Компании в категории: Электростанции, генераторы (11)

Паровые и газовые турбины относятся к высокотемпературным установкам. В современных паротурбинных установках начальное давление пара составляет 90, 130, 170 и 240 кгс/см² при температурах 500, 545 и 565 °С. Для достижения тех же значений к. п. д. рабочая температура газовых турбин должна быть на 100-200 °С выше и составлять 750-850 °С для стационарных и 850-950 °С для транспортных установок. Рабочие давления в газовых турбинах относительно малы и составляют 4-6 кгс/см² при максимальных значениях до 20 кгс/см².

Различие в рабочих параметрах определяет и существенное различие в типе конструктивных узлов турбин при их изготовлении на моторных заводах. Для паровых турбин характерны толстостенные массивные конструкции из отливок и поковок; газовые турбины изготовляют преимущественно из тонкостенных листовых конструкций. Работа при высоких температурах требует широкого применения в узлах турбин легированных теплоустойчивых и жаропрочных сталей.

Применение сварки позволяет резко сократить предельные массы поковок и отливок, обеспечить их более высокое качество, уменьшить объем механической обработки крупных изделий на уникальных станках. В сварном исполнении изготовляют наиболее ответственные конструкции турбин-ротора, диафрагмы, лопаточный аппарат, корпуса цилиндров и арматуры и другие узлы из легированных сталей. Широкое применение получают комбинированные сварные конструкции из разнородных сталей.

Требования к точности сварных узлов турбин являются наиболее жесткими среди других сварных конструкций.

Выбор материала на моторных заводах для изготовления турбин

В конструкциях паровых и газовых турбин применяют широкий ассортимент низколегированных конструкционных сталей, теплостойких и жаропрочных сталей и сплавов. Сравнительно невысокие рабочие температуры паровых турбин позволяют использовать в них преимущественно перлитные и мартенситные высокохромистые стали; в газовых турбинах, эксплуатирующихся при более высоких температурах, получили распространение аустенитные стали и высокожаропрочные сплавы на никелевой основе.

Области применения сталей разного легирования определяются преимущественно рабочей температурой узла. Низкоуглеродистые стали используют для изготовления узлов, эксплуатирующихся до 400 °С - цилиндров низкого давления, корпусов подогревателей воды, конденсаторов и т. д. Хромомолибденовые стали находят свое применение в узлах среднего давления для корпусов цилиндров и арматуры, работающих в интервале температур 400-540 °С. Наиболее теплостойкие из перлитных сталей - хромомолибдено-ванадиевые - предназначены для изготовления из них узлов высокого давления турбин, эксплуатирующихся в интервале температур 450-570 °С.

Высокохромистые стали мартенситного класса и аустенитные стали могут применяться как нержавеющие, жаропрочные или жаростойкие. Как нержавеющие высокохромистые стали типа 12X13 и 20X13 широко используют в качестве материала лопаток турбин до 540° С, типа 15X11МФ, 18Х11МНФБ и 15Х12ВНМФ в качестве жаропрочных при температурах 540-580° С для лопаток и корпусов турбин высокого давления, а как жаростойкие стали типа 08X13 до температур 650-750 °С для внутренних экранов газовых турбин.

Хотя для ряда узлов турбин рабочие условия позволяют использовать в качестве нержавеющих высокохромистые стали, им на моторных заводах часто предпочитают более дорогие, но зато хорошо свариваемые аустенитные стали типа 12Х18Н10Т. Это относится, например, к регенераторам газовых турбин, эксплуатирующимся при температурах до 450-550 °С. Трудности введения подогрева при сварке и практическая невозможность проведения термообработки таких крупногабаритных и сложных конструкций исключают применение для них высокохромистых сталей. Зачастую также внутренние экраны газовых турбин предпочитают сваривать из технологичных аустенитных сталей взамен высокохромистых.

