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

Глава V

МЕТАЛЛЫ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ СТАТОРОВ

Цилиндры, обоймы, диафрагмы и другие детали статора тур­ бины работают в менее тяжелых условиях, чем детали роторной группы— валы, диски, цельнокованые роторы и пр. Находясь в эксплуатации в относительно неподвижном состоянии, части статора турбины не испытывают тех значительных напряжений статического; динамического и знакопеременного характера, ко­ торые возникают в металле деталей ротора вследствие их вращения с большими скоростями.

Тем не менее условия работы многих деталей статора яв­ ляются весьма сложными. Цилиндры турбин испытывают в эксплуатации напряжения от давления движущегося пара. Это

величина усилий, действующих на стенки цилиндра. Во многих турбинах цилиндры работают в условиях очень значительных перепадов давлений и температур. Так, в цилиндре среднего дав­ ления конденсационной турбины мощностью 300 тыс. кВт раз­ ность температур по продольной оси от паровпуска до паровы­ пуска может превышать 500° С. Цилиндры или отсеки низкого давления, работающие в условиях вакуума, испытывают давле­ ние воздуха снаружи.

Значительные перепады температур имеют место в цилиндрах газовых турбин. Формы цилиндров весьма сложны, и на многих их участках имеет место более или менее значительная концентра­ ция напряжений. Для удобства сборки цилиндры выполняют разъ­ емными в горизонтальной плоскости; в некоторых конструкциях турбин цилиндры имеют и вертикальные разъемы. Части цилин­ дров соединяют между собой по разъемам болтами и шпильками. Фланцы цилиндров обычно весьма массивны, толщина их значи­ тельно превышает толщину стенок. Поэтому в месте перехода от стенки к фланцу приходится иметь дело с резкими изменениями сечения. Эти особенности конструкции приводят к тому, что в от­ дельных зонах отливок возникают значительные локальные на­ пряжения, которые могут превышать номинальные в 1,5—2,5 раза и более. При нестационарных режимах, имеющих место в процессе эксплуатации турбин, в металле возникают значительные допол*

202

іштельные напряжения, обусловленные изменением температур по сечению стенок.

Сложность конструктивных форм, значительные размеры и масса цилиндров создают значительные трудности в производстве отливок для них. В местах перехода от фланцев к стенкам часто сосредоточиваются литейные пороки и могут иметь место значи­ тельные напряжения. Повышение параметров рабочего тела, уве­ личение единичной мощности турбин, развитие систем регене­ рации пара сопровождаются усложнением конструктивных форм и увеличением размеров цилиндров. Нашедшие широкое применение в крупных турбинах двустенные конструкции цилиндров позво­ ляют уменьшить толщину фланцев горизонтального разъема, снизить разность давлений, действующих на стенки. В неко­ торых случаях применение двухстенных цилиндров позволяет упростить конструктивные формы и технологию производства отливок.

В турбинах средней и большой мощности и во многих кон­ струкциях турбин малой мощности паровые и сопловые коробки отливают отдельно и приваривают к цилиндру или присоединяют к нему на болтах. Это облегчает условия работы цилиндра и су­ щественно упрощает его изготовление. Паровые, сопловые и кла­ панные коробки имеют формы различной степени сложности в за­ висимости от конструкции турбины и работают в условиях дли­ тельного воздействия пара значительного давления и высокой температуры.

Диафрагмы испытывают напряжения от разности давлений пара в камерах двух соседних ступеней и работают при высоких тем­ пературах, различных для диафрагм разных ступеней. Диафрагмы так же, как и цилиндры, выполняют разъемными по диаметру в горизонтальной плоскости и закрепляют в пазах, проточен­ ных в теле цилиндра. Отдельные группы диафрагм двух, трех или более рядом расположенных ступеней во многих турбинах уста­ навливают в литые обоймы, которые применяют обычно для

линдра. В проточенных в обойме пазах устанавливают диа­ фрагмы.

Сегменты сопел работают в условиях воздействия высоких температур и давлений пара, поступающего в турбину. Часто сегменты испытывают абразивное воздействие твердых частиц (окалина с внутренней поверхности паропроводов и др.), увлекае­ мых потоком пара. Эти частицы вызывают в сегментах механиче­ ские повреждения эрозионного характера.

