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

МЕТАЛЛЫ ВАЛОВ И ЦЕЛЬНОКОВАНЫХ РОТОРОВ

Металл вала турбины испытывает в эксплуатации напряжения от собственного веса и веса всех деталей, которые насажены на вал, а также от крутящего момента, соответствующего переда­ ваемой валом мощности. Металл работает в условиях длительного воздействия высоких температур, различных по длине вала. Наиболее высокая температура имеет место у первых ступеней; на шейках подшипников и на концах вала температура невысока — около 50—80° С. Температурные условия изменяются и по тол­ щине вала. Наряду с постоянными по величине и знаку напря­ жениями на металл вала действуют и переменные напряжения. Они обусловлены, например, тем, что обычно центры тяжести деталей ротора не лежат на геометрической оси вала. Отсюда — возможность вибрации вала в процессе эксплуатации турбины.

На валы и роторы действуют: периодические нагрузки, обу­ словленные несимметрией магнитного поля генератора; перегрузки, возникающие в случае короткого замыкания, и пр. Эти периоди­ ческие нагрузки и их влияние на надежность службы валов и ро­ торов изучены недостаточно. Как постоянные, так и переменные напряжения различны на разных участках вала.

В большинстве случаев валы турбин проектируют и изготов­ ляют ступенчатыми — с различными диаметрами на разных уча­ стках (некоторые турбины выполняют с гладкими бесступенча­ тыми валами). В местах перехода от одного диаметра к другому имеет место концентрация напряжений. На валах имеются шпо­ ночные канавки, вокруг которых также неизбежна концентрация напряжений.

Получение высококачественной и вполне надежной в эксплуа­ тации поковки вала турбины представляет существенные труд­ ности в связи со значительными габаритными размерами и массами валов. Достаточно высокие и однородные прочность и пластич­ ность металла могут быть достигнуты при тщательном выполнении всех этапов технологического процесса производства. Металл вала должен быть свободен от загрязнений шлаками и неметал­ лическими включениями, от флокенов, трещин, плен и других дефектов. Необходимо чтобы внутренние напряжения в поковке были минимальными, так как иначе возникает опасность вибрации и прогиба вала в эксплуатации.

Серьезные трудности представляет производство цельноко­ ваных роторов. Размеры и масса их обычно больше, чем валов. Геометрические формы цельнокованых роторов более сложны. Роторы турбин должны работать безаварийно, так как их раз­ рушение может привести к тяжелым последствиям. Максималь­ ные напряжения в процессе эксплуатации имеют место в централь­ ной зоне ротора на поверхности внутреннего отверстия, которым

182

ковок чаще встречаются металлургические дефекты, а механи­ ческие свойства ниже, чем в периферийных зонах.

Эффективность термической обработки центральной части по­ ковки ротора или вала также ниЗке, чем обработки других зон. По данным, приведенным П. Д. Хинским, в цельнокованом роторе с наружным диаметром 800 мм и диаметром отверстия 80 мм при закалке интенсивность охлаждения через центральное отверстие примерно в 10 раз меньше, чем через наружную поверхность бочки.

С увеличением единичной мощности и повышением параметров турбин производство поковок цельнокованых роторов и валов усложняется, так как размеры и масса этих поковок увеличи­ ваются, а нагрузки на роторы возрастают. Например, цельно­ кованый ротор из стали Р2М цилиндра среднего давления одновальной турбины мощностью 800 тыс. кВт с начальными пара­ метрами пара 240 ат, 560° С имеет полную длину 7500 мм, расстоя­ ние между осями подшипников 6590 мм; масса ротора без лопаток 30,2 т, а с рабочими лопатками 34,5 т. Этот ротор по его массе и массе слитка, из которого он был откован, превосходит все изготовлявшиеся ранее цельнокованые роторы из стали Р2М. Разработка и осуществление технологического процесса произ­ водства ротора цилиндра среднего давления потребовали значи­ тельных усилий специалистов завода, где был создан первый такой ротор, и большого объема предшествовавших исследований.

