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

ностями чугуна: низкими пластическими свойствами, которые являются причиной значительных остаточных напряжений и появления трещин при сварке; склонностью к образованию зака­ ленных и отбеленных структур при недостаточно медленном охла­ ждении, что придает чугуну высокую твердость и хрупкость и часто исключает возможность механической обработки после сварки; значительной разнородностью химического состава и структуры как различных отливок, так и в пределах одной и той же отливки; наличием графита, легко соединяющегося с кис­ лородом, проникающим в металл шва и вызывающим склонность к пористости шва, и т. д.

Существует несколько способов заваривания дефектов чугуна, однако ни один из них не может быть признан вполне удовлетвори­ тельным для всех случаев, встречающихся на практике. Приме­ няют холодную и горячую сварку чугуна. Холодную сварку вы­ полняют с применением электродов: чугунных, стальных мало­ углеродистых со стабилизирующими обмазками, медножелезных и из монель-металла. Химический состав в % прутков для сварки чугуна (марка А для газовой сварки и для стержней электродов

Технология сварки и состав обмазок должны быть выбраны так, чтобы скорость охлаждения шва была меньшей, и с обмазкой в шов вводились элементы, способствующие получению структуры серого чугуна. Чтобы увеличить прочность соединения при ре­ монте толстостенных изделий, в свариваемых кромках устанавли­ вают шпильки из малоуглеродистой стали. Количество шпилек должно быть таково, чтобы суммарная их площадь составляла не более 25% площади излома свариваемой детали. Диаметр шпилек d обычно равен 0,3—0,4 толщины стенки, глубина вверты­ вания 1,0— 1,5d, высота выступающей части 0,5— 1,0d. Первона­ чально обваривают шпильки, а затем заплавляют всю разделку.

Горячая заварка — весьма совершенный метод устранения пороков чугунных отливок, однако выполнение ее трудоемко и дорого. Пороки, подлежащие горячей заварке, тщательно выру­ бают. Форма вырубки U-образная. Место вокруг вырубленного участка формуют специальными графитовыми, угольными или коксовыми пластинами, или формовочным песком, замешанным на жидком стекле. Цель такой формовки — предотвратить возмож­ ность вытекания жидкого металла. Иногда формовку для горячей сварки выполняют в опоках.

Детали, подлежащие исправлению, нагревают в печи или в горне до 600—700° С. Сварку ведут в нижнем положении, так как ванна довольно значительного объема в течение всего процесса

222

заварки остается жидкой. Если подлежащий исправлению участчЖ деталей велик, то при формовке объем наплавки делят на два или более участков графитовыми перегородками и заваривают участок за участком с повторными нагревами. Для горячей сварки при­ меняют чугунные электроды или чугунные присадочные прутки (при сварке с угольным электродом). Сила тока и диаметр элек­ тродов при горячей сварке значительно больше, чем при холодной.

Пороки чугунных отливок можно исправлять газовой сваркой. В качестве присадочного материала применяют литые чугунные прутки с содержанием кремния до 3—3,5%. Сварку ведут с пред­ варительным подогревом до 300—400° С. Охлаждение изделия после сварки должно быть замедленным.

СВАРНО - ЛИТЫЕ И СВАРНОЛИСТОВЫЕ Ц И Л И Н Д Р Ы

Из углеродистых, хромомолибденованадиевых, упрочненных высокохромистых и других сталей производят как цельнолитые, так и сварно-литые заготовки верхних и нижних половин цилин­ дров высокого и среднего давления в многокорпусных паротурбин­ ных агрегатах большой мощности и соответствующие отсеки цилиндров однокорпусных турбин. Применение сварно-литых ци­ линдров, как показал опыт, является весьма целесообразным и эффективным с технической и экономической точки зрения.

В большинстве конструкций современных паровых турбин участки цилиндра, где имеют место наиболее высокие температуры и давления, выполняют в виде отдельных отливок или поковок из специальных сталей. Таким образом изготовляют, например, клапанные и сопловые коробки. Это позволяет упростить конфи­ гурацию и уменьшить массу отливок цилиндров или отсеков высокого давления, существенно облегчить механическую обра­ ботку цилиндров, уменьшить ее трудоемкость, сократить произ­ водственный цикл, так как паровые и сопловые коробки могут быть полностью или почти полностью механически обработаны независимо друг от друга до их соединения с цилиндрами.

Разница температур по длине цилиндра может быть весьма значительной. В связи с этим требования, которые предъявляют к металлу цилиндра в высокотемпературной его части, оказываются излишними для металла части цилиндра на стороне выпуска пара. Поэтому технически и экономически целесообразно выполнять цилиндры сваренными из отливок, металл которых имеет различ­ ные характеристики жаропрочности. Большие возможности, от­ крывшиеся в направлении создания таких цилиндров для многих типов турбин, обусловлены значительными успехами, достигну­ тыми в области сварки сталей разнородных марок. В современных паровых турбинах большой мощности сварными из отливок, изго­ товленных из сталей различных марок, выполняют цилиндры высокого и среднего давления. Например, часть цилиндра, рабо­ тающую при температурах до 565° С, изготовляют из стали

223

15Х1М1ФЛ, а часть, испытывающую воздействие температур, не превышающих 400° С, — из углеродистой стали. Такое решение позволяет снизить стоимость металла цилиндра на 20—30%. Кроме того, облегчается производство отливок, так как размеры и масса каждой из них уменьшаются, а форма упрощается.

