книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

М . Ф . С и ч и к о в

МЕТАЛЛЫ В ТУРБОСТРОЕНИИ

Издание второе, переработанное и дополненное

МОСКВА, «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1974

C4I

УДК 62-135 : 620.1.002

Гос. пуЗ,5Ич-.'Ч

к-ѵ-шо-'. -II

I оДыиотека •

ä • К З «.«»».*-3

< Ч;;.-:ТЛЛс.^Д-''Г; ffiv-NJ

'Щ~$зГр

Сичиков М. Ф. Металлы в турбостроении. Изд. 2-е, переработ. и доп. М., «Машиностроение», 1974, с. 288.

В книге описаны методы испытаний металлов, применяемых в турбострое­ нии, приведены основные требования к сталям и сплавам, используемым для ответственных деталей паровых и газовых турбин, а также характеристики всех этих материалов.

Второе издание книги (1-е изд. 1954 г.) существенно переработано и допол­ нено новыми данными, базирующимися на передовом опыте турбостроительных заводов и научно-исследовательских институтов.

Книга предназначена для инженерно-технических работников цехов, отде­ лов технического контроля и лабораторий турбинных заводов, а также для пер­ сонала тепловых электростанций. Табл. 79, ил. 62, список лит. 100 назв.

Рецензент канд, техн. наук Л. П. Трусов

333-70

70-73

038 (01)-73

(С) Издательство «Машиностроение», 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

К металлам, из которых изготовляют ответственные детали современных мощных паровых турбин, предъявляют особые тре­ бования. Эти металлы должны иметь высокие механическую прочность, пластичность, деформационную способность, стабиль­ ность свойств при высоких температурах, коррозионную и эро­ зионную стойкость и т. д. К прокату из легированных сталей, к поковкам, штамповкам, стальному фасонному литью и к другим металлическим заготовкам и полуфабрикатам, используемым в турбостроении, предъявляют высокие требования, так как ответственные детали турбин работают в весьма тяжелых условиях.

Оценивая эти условия, отметим:

значительные постоянные и переменные рабочие напряжения; высокие постоянные и циклически изменяющиеся рабочие

температуры; особенности среды, в которой работает металл (водяной пар—

перегретый, насыщенный и влажный) и которая вызывает хими­ ческое и механическое разрушение металла.

Роторы современных турбин имеют частоту вращения 3000 об/мин, а роторы турбин некоторых конструкций — и боль­ шую. Центробежные силы, возникающие при вращении роторов, имеющих значительную массу, с большими окружными скоростями, в некоторых случаях превосходящими скорость звука, вызывают высокие напряжения в деталях ротора. Рабочие лопатки, цельно­ кованые и сварные роторы турбин, диски и валы обычно являются наиболее тяжелонагруженными элементами турбины. С увели­ чением мощности турбоагрегата нагрузка на его ответственные детали и узлы возрастает. Соответственно повышаются и требова­ ния к металлу, из которого изготовляют эти детали.

Силы, действующие в турбине, вызывают в ее деталях различ­ ные напряжения — как постоянные, так и переменные по величине и знаку. Детали испытывают напряжения растяжения, сжатия, изгиба, кручения и т. д.

Так, в рабочих лопатках под действием центробежной силы возникают напряжения растяжения и изгиба. Сила пара, дей­ ствующая на лопатку, вызывает изгибающие напряжения, а не­ равномерность потока пара, обусловленная различными факто­ рами конструктивного и технологического характера, вызывает колебания лопаток.

5

Турбинный диск находится под воздействием центробежных сил, напряжений натяга, возникающих после горячей посадки диска на вал турбины, перепада давлений пара и т. д. Тангенциаль­ ные II радиальные напряжения, возникающие в диске, имеют разную величину на различных его участках. Неравномерность потока пара может вызывать колебания дисков.

Валы турбин испытывают напряжения растяжения, изгиба и кручения. Наибольшее значение имеют напряжения кручения от крутящего момента, передаваемого валом.

Основная равномерно распределенная нагрузка на диафрагмы паровой турбины обусловлена перепадом давлений пара. Под воздействием этой нагрузки диафрагма испытывает значительные изгибающие усилия.