Впрактике эксплуатации турбин известны серьезные аварии

врезультате повреждений роторов. Большое внимание привлекли

всередине 50-х годов повреждения нескольких крупных роторов

вСША: на электростанции Танерс-Крик (мощность турбоагре­ гата 125 тыс. кВт при 1800 об/мин) — после 2 лет эксплуатации; на электростанции Риджленд (мощность турбоагрегата 165 тыс. кВт

при 1800 об/мин) разрушение произошло при 1955 об/мин после 4 месяцев эксплуатации; на электростанции Кремби (мощность турбоагрегата 216 тыс. кВт при 3600 об/мин) разрушение последо­ вало при 3780 об/мин после 3 месяцев эксплуатации и др.

Исследования причин этих аварий проводились в течение ряда лет и дали весьма интересные результаты. Вышедшие из строя роторы были изготовлены из невакуумированной никельмолибденованадиевой и хромоникельмолибденованадиевой стали, тер­ мически обработанной для получения предела текучести 50— 60 кгс/мм2. По механическим свойствам образцов, взятых с на­ ружных зон поковок, роторы удовлетворяли требованиям тех­ нических условий. Однако, как показали исследования, в цен­ тральной части бочки ротора показатели пластичности и вязкости были значительно ниже.

Например, относительное удлинение, полученное на танген­ циальных образцах, взятых от ротора турбоагрегата мощностью 147 тыс. кВт на станции Аризона, составило 15— 16,5%, относи­ тельное сжатие 39,4—49,1%. Такие же образцы, вырезанные из центральной части бочки, имели показатели во много раз меньшие—

183

соответственно 3— 12,5% и 1,9— 18%. Значительно сниженной оказалась и ударная вязкость. Отмечено, что разрушение роторов было связано с наличием флокенов и сыгравших роль концентра­ торов напряжений скоплений неметаллических включений в глу­ бинных слоях бочек роторов.

' Обеспечению надежной и долговечной службы роторов необ­ ходимо уделять особое внимание как на предприятиях, изготов­ ляющих поковки для них, так и на турбостроительных заводах. Валы и роторы паровых турбин изготовляют из углеродистых сталей марок 35 и 40, хромистых, никелевых, хромоникелевых, хромомолибденовых, хромоникельмолибденовых и других марок стали. В табл. 37 приведены данные о применяемых марках стали, массах цельнокованых роторов и их поковок для паровых турбин большой мощности отечественного производства.

Как видим, цельнокованые роторы наиболее мощных турбин изготовляли в основном из трех марок стали: 25Х1М1Ф (Р2); Р2М; 20ХЗМВФ (ЭИ415). После того, как сталь Р2М была иссле­ дована в достаточных масштабах в лабораторных и производствен­ ных условиях, она заменила сталь Р2. Техническими условиями на поковки валов и роторов стационарных паровых турбин реко­ мендуется изготовлять их из сталей восьми марок, химический состав которых приведен в табл. 38. Этими же техническими усло­ виями предусмотрено изготовление поковок валов и роторов пяти различных категорий прочности (табл. 39).

‘ Сталь для валов и роторов плавят в кислых мартеновских или основных электрических печах. При отливке слитков при­ меняют вакуумирование. Значительного повышения качества стали можно достигнуть, применяя электрошлаковый и вакуумно-ду­ говой переплавы, интенсивную ковку с использованием мощных и быстродействующих прессов, механизацию основных и вспомо­ гательных операций. Нагревательные печи должны обеспечивать безокислительный и равномерный нагрев заготовок. Технологи­ ческий процесс ковки следует разрабатывать и осуществлять та­ ким образом, чтобы были обеспечены плотность, однородность и чистота металла. Ось поковки вала или ротора должна примерно совпадать с осью слитка.

Ранее в разделе, посвященном металлам для поковок дисков паровых турбин, были даны сведения о критических точках и режимах термической обработки сталей, которые применяются также и для производства валов и цельнокованых роторов. Отме­ тим, что поковки валов и роторов из стали этих марок подвергают закалке с отпусков или нормализации с отпуском в зависимости от необходимой категории прочности. Физические свойства сталей Р2М, Р2 и 20ХЗМВФ, широко используемых для поковок роторов,

приведены в табл. 40.

