Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

Межкристаллитная коррозия, постепенно распространяясь в глубь металла, ослабляет связи между зернами, а затем приводит даже к полной их изоляции. Пораженный межкристаллитной коррозией металл теряет присущую ему монолитность, прочность и упругость. При микроскопическом исследовании образцов та­ кого металла можно наблюдать выпавшие зерна (рис. 46).

При интенсивном развитии межкристаллитного разрушения изменяются электропроводность стали и характер звука, издавае­ мого образцом металла при падении на каменную или мраморную плиту. Типичный звонкий металлический звук сменяется глухим, подобным тому, который издает падающая деревянная пластинка. После сварки межкристаллитная коррозия развивается особенно в зонах теплового влияния шва, где при сварке температура достигала 550—750° С.

Межкристаллитная коррозия представляет серьезную опас­ ность для деталей, постоянно работающих при температурах 500° С и выше. Она может привести к внезапному разрушению металла, не проявляясь заметным образом до самого момента разрушения.

Для предотвращения межкристаллитной коррозии обычно вводят в состав аустенитных сталей более сильные, чем хром,

карбидообразующие элементы. Последние, введенные в достаточ­ ном количестве, соединяются в карбиды с выделяющимся углеро­ дом, а хром остается в твердом растворе. Таким сильным карби­ дообразующим элементом является титан. Введение в аустенит­ ную сталь титана в количестве, в 4—5 раз превышающем содер­ жание в стали углерода, снижает склонность стали к межкристал­ литному разрушению. Подобным же образом действуют ниобий и тантал. Уменьшение содержания углерода — фактор, пони­ жающий склонность аустенитных сталей к межкристаллитной коррозии.

Термическая обработка, цель которой более или менее равно­ мерное выделение карбидов по всему объему зерна, а не только по его границам, также снижает склонность стали к межкри­ сталлитной коррозии. В результате такой термической обработки может незначительно снизиться общая коррозионная стойкость стали при одновременном устранении склонности к избиратель­ ной коррозии по границам зерен. Однако термическая обработка все же полностью не устраняет склонности стали к межкристал­ литной коррозии.

При длительном воздействии высоких температур в стали с выпавшими карбидами, склонной к межкристаллитной корро­ зии, может развиваться процесс выравнивания концентрации хрома по зерну и его границам за счет диффузии хрома из глу­ бины зерен к обедненным им прослойкам по границам зерен. Склонность сплава к коррозионному разрушению по границам зерен в начальный период эксплуатации возрастает до некоторого максимума, а затем по мере обогащения диффундирующим хромом пограничных зон начинает снижаться. По-видимому, можно ожидать, что после достаточно длительной выдержки, тем боль­ шей, чем ниже температура эксплуатации, сталь может оказаться практически невосприимчивой к межкристаллитной коррозии. Вопрос о выработке в стали иммунитета против межкристаллитной коррозии в условиях длительного воздействия различных темпе­ ратур изучен еще недостаточно.

Разработаны методы выявления склонности сталей к межкри- - сталлитной коррозии. Для контроля сталей марок 1Х18Н9Т, 2Х18Н9, 1Х14Н18В2Б, 1Х14Н16Б и др. и их сварных соединений рекомендуется метод А: испытание в водном растворе медного

(образцы сталей, содержащих титан или ниобий, — не менее 75 ч). После кипячения образцы испытывают, изгибая их на угол 90°. На поверхности образца не должно быть поперечных трещин, обнаруживаемых при 8—10-кратном увеличении.

По другому методу (AM) образцы и сварные соединения из сталей 0Х18Н9, 1Х18Н9, 1Х18Н9Т и др. кипятят в водном рас­ творе медного купороса и серной кислоты (160 г CuS04 -5H2Ö + + 100 мл H 2S04+ 1 л воды) в присутствии медной стружки.

116

После кипячения в течение 24 ч образцы подвергают испытаниям на изгиб (на угол 90°). Для контроля изделий и деталей, изгото­ вляемых из сталей 0Х18Н9, 0Х18Н9Т, 1Х18Н9, 1Х18Н9Т и 2Х18Н9 методами сварки, горячей штамповки и гибки, применяют анодное травление (метод Б) на доступных для этого участках. Если на участках анодного травления образуется тонкая сетка, то изделие бракуют.