Для основных деталей статоров турбин в зависимости от ха­ рактера и условий их работы используют различные виды метал­ лических заготовок — стальное и чугунное литье, поковки, про­ кат, сварные, сварнолитые, сварнокованые, сварнолистовые кон­ струкции и пр.

203

СТАЛЬНЫЕ И ЧУГУННЫЕ ОТЛИВКИ ДЕТАЛЕЙ СТАТОРОВ

Цилиндры, выхлопные части, обоймы, сопловые коробки, часть диафрагм и многие другие детали турбин изготовляют из стальных и чугунных фасонных отливок. Производство отливок деталей статора представляет существенные трудности, так как конструктивные формы многих отливок (особенно цилиндров) весьма сложны, а их габаритные размеры и масса значительны, многие детали при больших габаритных размерах тонкостенные и имеют резкие переходы от малых к большим сечениям. Отливки ответственного назначения в зависимости от температурных усло­ вий изготовляют из углеродистых или низколегированных ста­ лей — хромомолибде'новой, хромомолибденованадиевой и др., из нержавеющих сталей с 12% хрома. Для изготовления многих деталей статоров газовых турбин применяют жаропрочные аусте­ нитные стали.

Стали для литья деталей турбин выплавляют обычно в основ­ ных электрических печах. Большое влияние на качество отливок оказывают состав и чистота шихты. В. П. Десницкий, анализируя большой опыт производства стальных отливок для деталей турбин, накопленный на заводах, отметил, что в качестве шихты для такого литья используют чистый, металлический лом, отходы проката и кузнечных заготовок, очищенный от песка брак фасонного литья, брак слитков и в ограниченном количестве чистую крупную стружку. Не следует применять ржавую легковесную шихту, так как при наличии в подготовленной порции ее 1% ржавчины в ванну на 1 т стали попадает 2,5 м3 водорода.

Производство для статоров турбин отливок жаропрочных ста­ лей, особенно сложнолегированных марок, легче осуществлять с применением свежих исходных материалов. Большое внимание следует уделять качеству огнеупорных материалов, от которого во многом зависит чистота металла. Важное значение имеют тща­ тельная разработка и осуществление технологии выплавки стали, методы ее раскисления. Все стадии технологического процесса производства отливок корпуса турбин необходимо строго контро­ лировать. Формовочные материалы, крепители, смеси, предупре­ ждающие пригорание, выбирают с учетом обеспечения высокого качества отливок.

В производстве форм и стержней для литых деталей турбин эффективно применяют разработанную в ЦНИИТМАШе техноло­ гию, при которой применяют жидкие самотвердеющие смеси. Такая технология позволила заменить процесс механического уплотнения смесей заливкой их в стержневые ящики и модели. Применение жидких самотвердеющих смесей принципиально усо­ вершенствовало литейное производство, повысило точность форм и размеров отливок. Значительные трудности в производстве от­ ливок деталей для турбин представляет обеспечение необходимых условий питания затвердевающих стенок, получение однородного

204

строения и свойств металла по сечению отливки, предотвращение опасности образования горячих и холодных трещин, коробления, пригара. При разработке конструкции ответственных отливок для турбин большой мощности необходимо создать условия для направленного, оптимального хода процесса затвердевания стали в литейной форме. Внутренние полости в отливке должны быть выполнены таким образом, чтобы каждая из них была доступна для очистки поверхности, удаления возможных дефектов, контроля качества.

Большое значение для обеспечения высокого качества литья имеет уровень технической оснащенности литейных цехов, меха­ низация и автоматизация технологических процессов. Термиче­ ская обработка должна создавать равномерную структуру ме­ талла отливки, необходимый уровень и однородность механи­ ческих свойств в различных ее сечениях. Для этого при разработке режимов термической обработки следует учитывать химический состав, конфигурацию, габаритные размеры, массу, толщину сте­ нок отливки и пр. Необходимо также, чтобы термические печи, контрольная и регулирующая аппаратура, обученность персо­ нала позволяли точно осуществлять заданную технологию термо­ обработки.