Цилиндры низкого давления в турбинах большой мощности достигают значительных размеров и массы. Так, длина нижней половины цилиндра низкого давления турбины мощностью 300 тыс. кВт составляет более 9,8 м, ширина 9 м, а высота — около 3 м. По условиям службы цилиндр низкого давления для такой турбины мог бы быть выполнен из чугуна, однако производ­ ство отливки таких размеров представляет существенные труд­ ности, особенно при относительно тонких стенках цилиндра. Поэтому цилиндры и отсеки низкого давления в современной прак­ тике турбостроения изготовляют в основном сварными из листо­ вого проката. Сварнолистовыми выполняют обоймы низкого давления, опоры подшипников и многие другие детали и узлы паровых и газовых турбин.

Применение сварно-литых, сварно-кованых, сварно-штампован­ ных и сварнолистовых конструкций в производстве деталей и узлов статоров турбин дает значительный технический и экономи­ ческий эффект, снижает трудоемкость производства, затраты на исправление дефектов литья и пр. Сварка позволяет осуществлять рациональные конструкции требуемой конфигурации и проч­ ности, выполнять монолитные детали статоров турбины практи­ чески любых необходимых размеров. Детали, из которых свари­ вают конструкции крупных габаритных размеров, можно предва­ рительно подвергать механической обработке, что наряду с сокра­ щением цикла производства позволяет уменьшить загрузку круп­ ного и уникального металлорежущего оборудования — карусель­ ных станков с большим диаметром планшайбы, крупных про­ дольно-строгальных и других станков.

При проектировании сварных конструкций деталей и узлов статоров турбин предусматривают изготовление каждой из их составных частей наиболее рациональными технологическими приемами. Например, элементы конструкции, которые характе­ ризуются сложностью формы, выполняют различными методами литья; детали, требующие высокой степени чистоты поверхности в заготовке без механической обработки, изготовляют штампов­ кой и т. д.

Разработку конструкции и технологического процесса про­ изводства сварных изделий, имеющих крупные габаритные раз­ меры, как например, цилиндры, выпускные патрубки и др., осуществляют обычно на основе формирования их из отдельных свариваемых между собой узлов. Эти узлы представляют собой сварные, сварно-литые или сварно-кованые изделия, сварные швы которых могут быть выполнены в удобном положении с мини­ мальным количеством кантовок. Деление на узлы и последова-

224

тельность сварочных операций должны обеспечить минимальные напряжения деформаций сварной конструкции. Узлы должны быть достаточно жесткими, чтобы их можно было стыковать с необхо­ димой точностью со смежными узлами, транспортировать, под­ вергать механической обработке и пр.

Сварные конструкции деталей и узлов статоров турбин выпол­ няют с применением различных методов сварки плавлением — ручной дуговой сварки электродами с различными покрытиями, полуавтоматической и автоматической сварки под слоем флюса, сварки в газовых средах (углекислый газ, аргон), электрошлаковой сварки и др. Ввиду относительно небольшой серийности произ­ водства турбин ручную дуговую электросварку используют весьма широко.

Сварные конструкции выполняют из сталей различных классов и марок. При выборе металлов сварных конструкций необходимо учитывать их свариваемость — способность образовывать сварное соединение, могущее работать в требуемых условиях эксплуата­ ции. Оценивают свариваемость на основе анализа широкого ком­ плекса разносторонних характеристик свойств металла, опреде­ ляемых различными методами. В. П. Фоминых отмечает, что опи­ сано более 150 методов оценки свариваемости, которые можно разбить на две основные группы:

исследования, проводимые при разработке новых марок стали, новых способов сварки и сварочных материалов и пр.;

испытания, применяемые при проверке уже изученной марки стали для изготовления новых видов сварных конструкций.

Важное значение для оценки свариваемости имеют следующие характеристики: стойкость различных зон сварного соединения к образованию при сварке трещин и хрупких или разупрочненных участков в зоне термического влияния сварки; уровень прочности и, особенно, пластичности сварного соединения; длительная проч­ ность сварного соединения в условиях высоких температур, в частности при циклически изменяющихся температурах.

Свариваемость перлитных сталей, наиболее широко приме­ няемых в сварных конструкциях паровых и газовых турбин, зависит от содержания углерода и уровня легирования стали. Необходимо стремиться к тому, чтобы содержание углерода в свариваемых сталях этого класса не превышало 0,2—0,3%. Стали с 12% хрома обладают наиболее удовлетворительной сва­ риваемостью при содержании углерода в пределах 0,1—0,2%.

Существуют различные методы приближенной оценки свари­ ваемости стали в зависимости от ее химического состава, например по так называемому «эквивалентному содержанию углерода»

4 KD — ^ - т 6 ^ 3 ' 15 ^ 4 ^ 5 '

Для определения Сэкв данной стали в правую часть формулы вместо символов элементов вписывают их процентное содержание