Действующие на указанные детали турбин силы и порождаемые ими напряжения рассмотрены лишь схематически. В действитель­ ности их воздействие значительно сложнее. Это, в частности, объясняется наличием в деталях разнообразных концентраторов напряжений, влиянием переменных режимов работы турбин, вибра­ ционными явлениями и т. п.

Существенное влияние на ответственные детали паровых тур­ бин оказывают высокие температуры. Свойства металлов, дли­ тельно работающих при высоких температурах, значительно изменяются: прочность и твердость обычно снижаются; металл часто становится хрупким; коррозионное разрушение происходит интенсивнее; в определенных температурных интервалах изме­ няется микроструктура металла, возникает и развивается пол­ зучесть, релаксация и т. п. Эти изменения свойств в большинстве случаев приводят к тому, что срок службы металла снижается. При эксплуатации деталей из того же металла при нормальной температуре эти изменения свойств обычно не наблюдаются или не имеют существенного значения.

Турбины работают при переменных режимах. В процессе пуска, остановки, при увеличении или снижении нагрузки изме­ няются температура, давление пара, силы, действующие на де­ тали турбины.

Многократное воздействие циклически повторяющихся пере­ менных напряжений при изменениях температуры может вызвать в металле термическую усталость, снижающую срок его службы, Водяной пар и вода, непосредственно соприкасающиеся с метал­ лическими деталями, содержат соли, кислоты, щелочи, способные при известных условиях вызывать значительное коррозионное разрушение металла. С повышением температуры интенсивность коррозии обычно весьма заметно возрастает. Особенно сильно разрушается под действием коррозии металл рабочих лопаток турбин.

Поток пара в зоне низкого давления турбины несет взвешен­ ные и движущиеся с большими скоростями капельки воды, обра­ зующейся в процессе расширения и конденсации пара. Непре-.

6

рывно повторяющиеся в процессе работы турбины удары капель воды по поверхности деталей вызывают прогрессирующее эро­ зионное разрушение металла, которому особенно подвержены рабочие лопатки последних ступеней.

Для придания необходимых геометрических форм и получения требуемых свойств металлы, применяемые в турбостроении, подвергают разнообразным видам технологической обработки: отливке, ковке, штамповке, прокатке, термической обработке,

и химической прочности, достаточно хорошо поддаются обработке перечисленными технологическими способами.

Из приведенной далеко не полной характеристики условий работы металла ответственных деталей паровых турбин ясно, что здесь приходится иметь дело со Специфическим и весьма ши­

первостепенное значение. Вопросам выбора, изготовления и испытания металла и заготовок для ответственных деталей тур­ бины следует уделять серьезное внимание в процессе проектиро­ вания и производства. Необходимы также наблюдения за состоя­ нием металла ответственных деталей и в условиях эксплуатации.

Не все детали турбин работают в одинаково тяжелых условиях, поэтому по-разному необходимо подходить к вопросам выбора металла для рабочей лопатки и цилиндра, диска и диафрагмы, ленточного бандажа и промежуточной вставки и т. д. Существенно отличаются условия работы одноименных деталей в турбинах, имеющих разные мощности, давления и температуры пара. Более того, к деталям однородным, например к рабочим лопаткам, ра­ ботающим в одной турбине, предъявляют различные требования в зависимости от ступени лопаток. Условия работы лопаток первых ступеней значительно отличаются от условий работы лопаток последних ступеней.

Таким образом, важнейшим требованием к работникам турбо­ строительных заводов, занятым решением практических вопро­ сов выбора металла, его термической обработки, испытаний и оценки пригодности для деталей турбин, является требование конкретного учета условий работы деталей, анализа характера и величины испытываемых деталями напряжений, оценки темпера­ турных условий, влияния среды и т. д.

Повышение в турбинах высокого давления начальных пара­ метров пара, в первую очередь температуры до 480—500° С, обусловило существенное повышение требований к металлам тур­ бин. Некоторые ранее хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуа­ тации металлы оказались непригодными для работы в турбинных установках высокого давления; другие металлы представилось возможным использовать только при условии значительного сни­ жения допускаемых напряжений.

