Файл: Фаддеев И.П. Эрозия влажнопаровых турбин.pdf

твердых частиц о поверхности деталей. К механическому изна­ шиванию относят также процесс изменения размеров поверхно­ стей деталей за счет абразивного изнашивания — резания с отде­ лением мелкой стружки или частичек металла с поверхности де­ тали, выдавленного по сторонам пластически деформированной царапины, а также износ в виде частиц поверхностного слоя де­ тали, хрупко определяющихся при однократном или многократном воздействии гидро-, пароабразивной среды.

При появлении условий возникновения кавитации в потоке воды, несущей абразивные частицы, изнашивание может быть кавитационным с наложением на него абразивного.

В зависимости от рабочего процесса детали паровой турбины гидро-, пароабразивный износ может быть исследован на установ­ ках, где образцы работают в условиях изнашивания: 1) при ударно-абразивном течении; 2) в газовом потоке с захватом и трансспортировкой им отдельных абразивных частиц; 3) в потоке жидкости, увлекающем абразивные частицы. По каждой из ука­ занных установок проведены исследования и получены резуль­ таты, приведенные ниже.

Ударно-абразивное изнашивание имеет место при встрече по­ верхности детали проточной части турбины с твердыми абразив­ ными частицами, движущимися по инерции после сброса с вра­ щающихся деталей, ротора или увлекаемыми потоком пара или капель. В зависимости от твердости и прочности частиц, а также от состояния и прочности поверхностного слоя детали возможно внедрение отдельных частиц в поверхностный слой испытуемого образца. Например, на установке со струей перегретого и влаж­ ного пара пропускались частицы различных размеров. После испытаний в образце были обнаружены вкрапленные частицы раз­ мером от 1 до 30 мкм. Наибольшее число внедренных частиц было радиусом от 1 до 10 мкм.

Во время испытаний наибольшая эрозия наблюдалась при уве­ личении скорости движения пара. После стабилизации течения по­ тока скорость эрозии резко уменьшалась. По данным исследова­ ний [44 ], ударно-абразивная эрозия может быть оценена комплек­ сом, включающим температуру, расход и скорость пара в третьей или четвертой степени. Наряду с внедрением частиц в образец, износ образца вызывался также скольжением частиц после удара об образец и его абразивным износом.

Как было детально исследовано в работах В. И. Лавренюка

показано, что абразивы могут быть разделены на две основные группы: 1-я группа — абразивы, при ударе которых о твердую поверхность в них возникают упругие деформации, завершаю­ щиеся хрупким разрушением абразива без заметной пластической

120

тит (Fe30 4). Была также показана зависимость уменьшения абра­ зивности частиц от увеличения их диаметра. Наибольшей абразив­ ностью обладают порошки магнетита и гематита с размером ча­ стиц 10—15 мкм (рис. IV.6), которых много в котловой воде (см.

рис. II.1).

По данным работы (37], большое влияние на ударно-абразив­ ный износ оказывает угол атаки встречи образца с абразивными частицами. Например, для образцов из 5% никелевой стали макси­ мальный износ наблюдался при угле атаки 30°. Потеря массы образца была отнесена к массе одного килограмма абразива.

Рис. IV.6. Газоабразивный износ образца в зависимости от дисперсности абразива (опыты В. И. Лавренюка):

Изнашивание деталей в газовом потоке с увлечением отдель­ ных частиц аэрозолей. В отличие от установок предыдущего вида данные установки позволяют изучить изнашивание поверхности деталей с касательным к ней движением твердых аэрозолей. Такой процесс изнашивания наблюдается на боковых поверхностях стяж­ ных труб во входных и выходных патрубках, боковых поверх­ ностях бандажных проволок, поверхностях лопаток, обойм, кор­ пусов и других деталей, по которым осуществляется касательное движение аэрозоля. Износ в рассматриваемом случае осуществля­ ется резанием и царапанием поверхности детали.

Изнашивание в потоке жидкости, увлекающем абразивные частицы. Присутствие абразивных частиц в движущейся капельной или пленочно-струйной жидкости, соприкасающихся с поверх­ ностью деталей, вызывает их изнашивание. Интенсивность износа зависит от скорости потока, размера, физических свойств (проч­ ности, твердости) и формы частиц, от их концентрации в жидкости, направления потока по отношению к изнашиваемой поверхности.

121

К деталям, подвергаемым такому виду изнашивания, отно­ сятся периферийные обводы диафрагм, поверхности обойм или корпусов, расположенные над периферийными сечениями рабо­ чих лопаток, внутренние поверхности корпусов турбин. В паротурбостроении этому виду изнашивания не уделяется должного внимания и указанные детали не испытываются на данный вид изнашивания. В то же время повышенный износ периферийного козырька за последней ступенью заставил, например ХТГЗ, применить электроискровое упрочнение сплавом Т15К6 на вну­ тренней поверхности козырька над последней пятой ступенью ЧНД мощных турбин. Фирма «Сименс—Шуккерт» в турбине

скорость рабочей лопатки последней ступени 455 м/с) и в других турбинах для АЭС по опыту эксплуатации установки Каль, где наблюдалась щелевая гидроабразивная эрозия уплотнений и разъемов, применила противоэрозионную защиту покрытием 13%-ной хромистой сталью. Покрытие наносилось плакированием или плазменным напылением.