И СП Ы ТАН ИЯ НА ТЕРМ И Ч ЕС К У Ю УСТАЛОСТЬ

Детали турбин работают в условиях нестационарных темпера­ турных режимов. Пуск и остановка турбин, изменения нагрузки и другие факторы в процессе эксплуатации турбин на электростан­ циях вызывают многократные, периодически повторяющиеся изме­ нения температуры, при которой работает металл многих деталей турбин. Известны случаи, когда следствием этих циклических изменений температуры являются повреждения металла, сходные по своему характеру с усталостными разрушениями, возникаю­ щими в результате воздействия циклически повторяющихся механических напряжений, переменных по знаку или величине или по обоим этим параметрам.

Проблемам прочности металлов в условиях циклических изме­ нений температуры посвящены работы Ю. Ф. Баландина,

Л.М. Акимова, Н. М. Склярова, С. В. Серенсена, А. А. Бочвара,

Л.П. Никитиной и др.

Известно, что металл имеет свойство изменять размеры в зави­ симости от температуры. Если свободному изменению размеров детали при равномерном нагреве или охлаждении препятствуют те или иные ограничители (например, размеры или форма сопря­ женных деталей), то в детали возникают термические напряжения. Они могут появиться и при отсутствии внешних ограничителей в толстостенных односторонне нагреваемых или охлаждаемых изделиях. Например, в толстостенной трубе при быстром ее на­ греве снаружи температура внутренней поверхности будет не­ сколько ниже, чем наружной. Разница температур наружной и внутренней поверхностей будет тем больше, чем ниже тепло­ проводность металла трубы. Расширению наружных слоев трубы будут препятствовать более холодные внутренние слои, которые, в свою очередь, испытывают растягивающее воздействие наруж­ ных слоев. Чем больше перепад температур по толщине детали, тем больше будет величина возникающих термических напряже­ ний.

В металле термические напряжения могут возникать при изменении температуры и по другим причинам — вследствие, на­ пример, неблагоприятной конфигурации детали, различного коэф­ фициента линейного расширения структурных составляющих металла и т. д. Термические напряжения при однократном воз­ действии резкого нагрева или охлаждения для пластичных

117

I

металлов и сплавов обычно не представляют опасности. Однако периодическая смена нагревов и охлаждений может при извест­ ных условиях привести к изменениям размеров и искажению формы детали, некоторым изменениям структуры металла и обра­ зованию трещин. Вначале очень тонкие трещины появляются на поверхности детали. С увеличением числа циклических изменений температуры (теплосмен) трещины становятся крупнее, глубже, количество их увеличивается, образуется сетка трещин, и металл может разрушиться.

Явление образования трещин в металле, на который действуют циклические напряжения, возникающие обычно вследствие не­ свободного, стесненного деформирования детали при периодически изменяющихся температурах, называют термической усталостью. Термическая усталость относится к категории малоцикловой усталости — обычно число циклических изменений температуры до образования трещин не превышает тысяч или десятков тысяч циклов (усталость металлов, связанная с действием механических напряжений, наблюдается при большем количестве циклов — до нескольких миллионов). Длительность термического цикла при различных условиях может изменяться в очень широких преде­ лах — от нескольких секунд до сотен часов.

Трещины термической усталости наблюдаются на входных и выходных кромках рабочих и сопловых лопаток турбин, в каме­ рах сгорания газотурбинных установок, на поверхностях бара­ банов паровых котлов, в отдельных деталях дизелей, корпусах атомных реакторов и др. Способность металлических изделий выдерживать без образования трещин определенное число цикли­ ческих изменений температуры называют сопротивлением терми­ ческой усталости. Применяют и много других терминов для этой характеристики металла — термостойкость, сопротивление тепло­ вой усталости, сопротивление термическим ударам и пр.

Существуют многочисленные, весьма разнообразные методы испытаний на термическую усталость, которые делят на две основ­ ные группы: испытания с оценкой величины термических напря­ жений во время термического цикла и испытания без такой оценки. Образцы нагревают индукционным способом, электрическим то­ ком, пропускаемым непосредственно через образцы, в электропе­ чах косвенного нагрева, свинцовых или других горячих ваннах. Охлаждают образцы в воде или струе сжатого воздуха. Скорости нагрева и охлаждения образцов, температурный интервал цикли­ ческих изменений температуры широко варьируются различными исследователями в зависимости от условий работы изучаемого изделия. Разнообразны, в зависимости от целей испытания, форма и размеры образцов. Обычно образцы плоские, небольшой толщины. Часто их делают с концентраторами напряжений — отверстиями, вырезами.

