклинивание в отверстиях лопаток, трещины в отверстиях под связи, наличие сварочного грата возле них.

6.4.4. Для основного металла лопаток из сплавов ЭИ893ВД, ЭИ893ОИ, ЭИ893ВИ (в том числе с защитными покрытиями) рекомендованы следующие критерии эксплуатационной надежности (таблица 7):

- твердость основного металла 2170-3136 МПа;

- предел текучести _0,2 - не более 784 МПа;

- пластичность при кратковременном растяжении при температуре 20°С: относительное удлинение  - не менее 15 %, относительное сужение  - не менее 17 %;

- длительная пластичность _дл - не менее 5 %;

- ударная вязкость при температуре 20°С KCU - не менее 0,3 МДж/м²;

- запас прочности по фактическому пределу длительной прочности - не менее 1,6;

- микроструктура основного металла с зерном размером 2 - 4 балла, карбидная ликвация не выше 2-го балла; размер ' - фазы 0,07 - 0,12 мкм; конгломераты хромистых карбидов в микроструктуре размером не более 5 мкм; не допускается появления в тонкой дислокационной структуре трех систем скольжения и полос скольжения, образованных дислокационными скоплениями.

Наличие любого из этих признаков и тем более их совокупность ограничивают ресурс основного металла или делают лопатку непригодной к дальнейшей эксплуатации.

6.4.5. Для металла литых диффузионно-хромированных направляющих лопаток из сплава ЖС6К первых ступеней ТВД и ТНД в ГТ-100 АО ЛМЗ жаропрочные свойства при температуре 750°С не являются лимитирующими ресурс факторами. По этим условиям лопатки со сравнительно низкими рабочими напряжениями могли бы работать значительно дольше, чем это отмечается в практике их эксплуатации.

Ограничивает общий ресурс этих лопаток длительностью 10 - 20 тыс. ч при температурах 750°С и 700°С исчерпание защитных свойств хромированного слоя с образованием коррозионных язв и термоусталостных трещин на 25 % лопаток, а также происходящее в основном металле резкое снижение кратковременных пластических свойств (_кр  1 %) и сближение величин характеристик прочностных свойств (_в/_0,2  1). Происходит охрупчивание сплава в результате образования двойного карбида М₆С игольчатой формы, что приводит к уменьшению сопротивляемости циклическим нагрузкам. Этому способствуют концентраторы напряжений на выходной кромке в виде коррозионных язв глубиной 0,5 - 1,0 мм и возрастающая шероховатость поверхности металла, являющиеся очагами зарождения трещин в местах повышенных термических напряжений (галтель и прилегающие зоны выходной кромки у верхней массивной полки).

6.4.6. Для лопаток из сплавов ЭИ893 и ЖС6К (в том числе с защитными покрытиями) рекомендуется использовать разработанные режимы восстановления покрытий и основного металла.
Таблица 5 –Механические свойства при температуре 20 °С металла роторов и дисков ГТУ по НД и после эксплуатации

Таблица 6 – Механические свойства металла крепежа при температуре 20 С

6.4.7. Для металла лопаток 3-й ступени ГТ-35, изготовленных из аустенитной стали ЭИ612, при рабочей температуре 540°С в полупиковом и базовом режимах эксплуатации в качестве критерия надежности рекомендована твердость по Бринеллю не выше 2550 МПа.

6.4.8. Для основного металла лопаток из хромистой стали ЭИ802 (15Х12ВНМФ) 4-й ступени ГТ-35 с рабочей температурой 450°С в полупиковом и базовом режимах рекомендованы следующие критерии эксплуатационной надежности:

- предел текучести при температуре 20°С не выше 830 МПа;

- твердость НВ не выше 2860 МПа.

6.4.9. Критериями эксплуатационной надежности хромированного слоя в направляющих лопатках из сплава ЖСК6 в ГТ-100 после эксплуатации являются:

- отсутствие трещин, коррозионных язв и сколов;

- фактическая толщина оставшегося слоя не менее 40 мкм (в исходном состоянии толщина его 100 - 120 мкм); содержание хрома не менее 35 % (а в исходном состоянии его содержание составляет 65 – 70 %);

- значение микротвердости не ниже, чем у основного металла.

6.4.10. Критериями эксплуатационной надежности защитных покрытий (металлических Co-Cr-Al-Y, металлокерамических Co-Cr-Al-Y/ZrO₂ + Y₂O₃), наносимых электронно-лучевым способом в вакууме, и вакуумно-плазменных после эксплуатации являются:

- отсутствие в защитном слое трещин, микротрещин, коррозионных язв и сколов;

- фактическая толщина оставшегося слоя не менее 50 мкм;

- значение микротвердости не ниже, чем у основного металла;

- толщина слоя оксидов между керамическим слоем покрытия и металлическим слоем не более 5 мкм;

- отсутствие слоя оксидов между защитным покрытием и основным металлом.