29. КАВИТАЦИОННОЕ ИЗНАШИВАНИЕ ОБРАЗЦОВ!

Многие исследователи [6, 11] не усматривают принципиаль­ ной разницы между струйно-капельной и кавитационной приро­ дой изнашивания деталей в паровых турбинах. Иногда природу эрозионного изнашивания рабочих лопаток паровых турбин це­ ликом определяют как кавитационную [6]. Кавитационный из­ нос достаточно полно изучен в трудах отечественных [29, 30, 42 ]

изарубежных [40] исследователей.

Внастоящее время считается почти общепризнанным мнение, что основной причиной разрушения поверхности твердого тела кавитационной эрозией является несимметричное смыкание ка­

витационных полостей и каверн. На основе обобщения результа­ тов многих исследований в работе [42 ] сделан вывод, что во всех случаях каверны перед захлопыванием на стенке или вблизи нее теряют устойчивость. В результате смыкания каверны образуются струи, ударяющие по стенке со скоростями до 1000 м/с. Возникаю­ щие при этом местные давления на поверхность металла по расчет­ ной оценке достигают 5 - 103 МПа. От таких импульсных давлений происходит износ металла. Сначала износ выражается вмяти­ нами, потом происходит поверхностное разрушение металла. Начальный инкубационный период протекает без уноса металла. В поверхностном слое металла происходит пластическая дефор­ мация. Затем частицы металла выкрашиваются вследствие устало­ стных явлений. Наблюдается значительная потеря массы образца. Унос поверхностного слоя металла происходит за счет отрыва частиц под действием срезающих и изгибающих усилий, порождае­ мых кумулятивными струями в месте удара. Смыкание каверн сопровождается характерным шумом [29].

122

При кавитации материал испытывает многократное ударное воздействие различных по величине импульсов. Удельное давле­ ние в местах ударов при скоростях потока влаги ^ 3 0 м/с [42 ] превосходят пределы текучести многих металлов, применяемых в турбостроении. Кавитационная нагрузка в металле, в том чи­ сле и нержавеющих турбинных сталях, при кавитационном из­ носе может быть представлена как циклическая с напряжениями от самых малых до величин, превосходящих предел текучести металла.

Кавитационное изнашивание поверхностного слоя металла де­ талей кроме прочностных свойств жидкости и условий возникно­ вения кавитации в сильной степени зависит от состояния, чистоты обработки поверхности детали и напряженного состояния поверх­ ностного слоя металла. Износ поверхностного слоя, по данным В. Г. Старицкого (ЛПИ), начинается и концентрируется у плохо зачищенных сварных швов, в местах грубой механической обра­ ботки, около пористостей, рыхлостей, раковин, рванин за различ­ ными выступами и бугорками. Исследованиями К. К. Шальнева было установлено, что обтекание водой неровностей поверхности детали аналогично срывной кавитации плохо обтекаемых тел. С повышением чистоты обработки поверхности уменьшается интен­ сивность начального кавитационного износа. На основе анализа результатов обследования гидротурбин, находившихся в эксплуа­ тации, установлено повышенное влияние неоднородностей и дефектов поверхности металла на развитие кавитационной эрозии.

Заметное влияние на кавитационную эрозию оказывает вели­ чина напряженного состояния поверхностного слоя. Опытами ЛПИ была установлена повышенная кавитационная эрозия на­ пряженных деталей, причем отмечена увеличивающаяся эрозия во впадинах и углублениях. Этим объясняется снижение кави­ тационного износа с повышением чистоты обработки — происхо­ дит уменьшение напряжений во впадинах. Для напряженных де­ талей от впадин и углублений кавитационная эрозия проникает в глубь поверхности.

Захлопывание каверны и связанный с захлопыванием износ металла имеют место и в паровых турбинах при ударе капли с вы­ сокой относительной скоростью о поверхность рабочих лопаток. Как было обнаружено О. Энджел [67], при ударе капли о твер­ дую поверхность в центре капли возникают местные разрывы, обусловленные быстрым растеканием жидкости вдоль поверх­ ности. Образование каверн в центре капли, ударившейся о твер­ дую поверхность, Энджел обнаружила при малых скоростях стол­ кновения капли с пластиной — 8,2 м/с. При увеличении скорости столкновения вероятность возникновения каверн еще больше возрастает. По опытам [67], время существования кавитацион­ ного пузыря в растекающейся капле составляло 1,5-10 ~3 с. Для объяснения механизма появления кавитационных каверн в центре растекающейся капли было выдвинуто две гипотезы: 1. Кавита­

123

ционная каверна возникает при появлении значительных скоро­ стей растекания, больших, чем скорости подлета капли к поверх­ ности, на которой происходит последующее растекание жидкости капли. 2. При ударе капли в точке первоначального соприкосно­ вения с поверхностью твердого тела возникает волна сжатия, ко­ торая, распространяясь по капле, отражается от поверхности капля—воздух, возвращается к месту удара в виде волны разря­ жения, сфокусированной криволинейной поверхностью отраже­ ния. В зоне встречи волны разряжения с твердой поверхностью возникают кавитационные каверны.