Аустенитные стали применяют как жаропрочные в интервале температур 550-650 °С. По соображениям свариваемости предпочтения заслуживают гомогенные аустенитные стали аустенитно-ферритного или аустенитного класса с относительно небольшим запасом аустенитности (Сr/Ni>1) марок 12Х16Н9М2 и 08Х16Н13М2Б. При выборе в качестве материала сварных изделий, по соображениям жаропрочности и коррозионной стойкости, отливок из аустенитных сталей необходимо учитывать, что наиболее высоними технологичностью и свариваемостью обладают стали с гарантированной аустенитно-ферритной структурой марок 12X20H12TЛ, ЦЖ-15, 12Х18Н9ТЛ и Х25Н13ТЛ. Применение на моторных заводах стали 12Х18Н9ТЛ без гарантированного содержания ферритной фазы, а также однофазных аустенитных сталей марок ЛА-1 и ЛА-3 и им подобных не рекомендуется из-за низкой их литейной технологичности и опасности массового появления трещин в околошовной зоне сварных соединений.

Наиболее жаропрочными из аустенитных сталей, используемых в высоконагруженных узлах лопаточного аппарата газовых турбин, являются стали с интерметаллидным упрочнением марок ХН35ВТ, 08Х15Н24В4ТР и им подобные. При использовании их, а также высокожаропрочных сплавов на никелевой основе ХН65ВМТЮ в сварных конструкциях необходимо учитывать ограниченную свариваемость таких материалов (склонность к образованию околошовных трещин при сварке и термообработке и повышенную чувствительность к локальным разрушениям при температурах эксплуатации).

Для обеспечения высокой надежности ответственных сварных узлов из этих сталей рекомендуется применять их после вакуумно-дугового или электрошлакового переплавов, ограничить величину зерна в стали не более 3-го балла и по возможности располагать сварные швы вне зоны рабочих напряжений изгиба.

Требования к выбору таких узлов газовых турбин, как, например, камеры сгорания и внутренние экраны, разгруженные от давления, определяются прежде всего жаростойкостью материала. Поэтому для них предельные рабочие температуры могут быть повышены по сравнению с использованием в качестве жаропрочных материалов. Изделия из стали 12Х18Н10Т могут применяться в таких условиях до 750-800 °С, из стали 20Х23Н18 - до 850-900 °С, а из высоконикелевого сплава марки ХН78Т - до 1000-1050 °С. Эти стали и сплавы относятся к хорошо и удовлетворительно сваривающимся.

Для сварки перлитных и высокохромистых сталей применяют сварочные материалы, близкие по легированию к основному металлу. Сварку гомогенных аустенитных сталей выполняют аустенитно-ферритными электродами или проволоками близкого к ним легирования, которое может отличаться от основного металла. Также отличаться от легирования основного металла могут швы аустенитных сталей и сплавов на никелевой основе с интерметаллидным упрочнением.

В таких узлах турбин, как диафрагмы и корпуса цилиндров и арматуры, широко применяют комбинированные сварные соединения из разнородных сталей. Их использование определяется разными условиями работы отдельных участков изделия и целесообразностью введения в наименее напряженных участках более технологичных и дешевых сталей.

Назначение термообработки сварных конструкций на моторных заводах определяется требованиями восстановления свойств разных зон соединения и снятия сварочных напряжений для обеспечения стабильности размеров изделия. Учитывается первое требование, согласно которому узлы из низкоуглеродистой стали толщиной до 36 мм и из аустенитных сталей, работающие при температуре ниже 500 °С, термообработке можно не подвергать. Если изделия из аустенитных сталей (при толщине свариваемых элементов более 10 мм) предназначены для работы выше 500 °С, то целесообразно вводить после сварки аустенитизацию. Это требование не относится к таким слабонагруженным узлам, как камеры сгорания, которые могут эксплуатироваться в исходном после сварки состоянии.

Сварные узлы из отливок вне зависимости от их легирования должны обязательно проходить термообработку на моторном заовде.

Для узлов высокой точности необходимость снятия сварочных напряжений обусловливает применение термообработки и в тех случаях, когда по требованию восстановления свойств она не нужна. Это относится прежде всего к цилиндрам низкого давления турбин, изготовляемым из низкоуглеродистой стали.

Основным типом сварных соединений турбин, как и котлов, является стыковое с гарантированным проваром. Стыки следует располагать в местах, допускающих их надежный контроль неразрушающими методами. Они должны быть удалены от участков концентрации напряжений и больших напряжений изгиба. Последнее требование особенно важно для узлов, работающих при высоких температурах в условиях ползучести и изготовленных из теплоустойчивых и жаропрочных сталей. Угловые соединения можно допускать лишь для неответственных соединений, как, например, при приварке ребер жесткости к цилиндрам низкого давления, работающим при относительно низких напряжениях и при умеренных температурах.