Тема 1.6. Коррозионностойкие стали для элементов оборудования водо-
1.7. Конструкционные материалы турбин АЭС
100
трубок, особенно в нижней части в местах заделки их в трубную доску. Счи- тается, что разрушение труб в местах заделки в трубные доски происходит в результате скапливания в указанных местах продуктов коррозии, вызываю- щих деформацию труб, и последующего межкристаллитного коррозионного растрескивания. Наряду со случаями выхода из строя парогенераторов с трубными системами из высоконикелевых сплавов в США отмечается высо- кая надежность подобных парогенераторов в Японии и Франции. Такое раз- личие объясняется, прежде всего, более глубокой очисткой питательной во- ды.
временное сопротивление (предел прочности) – напряжение в образце, вызывающее разрушение образца при однократном приложении нагрузки;
относительное удлинение при кратковременном разрыве – сред- нее значение остаточного удлинения на длине образца после разрушения его однократным нагружением;
поперечное сужение при разрыве – относительное уменьшение площади поперечного сечения образца в шейке после его разрушения одно- кратным нагружением;
ударная вязкость – удельная работа разрушения при изгибном ударе образца стандартной формы с концентратором;
угол холодного изгиба – угол, на который изгибают специальный образец до появления первой трещины на растягиваемой стороне;
твердость по Бринеллю НВ.
Важными характеристиками сталей, используемых для изготовления лопаток являются также:
предел усталости – амплитуда циклического напряжения при симметричном нагружении, вызывающего усталостное разрушение образца через определенное число циклов, называемое долговечностью при устало- сти;
логарифмический декремент колебаний – относительное рассея- ние энергии в материале за один полный цикл изменения напряжений.
Для металлов, работающих в условиях высоких температур, например, деталей газовых турбин АЭС с высокотемпературными реакторами, суще- ственны характеристики ползучести – предел ползучести и предел длитель- ной прочности.
Все механические характеристики существенно зависят от термообра- ботки, режим которой оговаривается для каждого материала.
Механические характеристики некоторых сталей и область их приме- нения в турбинах АЭС приведены в табл.1.24.
Таблица 1.24. Механические характеристики сталей и область их применения в турбинах АЭС
Марка стали
Механические характеристики
HB Область
применения
0,2, МПа
в,
МПа ,% ,% КСU, кДж/м2 не менее
12Х13 440-
610 620 20 60 780 193-
230
Рабочие и сопловые лопатки, сварные диафрагмы, банда- жи, сегменты уплотнений
12Х13-Ш 540- 670 16 60 590 207- Рабочие и сопловые
102
705 241 лопатки, сварные
диафрагмы, банда- жи, сегменты уплотнений
20Х13 490-
655 670 18 50 690 207-
241
Рабочие и сопловые лопатки, сварные диафрагмы, банда- жи, сегменты уплотнений
20Х13-Ш 490- 655
617-
784 18 50 690 207-
241
Рабочие и сопловые лопатки, сварные диафрагмы, банда- жи, сегменты уплотнений
15Х11МФ 670-
785 815 13 40 400 255-
285
Рабочие лопатки по- следних ступеней 15Х11МФ-Ш 590-
775 740 15 50 590 229-
269
Рабочие лопатки по- следних ступеней 15Х12ВНМФ,
15Х12ВНМФ-Ш
590-
735 740 15 50 590 229-
269
Рабочие лопатки 18Х11МФБ,
18Х11МФБ-Ш
590-
735 750 15 50 500 229-
269
Рабочие лопатки 34ХН3МА 640-
835 765 11 32 450 -
Цельнокованые ро- торы при темпера- туре до 350°С
25Х1МФ 490-
665 785 15 35 400 -
Цельнокованые ро- торы при темпера- туре до 350°С
32ХМ1А 470-
635 635 14 35 500 255 Сварные роторы
25Л 235 440 19 30 400 -
Корпуса ЦВД, кор- пуса клапанов паро- распределителя 15Х1М1ФЛ 295-
540 490 16 35 300 160-
225
Корпуса ЦВД, кор- пуса клапанов паро- распределителя
Ст3сп 245 370-
490 26 - 700 - Корпуса ЦНД,
обоймы ЦНД
20 245 412 25 55 900 - Компенсаторы, ре-
сиверы
12Х18Н9Т 216 510 35 40 540 - Компенсаторы, ре- сиверы
25Х1МФ 665-
785 815 16 50 600 - Крепежные
детали
35 350 540 16 40 600 - Крепежные
детали
35ХМ 635-
786 785 13 40 600 - Крепежные
детали
К наиболее ответственным элементам паровых турбин относятся ло- патки, ротора, корпуса турбин.