При ударе единичной капли о поверхность образца из турбин­ ной стали происходило образование мелкого блюдцеобразного углубления с характерным кольцевым валиком по краю. В центре углубления наблюдалось еще одно мелкое углубление диаметром 5 -10~5—-5 -10 “2 мм, приписываемое результату смыкания кави­ тационной каверны.

Опыты по изучению смыкания кавитационных каверн с по­ мощью скоростной киносъемки показывают, что, несмотря на большое количество кавитационных каверн, образующихся в жидкости за одну секунду, только одна каверна из 30 000 при­ нимает участие в эрозионном износе.

Испытания образцов на кавитационный износ проводятся в ка­ витационных камерах и соплах, где испытуемый образец распо­ лагается за препятствием для водяного потока. Образующаяся за препятствием кавитационная каверна при своем смыкании образует кавитационный износ образца. К сожалению, повторяе­ мости результатов износа образцов в кавитационных трубах и соплах не наблюдается. Поэтому исследования стойкости ме­ таллов на кавитационное изнашивание производят на магнитнострикционной установке, использующей для испытания образца эффект продольных колебаний опущенного в воду конца никеле­ вой трубки (концентратора) с частотами 5-103—2,5-Ю1 Гц, колеблющейся под воздействием переменного магнитного поля обмотки возбуждения.

Испытания образцов на магнитно-стрикционной установке отличаются исключительной стабильностью и повторяемостью. Они просты, дешевы и кратковременны. Поэтому в настоящее время все результаты сравнительной кавитационной стойкости различных материалов, применяемых в турбинах, насосах, греб­ ных винтах и других механизмах, подверженных кавитации, проводятся преимущественно на магнитно-стрикционных уста­ новках.

30. ИСПЫТАНИЕ НА ЩЕЛЕВОЕ ИЗНАШИВАНИЕ

Широкие исследования щелевого износа деталей энергетичес­ кого оборудования — клапанов, штоков, обойм уплотнений и других деталей запорной арматуры были выполнены в ВТИ [44]. Некоторые результаты указанных исследований можно приме-

124

нить к щелевому износу в разъемах обойм, диафрагм, кольцевых щелях по обводу диафрагм паровых турбин, так как механизм износа в щелях запорной арматуры и деталей турбин одинаков.

В указанных выше местах щелевого изнашивания деталей тур­ бин износ поверхностей деталей происходит при воздействии паро­ водяной среды и пароводяной среды с примесью твердого абразива в виде нерастворимых солевых отложений в проточной части тур­ бины, продуктов коррозии проточной части и продуктов эрозион­ ного износа. Как показали измерения дисперсности частиц твер­ дых примесей по пробам, взятым в местах щелевого износа деталей турбин, изнашивание происходит под действием абразива с дис­ персностью от 1 до 50—80 мкм. Форма абразивных частиц самая разнообразная.

Процесс щелевого эрозионного изнашивания изучен еще недо­ статочно полно. Не изучено поведение в условиях щелевых по­ токов многих материалов, используемых в паротурбостроении. Не исследовано в широком диапазоне влияние изменения парамет­ ров пара — давления, температуры, скорости на щелевой износ деталей. Не ясна полностью сама природа щелевого износа, так как помимо гидродинамических, одновременно проявляются коррозийные (химические и электрические) признаки изнаши­ вания.

Исследование микроструктуры поверхности образцов пока­ зало, что инкубационный период металлов при щелевом износе почти отсутствует. Износ начинается по границам зерен, а в спла­ вах с неоднородной структурой — и по границам структурных составляющих. Развитие износа идет в сторону зерен или струк­ турных составляющих, менее стойких к коррозии [44]. В началь­ ный период щелевого износа на поверхности образца или детали образуются штриховые изъязвления, направленные в сторону течения. При дальнейшем воздействии щелевого потока штри­ ховые канавки перерастают в бороздчато-ручейковый поверх­ ностный износ с ориентацией бороздок по потоку.

Большое значение на увеличение интенсивности износа оказы­ вают дефекты на поверхности образца или детали в виде трещин, забоин, выкрашивания металла, сильной шероховатости и т. д. При этом по [44, 65] степень неравномерности износа увеличива­ лась с уменьшением эрозионной стойкости различных материалов. В углублениях развитых ручейков наблюдалось появление межкристаллитных трещин, аналогичных трещинам при кавитацион­ ном износе. По-видимому, и при щелевом изнашивании прояв­ ляется влияние напряженного состояния на интенсивность износа. Однако этот вопрос пока мало изучен.

Исследования различных материалов, применяемых в паротур­ бостроении, в условиях щелевого движения воды проводились в ВТИ на специальной установке (рис. IV.7). Вода через запорный вентиль подавалась в рабочую камеру, в которой были установ­ лены образцы /, 2 диаметром 23 мм. В нижнем образце 1 была вы­

125