Одним из основных параметров, характеризующих термический цикл, является стесненная деформация. Поэтому представляют

118

интерес методы испытаний на термическую усталость, позволяющие оценить ее при заданной величине стесненной деформации. Л. Коффин предложил методику испытаний, по которой трубча­ тый образец с утолщенными головками, жестко закрепленный между двумя фланцами, соединенными опорными колонками, периодически нагревается электрическим током и охлаждается изнутри струей сжатого воздуха. Заданный температурный режим поддерживается автоматически. В образце возникает стесненная деформация вследствие отсутствия возможности свободно расши­ ряться и сжиматься при изменении температуры.

Рис. 47. Клиновидный образец, приближенно имитирую­ щий кромку лопатки газовой турбины

Величину стесненной деформации можно определить экспери­ ментально как разность между значениями свободного удлинения трубчатого образца и его удлинения в закрепленном состоянии при максимальной температуре цикла. Можно также, измеряя фактическую разность температур в отдельных точках по длине I образца и зная коэффициент линейного расширения а исследуе­ мого металла в температурном интервале цикла, определить сред­ нюю величину деформации:

где (öj + 62) — поправка на упругое перемещение опорных коло­ нок установки.

Критерием разрушения трубчатых образцов считают образо­ вание сквозной трещины, которая обычно обнаруживается вскоре после появления первых поверхностных трещин, так как металл на концах этих трещин усиленно нагревается электрическим током.

Л. П. Никитина и Н. Н. Ревякина исследовали на тепловую усталость литые и кованые никелевые сплавы для лопаток газо­ вых турбин. Были применены клиновидные образцы (рис. 47),

119

Глава 111

МЕТАЛЛЫ ЛОПАТОЧНОГО АППАРАТА

УСЛОВИЯ РА БОТЫ Л ОПАТОЧНОГО АППАРАТА

Одну из важнейших частей турбины представляет лопаточный аппарат, в котором осуществляется основной рабочий процесс преобразования потенциальной энергии поступающего в турбину пара в полезную механическую работу. Лопаточный аппарат состоит из двух больших групп деталей: связанных с ротором турбины и вращающихся вместе с ним в процессе работы агрегата и связанных со статором турбины и находящихся в неподвижном состоянии. Основу первой группы составляют рабочие лопатки,

авторой группы — направляющие лопатки. Количество рабочих

инаправляющих лопаток весьма значительно и в современных мощных турбинах достигает 10 000 шт. и более.

Рабочие и направляющие лопатки характеризуются значи­ тельным разнообразием конструкций и размеров, способов кре­ пления на роторе и в статоре. Причиной такого разнообразия являются в основном существенно отличающиеся условия службы лопаток различных ступеней в турбинах разной мощности, пара­ метров и назначения.

Вгруппу деталей лопаточного аппарата кроме лопаток входят промежуточные вставки между ними, ленточные и проволочные бандажи, которыми лопатки связаны между собой в пакеты,

заклепки для прикрепления лопаток к дискам и диафрагмам, замки и т. д. Все детали лопаточного аппарата работают при дли­ тельном воздействии высоких температур. В условиях наиболее высоких температур, близких к температуре пара, поступающего в турбину, находятся рабочие и направляющие лопатки первых ступеней турбины. На следующих ступенях температура посте­ пенно снижается, а на последних составляет 100° С и ниже.

Детали лопаточного аппарата работают в среде движущегося водяного пара, состояние которого на различных ступенях турбин неодинаково. На большей части ступеней работает перегретый пар, на лопатках последних ступеней— влажный. Содержание в паре солей, кислорода, сконденсировавшихся капель воды неодинаково на разных участках проточной части. Отсюда и различные характер, и степень коррозионного и эрозионного воздействия пара на лопатки различных ступеней.

В процессе эксплуатации турбины в группе деталей лопаточного аппарата наибольшие напряжения статического, динамического

121