Критические точки сталей Р2, Р2М и 20ХЗМВФ и рекомендуе­ мые режимы термической обработки валов и цельнокованых ро­ торов, изготовляемых из этих сталей, приведены в табл. 41.

184

185

186

Механические свойства металла поковок приведены в табл. 42—44.

Для роторов паровых турбин перспективными являются высо­ кохромистые упрочненные стали. Изготовлены и исследованы опытные поковки из таких сталей.

Механические свойства валов после окончательной термической обработки определяют на продольных образцах, вырезанных из припусков, являющихся полномерным продолжением обоих кон­ цов вала, на глубине средней трети радиуса. В отдельных случаях, по договоренности между поставщиком и заказчиком, испытывают

187

42. Механические свойства сталей в зависимости от температуры

ные, вырезаны из сту­ пицы

тангенциальные образцы. Для цельнокованых роторов кроме образцов, взятых с концов вала, дополнительно испытывают тан­ генциальные образцы из кольца, отрезанного от бочки ротора со стороны, соответствующей верху слитка.

Испытания механических свойств валов и роторов проводят на заводе—изготовителе поковок и, повторно, на турбинном за-

188

44. Механические свойства поковок из стали 20ХЗМВФ

воде, для которого они изготовлены. Из продольного припуска обычно вырезают один образец для испытаний на растяжение, два для исследований на ударную вязкость и один для испытаний на изгиб. Чтобы получить более надежные результаты, целесооб­ разно испытывать на турбинных заводах по два образца на растя­ жение и по три — на ударную вязкость. Образцы берут от каждого продольного припуска.

Не создавая существенной дополнительной загрузки, так как количество обрабатываемых валов и роторов в течение года на турбинном заводе сравнительно невелико, указанное увеличение количества образцов повышает надежность результатов испыта­ ний, а значит и уверенность в правильности принимаемых решений о пригодности поковок. С кольца на бочке ротора обычно берут по два образца для испытаний на растяжение, по два на ударную вязкость и по одному на изгиб. Образцы на растяжение и удар­ ную вязкость вырезают из диаметрально противоположных участ­ ков кольца.

Испытания на изгиб проводят вокруг оправки диаметром 40 мм. Твердость в различных точках по окружности вала или бочки рбтора не должна отклоняться более чем на НВ 30, а по длине на НВ 40. Так же, как и в поковках дисков, в металле валов и роторов не допускается наличие таких дефектов, как трещины, остатки рыхлости, флокены, волосовины и пр. Единичные дефекты можно удалять пологой вырубкой или зачисткой, если их глу­ бина не превышает 2/3 припуска на окончательную механическую обработку. Это не относится к флокенам, обнаружение которых является основанием для признания поковки непригодной.

Техническими условиями на заготовки валов и цельнокованыхроторов стационарных и транспортных турбин на шейках валов

189

ироторов допускаются разрозненные неметаллические включения

ипоры длиной до 1 мм (не более пяти), а длиной до 1,5 мм (не более двух) на площади до 25 см2. Таких включений на шейке допу­ скается не более 15. Поверхности шеек в местах посадки подшип­ ников не должны иметь неметаллических включений.

Травлению на флокены подвергают шейки и торцы валов и

.цельнокованых роторов. В последних дополнительно травят по­ верхности у основания бочки ротора, на ее торцах и на отдельных участках вала между дисками. Травление проводят дважды: у поставщика после черновой механической и термической обра­ ботки и на турбостроительном заводе после обработки с при­ пуском до 2 мм. Травление и осмотр выполняют, как было описано для дисков. Серные отпечатки берут на тех же участках, где проводят травление.