Для отливок деталей турбин, работающих при температурах до 425° С, техническими условиями рекомендуется углеродистая сталь 25.

После нормализации при 880—930° С (температуру уточняют

вэтих пределах в зависимости от химического состава отливки,

впервую очередь от содержания углерода) металл отливки по механическим свойствам должен удовлетворять следующим тре­

ного сужения и твердости являются факультативными.

Для отливок статоров паровых турбин широко применяют хро­ момолибденованадиевые стали 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ. Химиче­ ский состав (в %) этих сталей следующий:

Из этих сталей изготовляют отливки цилиндров, обойм, паро­ вых и сопловых коробок и др. Сталь 20ХМФЛ применяют для деталей, работающих при температуре пара до 540° С. Отливки из стали 15Х1М1ФЛ, содержащей больше, чем сталь 20ХМФЛ,

205

хрома, молибдена и ванадия, рекомендуются для деталей, работа­ ющих при температурах до 565° С. Физические свойства указан­ ных сталей приведены в табл. 46.

46. Физические свойства сталей для отливок деталей турбин

Для отливок деталей паровых турбин из сталей 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ техническими условиями рекомендуются следующие операции и интервалы температур термической обработки:

сталей, определяемые на пробных планках, должны удовлетво­ рять требованиям, приведенным в табл. 47.

Отметим, что хромомолибденованадиевые стали обладают по­ вышенной чувствительностью к скорости охлаждения от темпе­ ратуры нормализации. Это относится в большей мере к стали

206

47. Механические свойства отливок для различных деталей турбин

15Х1М1ФЛ. В крупных отливках из данной стали в ряде случаев обнаруживают обусловленную чувствительностью к скорости охлаждения неоднородность прочностных свойств и ударной вязкости в различных зонах и сечениях. Как показали исследова­ ния, показатели прочности и, особенно, предел текучести зако­ номерно уменьшаются при переходе от тонких к массивным сечениям; минимальные значения этих показателей наблюдаются обычно в центральных зонах фланцев цилиндров. В структуре металла в массивных сечениях отливки, где прочность понижена, преобладают феррит и ферритокарбидная смесь грубого строения, что связано с пониженной скоростью охлаждения отливок в этих сечениях после нормализации. Для устранения неоднородности свойств рекомендуется применять принудительное охлаждение при нормализации крупных отливок.

Характеристики жаропрочности хромомолибденованадиевых сталей 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ приведены в табл. 48. Стабильность свойств хромомолибденованадиевых сталей в условиях воздей­ ствия рабочих температур удовлетворительная.

Л. П. Трусов, М. И. Солоноуц и др. исследовали свойства ме­ талла паровой задвижки из стали 15Х1М1ФЛ после эксплуатации в течение 46 000 ч при 140 ат и 570° С.

Результаты кратковременных испытаний образцов, взятых из различных участков отливки, при 20 и 570° С приведены в табл. 49.

Предел длительной прочности при 570° С для 50 000 ч (при оценке жаропрочности учитывали срок, в течение которого за­ движка находилась в эксплуатации, а экстраполяцию проводили

207

48. Характеристики жаропрочности хромэмэлибденованадиевых сталей

49. Механические свойства задвижки из стали 15Х1М1ФЛ

В процессе эксплуатации произошло некоторое разупрочнение металла, однако уровень механических свойств в основном удо­ влетворял требованиям технических условий.

Для литых деталей корпусов турбин большой мощности с на­ чальными параметрами пара 240 ат, 560—580° С потребовались стали с более высокими показателями жаропрочности, чем ука­ занные для сталей 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ. Перспективными в этом

надежных металлов для рабочих лопаток и поковок роторов, работающих при высоких температурах.