7

Как показали лабораторные исследования и опыт эксплуата­ ции, прочность, пластичность и другие свойства металлов суще­ ственно изменяются с повышением температуры от 400 до 500— 550° С. Рассматривая кривые рис. 1, убеждаемся, как снижаются в этом интервале температур пределы прочности и текучести хро­ мистых нержавеющих сталей 1X13 и 2X13, применяемых для изготовления рабочих и направляющих лопаток турбин, хромо­ молибденовой стали 34ХМ и углеродистой стали 35, из которых изготовляют диски, цельнокованые роторы, валы и другие детали турбин.

Повышение температуры, связанное с использованием пара высокого давления, замётно влияет на предел выносливости стали. Из рис. 2 видим, как снижается предел выносливости сталей 1X13 и 2X13 при повышении температуры с 300 до 550° С. Примерно таков же характер изменения предела выносливости и многих других используемых в турбостроении сталей при повышении температуры в указанном интервале.

Если при 400—420° С скорость ползучести сталей, применяемых в турбостроении, невелика и в связи с этим часто не принимается во внимание при определении допустимых нагрузок на металл, то при температурах около 500° С и выше скорость ползучести этих сталей резко возрастает. Поэтому при расчетах на прочность многих деталей турбин проблемы ползучести, длительной проч­ ности при высоких температурах приобрели важнейшее значение.

Для многих деталей турбин, работающих на паре высокого давления (рабочих лопаток первых ступеней, шпилек и болтов, корпусов стопорных клапанов и др), потребовалось применение

8

новых металлов, а следовательно, и освоение их выплавки, ковки, термической обработки. Для сварки деталей и узлов турбин были разработаны электроды, специальные обмазки, режимы сварки и последующей термообработки.

Значительным этапом в области изысканий и исследований металлов для деталей паровых и газовых турбин явились работы, связанные с созданием в начале 50-х годов турбин мощностью 150 тыс. кВт типа CBK-150-I с параметрами пара 170 ат и 550—580° С. Для деталей этих турбин были широко использованы аустенитные стали, так как разработанные ранее и применявшиеся стали пер­ литного, мартенситного, ферритного и мартенсито-ферритного классов не обладали необходимой жаропрочностью.

Освоение производства и опыт эксплуатации аустенитной стали как металла для деталей паровых турбин, работающих при вы­ соких температурах, показали, что эти стали имеют хорошие по­ казатели, характеризующие жаропрочность и жаростойкость, но при этом относительно дороги и содержат дефицитные легирую­ щие элементы. Свойственные аустенитным сталям малая тепло­ проводность и высокий коэффициент линейного расширения обусловливают склонность к трещинообразованию при измене­ ниях температуры. При горячей механической обработке, сварке, а также при необходимости осуществления сварных или механи­ ческих соединений аустенитных сталей со сталями перлитного класса возникают трудности. Поэтому были осуществлены иссле­ дования, направленные на повышение допустимой температуры эксплуатации сталей ферритного, мартенситного и мартенсито­ ферритного классов.

Успехи отечественной металлургии и металловедения в этой области позволили перейти в 1958 г. к производству турбин мощ­ ностью 150 и 200 тыс. кВт с начальными параметрами пара 130 ат (абсолютное давление) и 565° С без применения аустенитных ста­ лей. С 1960 г. в нашей стране начат выпуск мощных турбин с на­ чальными параметрами пара 240 ат и 560° С и температурой про­ межуточного перегрева 565° С. В эксплуатации находится уже значительное количество энергетических блоков с такими турби­ нами, имеющими мощность 300 тыс. кВт. Работают первые агре­ гаты мощностью 500 и 800 тыс. кВт. Детали этих турбин изго­ товляют в основном из низколегированных экономичных сталей.

Аустенитные стали были применены при изготовлении деталей турбин СВК-150 и предвключенных турбин сверхвысоких пара­ метров: СВР-50-1 II мощностью 50 тыс. кВт с начальным давлением пара 200 ат и температурой 550—570° С; Р-100-300 мощностью 100 тыс. кВт с параметрами пара 300 ат (абсолютное давление) и 650° С. Широко применяют аустенитные стали и сплавы также в производстве газовых турбин различной мощности и назначения.

Переход к производству крупных турбин сверхкритического давления мощностью 300—800 тыс. кВт и более в одном агрегате, доля которых в выработке электроэнергии тепловыми электро­

9