Крупные валы и роторы обычно изготовляют полыми, а для выявления трещин, волосовин и пр. тщательно осматривают пред­ варительно отполированные внутренние поверхности. Для осмотра осевых отверстий применяют весьма совершенные приборы, позво­ ляющие не только рассмотреть тот или иной дефект на внутрен­ ней поверхности, но и сфотографировать его. На поверхности осе­ вого отверстия (при перископическом осмотре с двукратным уве­ личением) не допускаются трещины, раковины, остатки усадочной рыхлости, неметаллические включения длиной более 3 мм или скопления мелких неметаллических включений размером до 1,5 мм в количестве более 10 шт. на площади 60 см2; не допускаются также включения, расположенные цепочкой. Общее количество включений всех размеров на поверхности осевого отверстия не должно превышать 75 шт.

Установление того или иного количества и размеров дефектов, выявляемых в процессе испытаний поковок дисков, валов, рото­ ров и других заготовок в качестве критерия для оценки их год­ ности, является в значительной мере условным и не может счи­ таться строго обоснованным. Поэтому, несмотря на то, что кри­ терии вырабатываются обычно с использованием данных много­ летнего опыта производства и эксплуатации заготовок соответ­ ствующих видов, следует предостеречь от формального подхода к вопросу о пригодности заготовок, где наблюдается несколько повышенное количество неметаллических включений.

В таких случаях необходим тщательный и всесторонний ана­ лиз результатов всех испытаний заготовки, изучение фактически осуществленного технологического процесса ее производства, для того чтобы избежать необоснованного забракования загото­ вок. Это следует иметь в виду особенно при осмотре крупных поко­ вок роторов со сложным и длительным циклом производства.

Поковки роторов и валов с диаметром не менее 400 мм подвер­ гают контролю на остаточные напряжения. Их определяют по деформации кольца, отрезанного от бочки ротора или от вала со стороны, соответствующей большему диаметру (рис. 56). Изме­

190

рения проводят по наружному диаметру кольца, расчет остаточ­ ных напряжений по изменению диаметра кольца ведут аналогично описанному для дисков. Отрезая кольцо и измеряя его, необ­ ходимо соблюдать те же предосторожности, которые указаны для дисков. Техническими условиями для поковок валов и рото­ ров допускаются остаточные напряжения, не превышающие

5кгс/мм2.

іДля суждения о степени структурной однородности, симметрич­ ности строения металла валов и роторов их подвергают так назы­ ваемому тепловому испытанию, проводимому на турбинном за­

воде, когда механическая обработка вала или ротора близка к окончательной. Некоторые заводы оставляют припуски на все диаметры до 2 мм на сторону, другие подвергают тепловому

гиба от собственного веса, медленно на­ гревают до температуры, определяемой в зависимости от темпе­

ратуры эксплуатации и марки стали, из которой изготовлена поковка.

Температура нагрева превышает максимальную температуру рабочей среды не менее, чем на 50° С; валы и роторы из углероди­ стой, хромистой или никелевой стали обычно нагревают до 400° С, из сталей 34ХМ, 34ХН1М — до 450° С, из стали Р2М — до 550° С. При заданной температуре ротор выдерживают до ее выравнива­ ния по всему сечению, после чего ротор медленно охлаждают. В течение всего времени нагрева, выдержки и начального периода охлаждения измеряют индикаторами прогиб испытываемого вала или ротора.

Если при тепловом испытании ротора обнаруживается прогиб, достигающий наибольшего значения при максимальной темпе­ ратуре, уменьшающийся по мере ее снижения и исчезающий при полном охлаждении ротора, то, значит, поковка имеет существен­ ную несимметричность строения, неблагоприятное расположение сегрегационной зоны, местные рыхлости, несовпадение оси по­ ковки с осью слитка или другие отклонения от нормы. Эти де­ фекты, обнаруживаемые при нагреве вследствие разной тепло­ проводности металла в радиальных направлениях, будут препят­ ствовать нормальной эксплуатации турбины. Поэтому при таких результатах испытания вал или ротор обычно бракуют, так как подобная несимметричность строения, как правило, не может быть устранена термической обработкой, а другие методы нельзя применить, так как ротор почти не имеет припусков.

191