Материал лопаток выбирается с учетом статических напряжений в пе- ровой и рабочей части. Важными требованиями, предъявляемыми к материа- лу лопаток, являются его эрозионная и коррозионная стойкость. Металл ло- паток должен не иметь волосовин, способных снижать усталостную проч- ность. Резкое уменьшение склонности к образованию волосовин обладает металл электрошлакового переплава. Для обеспечения работоспособности лопаток в зоне влажного пара (лопатки последних ступеней ЦНД) проводит- ся противоэрозионное упрочнение их кромок и околокромочной зоны. Это упрочнение осуществляется путем электроискрового нанесения твердого сплава (например, стеллита), напайкой пластин из твердого сплава и поверх- ностной закалкой околокромочной зоны лопаток с применением ТВЧ. Для лопаток турбин, применяемых в одноконтурных АЭС, наплавка твердым сплавом, содержащим кобальт, не допускается. Бандажная лента для лопаток изготавливается из термически обработанного материала с тем же коэффици- ентом линейного расширения. На поверхности ленты не допускаются трещи- ны, плены, расслоения.
На рис.1.19 приведен внешний вид лопаток паровой турбины К-1200-6,8/50.
Рисунок 1.19. Лопатки паровой турбин К-1200-6,8/50
Рабочие лопатки всех ступеней, за исключением двух последних, изго- тавливаются из коррозионностойкой, жаростойкой и жаропрочной хроми- стой нержавеющей сталей 12X13 (12Х13-Ш), 20Х13 (20Х13-Ш). Стали обла- дает высоким декрементом колебаний во всем диапазоне рабочих темпера-
104
тур. Из этой же стали изготавливаются замки и замковые лопатки, бандажи всех видов: ленточные, трубчатые и проволочные.
Для высоконагруженных рабочих лопаток последних и предпоследних ступеней мощных турбин применяется коррозионностойкая сталь 15X11МФ.
Лопатки последней ступени турбины К-1000-60/1500 («Турбоатом») изготав- ливают из стали 12Х11МФ-Ш, турбины К-1000-60/3000 («ЛМЗ») изготавли- вают из сплава титана ТС-2.
Лопатки последней ступени турбины К-1200-6,8/50 («ЛМЗ») (рис 1.18) изготавливаются из сплава титана ВТ-6 (Ti; Al 5,5-67,7; V 3,5-4,5; C 0,1; Fe 0,4) с цельно фрезерованным бандажом с торцевым елочным хвостом. При- менение такой лопатки позволяет в быстроходной турбине 1200 МВт реали- зовать глубокий вакуум.
Рис. 1.20. Принципиальная схема рабочей лопатки турбины К-1200-6,8/50: 1 – рабочая часть (перо); 2 – хвостовик; 3 – отверстия под проволочную связь; 4 – инте-
гральный бандаж; 5 – утолщение; 6 – профильная часть; 7 – выходная кромка; 8 – входная кромка
Сплав ВТ6 благодаря легирующим добавкам имеет очень высокое ка- чество. В химический состав сплава входит алюминий, который благоприят- но влияет на прочность, измельчая зерно стали, повышает жаростойкость сплава, а также ванадий, который повышает пластичность, вязкость, улучша- ет структуру и способствует закаливаемости. Механические характеристики сплава ВТ-6 приведены в таблице 1.25.
Таблица 1.25. Характеристики последней ступени части низкого давления турбины К-1200-6,8/50
Компонент турбины
Марка материала
Механические свойства, не менее
0 2
,
МПа B, МПа ,
%
,
%
KCU, кДж/м2
Пятая ступень
ЦНД
ВТ-6
820 950-1200 10 25 350
В паровых турбинах АЭС применяются цельнокованые роторы, свар- ные роторы и роторы с насадными дисками.
На рис.1.21 представлен внешний вид ротора низкого давления турбо- установок 1000 МВт.