А. И. Чижик и И. С. Жаковская исследовали три варианта литых сталей для работающих при высоких температурах корпус­ ных деталей паровых турбин на основе модифицированной 1 2 %-ной хромистой стали 15X11МФ, применяемой в качестве металла для лопаток (см. гл. III). Исследования были проведены на типичных для паротурбостроения опытных отливках (массой 0,85—5 т) верхней половины цилиндра, паровых и сопловых коробок, корпуса клапана автоматического затвора. Сталь выплавляли из свежих шихтовых материалов в дуговых электрических печах. Все отливки подвергали двойной нормализации (с 1100—1150° С и с 1050— 1060° С) с воздушно-водяным охлаждением крупных отливок и охлаждением на спокойном воздухе отливок меньших

208

развесов, а затем отпуску при 720—750° С. Отливки, у которых после такой термической обработки наблюдалась повышенная твердость, подвергали дополнительному отпуску.

Все опытные отливки были разрезаны в целях выявления внутренних дефектов, изучения однородности структуры и меха­ нических свойств, характеристик жаропрочности. На основании

Механические свойства этой стали после отжига, двойной нормализации и отпуска приведены в табл. 50. Свойства, харак­

Для 580° С пределы ползучести и длительной прочности по­ лучены при а0і2 = 61 -^65 кгс/мм2, для 565 и 600° С — при а0 2 =

=47 -ь55 кгс/мм2.

50.Механические свойства отливок деталей турбин из стали 1Х11МФБЛ (15Х11МФБЛ)

Для цилиндров, сопел и других литых деталей турбин, рабо­ тающих при температурах до 600° С, рекомендована высокохро-

мистая сталь 1Х12ВНМФЛ (15Х12ВНМФЛ) следующего состава (в %):

толщина стенок более 50мм, то после двойной нормализации) при 1050— 1100° С с принудительным охлаждением со скоростью

были определены при испытаниях стали 1Х12ВНМФЛ с пределом текучести 45—70 кгс/мм2 и составили:

Механические свойства отливок из этой стали могут изме­ няться в довольно значительных пределах в зависимости от тол­ щины стенок и структуры металла после термической обработки. Были исследованы свойства при различных температурах металла отливки цилиндра турбины массой 7,5 т из стали 1Х12ВНМФЛ следующего состава (в %):

Отливка после отжига была подвергнута двойной нормализа­ ции с 1100 и с 1050° С и отпуску при 700—720° С. Образцы для испытаний на растяжение и удар были вырезаны из стенок тол­ щиной 50—70 мм и 300—400 мм. В табл. 51 приведены сравни­

Для металла образцов, вырезанных из стенки толщиной 300— 400 мм, характерен больший разброс показателей прочности и пластичности при более низких средних их значениях, чем для металла образцов, вырезанных из стенок толщиной 50—70 мм. Снижению и разбросу значений механических характеристик в стенках большей толщины сопутствует значительное увеличе­ ние количества свободного феррита в структуре металла.

Для литых деталей арматуры, работающих при температурах

210

12Х11В2НМФЛ при комнатной температуре имеет следующие механические свойства: о0л = 64 -т-70 кгс/мм2; сгв =--=77 4 - 8 6 кгс/мм2;

равен 5,5 кгс/мм2, а предел длительной прочности (100 000 ч) составляет 6,7—9,2 кгс/мм2.

В качестве металла цилиндров низкого давления и выхлопных патрубков многих конструкций паровых турбин малой и средней мощности, диафрагм и других деталей турбин используют чугун различных марок. Чугун представляет собой железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2 % (обычно 2—4%). Углерод в чугунах может находиться в структурно­ свободном или связанном состоянии.

Существует несколько разновидностей чугуна, отличающихся друг от друга главным образом состоянием углерода: белые чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии; серые чугуны, в которых углерод в значительной мере или пол­ ностью находится в свободном состоянии, в форме пластинчатого графита; -высокопрочные чугуны, где углерод в большой мере или полностью находится в свободном состоянии, главным образом в форме шаровидного графита; ковкие чугуны, которые получают методом отжига отливок из белого чугуна (в них весь углерод или значительная его часть находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита).

Характерная особенность структуры чугунов (кроме белых) — наличие свободного графита в виде включений различной формы и размеров. Графит является одной из аллотропических форм угле­ рода. Плотность графита 2,2 г/см3, твердость НВ 3—5. Микро­