Рисунок 1.21. Ротор низкого давления турбоустановок мощностью 1000 МВт
Роторы омываются паром. Поэтому их ресурс в частности определяет- ся коррозионной стойкостью материала. Тем не менее, как правило, роторы изготавливают из конструкционных легированных перлитных сталей и лишь в отдельных случаях из коррозионно-эрозионностойких сталей. В случае ис- пользования паровых турбин для одноконтурных АЭС содержание кобальта в стали не должно превышать 0,05 %. Важным требованием, предъявляемым к материалу, является обеспечение переходной температуры хладноломкости по критерию 50 % волокна в изломе. При изготовлении заготовок роторов используются специальные технологические процессы, обеспечивающие до- статочный уков и чистоту металла. Отливка слитков производится с приме- нением вакуумирования. Термическая обработка производится в специаль- ных печах, обеспечивающих постоянство температуры в разных участках за- готовки ротора. При отработке технологического процесса после термиче- ской обработки производится разрезка и исследования опытных заготовок на заводе поставщике, предусматривающие испытания механических свойств и структуры на образцах, вырезанных в различном направлении из различных участков ротора. Кроме обеспечения требований по механическим свойствам и переходной температуре хладноломкости металл роторов должен обладать малым разбросом прочностных характеристик по наружному диаметру. К материалу ротора предъявляются требования по микроструктуре, величине остаточных напряжений, результатам ультразвукового контроля, перископи- ческого контроля и тепловых испытаний, оговоренные специальными техни-
106
ческими условиями. Индивидуальный контроль металла ротора производится путем определения механических свойств с обоих концов бочки ротора, а также из кольца от бочки ротора. Образцы вырезаются из диаметрально про- тивоположных мест кольца. Ультразвуковой контроль производится после термической обработки. Контроль за однородностью свойств штатных заго- товок производится путем измерения твердости по Бринеллю в различных точках. Отсутствие ликвации химического состава металла и его чистотой производится методом снятия серных отпечатков. Для заготовок роторов, проходящих термическую обработку без центрального отверстия, произво- дится трепанация ротора с извлечением осевого стержня и его испытаниями.
Причина требований к однородности структуры и механических свойств за- ключается в следующем. При длительной работе ротора исходная анизотро- пия механических свойств и структуры в разных точках окружности может приводить к погибу оси ротора в связи отличиями сопротивления ползучести и предела текучести металла с разными структурами. Поэтому требования минимального разброса свойств в заготовке ротора напрямую связаны с надежностью его длительной эксплуатации. Для обеспечения надежной ра- боты шеек валов в подшипниках используются насадные втулки и наплавки поверхностного слоя.
Цельнокованые роторы с рабочей температурой ниже 300 °С изготав- ливаются из перлитной хромоникелемолибденовой стали 34XH3MA. Для ро- торов, работающих в области умеренных и высоких температур (выше 350°С), применяются жаропрочные стали 20ХЗМВФА и 25X1М2Ф.
Сварные роторы быстроходных турбин АЭС изготавливаются из пер- литной слаболегированной стали 32ХМ1А, получаемой с помощью вакуум- но-дугового или электрошлакового переплава. Поковки элементов сварных роторов тихоходной турбины К-500-60/1500 выполнены из хромомолибдено- никелеванадиевой стали 24Х2НМФА. Ротор турбины К-1000-60/1500 («Тур- боатом») изготавливают из стали 25Х2НМФА, турбины К-1000-60/3000 – из стали 27Х3МФА.
Для лопаточных и роторных сталей устанавливается не только нижняя, но и верхняя граница предела текучести. Превышение последней недопусти- мо, так как при этом происходит резкое смещение критической температуры хрупкости в область положительных температур, а для металлов поковок дисков и хвостовиков сварных роторов – из-за повышения склонности к тре- щинообразованию при сварке.
Детали направляющего аппарата изготавливаются из разных материа- лов. В их число входят хромистые коррозионностойкие стали, обладающие стойкостью против щелевой эрозии, низколегированные перлитные стали и литые диафрагмы из чугуна с использованием бандажей из нержавеющей стали. Тела и ободья сварных диафрагм ЦВД изготавливаются из хромистых нержавеющих сталей 08X13 или 12X13, а в ЦНД – из углеродистой стали
марки Ст3сп. Сопловые лопатки, бандажные ленты и сегменты уплотнений сварных диафрагм выполняются из хромистой стали 12X13.
Корпуса цилиндров высокого давления и клапанов парораспределения выполняются литыми из углеродистой стали 25Л (в турбине К-220-44, наружный корпус ЦВД турбины К-500-65/3000) или хромомолибденованади- евой стали 15Х1М1ФЛ (внутренний корпус ЦВД турбин К-500-65/3000, К- 500-60/1500).
Корпуса и обоймы ЦНД турбин также выполняются сварными из про- ката углеродистой стали спокойной выплавки – Ст3сп.
Для ответственных сварных деталей, работающих под давлением (лин- зы компенсаторов, обечайки ресиверов и др.), применяется углеродистая ка- чественная конструкционная сталь марки 20 или хромоникелевая аустенит- ная сталь 12Х18Н9Т (детали ресивера турбины К-500-65/3000 от ЦВД к СПП).
1.8. Конструкционные материалы трубопроводов и арматуры