Ремонт турбины К-200-130 ЛМЗ

 

 

4. Общие сведения о металлах.

 

Металлами, как известно, называются вещества, обладающие определенными физическими и механическими свойствами: непрозрачностью, характерным металлическим блеском, теплопроводностью, электропроводностью, свариваемостью, пластичностью, ковкостью и другими свойствами. Металлы в твердом состоянии состоят из различных по размеру и по форме кристаллов (зерен). Форма и размер зерен зависят от многих причин – условий затвердевания расплавленного металла, последующей его термической обработки и др.

Некоторые металлы (железо, никель и др.) после кристаллизации и низкого состояния при дальнейшем охлаждении при различных температурах (но определенных для данного металла) имеют различную кристаллическую решетку, т.е. при охлаждении происходит перестройка решетки из одной в другую.

Сплавы – основными структурными составляющими сплавов железо-углерод, которое необходимо знать:

1)Феррит – твердый раствор  углерода. Он обладает небольшой  прочностью, малой твердостью, высокой  вязкостью и до температуры 7680С магнитными свойствами;

2)Цементит – химическое соединение  железа с углеродом. Цементит  обладает хрупкостью и чрезвычайно  большой твердостью.

3)Аустенит – твердый раствор  углерода. Он отличается умеренной  твердостью, значительной прочностью  и высокой вязкостью. Аустенит немагнитен.

4)Перлит – механическая смесь  феррита и цементита. Перлит отличается  большой прочностью при значительной  пластичности.

Железоуглеродистые сплавы делятся на две большие группы в зависимости от содержания углерода: сплавы, содержащие более 2% углерода, называются чугунами; сплавы, содержащие до 2% углерода, называются сталями. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов позволяет определить для любого состава и чугуна температуру их плавления, превращений, которые получаются при нагреве и охлаждении, и структуру сплава.

Чистые металлы в технике используются крайне редко, так как они сравнительно дороги и, главное, не обеспечивают требуемых механических и технологических свойств. Подавляющее большинство металлов применяют в виде сплавов, т.е. в виде соединения, которое получается расплавлением двух или более элементов и обладает металлическими свойствами.

Металлические сплавы в большинстве случаев характеризуются лучшими технологическими свойствами, например лучшими литейными свойствами, лучше обрабатываются и т.д.

Элементы, образующие сплав, называются компонентами. В жидком состоянии компоненты обычно растворяются друг в друге, образуя жидкий раствор. Твердые растворы – это такая структура сплава, у которой атомы растворимого компонента размещаются в кристаллической решетке растворителя.

 

 

4.1. Термическая обработка стали.

 

Все изменения структуры, которые происходят при остывании железоуглеродистых сплавов, находящихся в твердом состоянии, обратимы, т.е. при нагревании все изменения произойдут в обратном порядке. Следует отметить, что все эти изменения происходят лишь при медленном изменении температуры. Если, например, скорость охлаждения резко увеличить, то структурные изменения не успеют произойти и после быстрого охлаждения сохранится структура, которая наблюдалась у нагретого сплава. Этим явлением пользуются для получения значительного изменения свойств сплавов при неизменном их химическом составе.

Термической обработкой называются операции нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твердом состоянии, с целью изменения их структуры и, как следствие этого, создания у них необходимых свойств – прочности, износостойкости, твердости, обрабатываемости и др. Таким образом, охлаждение стали является важнейшей технологической операцией термической обработки. При выполнении таких операций, как полный отжиг, нормализация и закладка, сталь нагревают до одних и тех же температур, но вследствие разных скоростей охлаждения, определенных для этих операций термической обработки, получаются разные структуры и различные механические свойства.

Термическая обработка является весьма распространенным и важным методом обработки как заготовок, так и готовых изделий.

По принятой классификации различают четыре вида термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг – в процессе отливки, ковки, прокатки и по окончании этих операций стальные заготовки охлаждаются неравномерно, в результате чего появляется неоднородность структуры и наличие внутренних напряжений. Целью отжига может быть получение мелкозернистой структуры, приведение структуры к равновесному состоянию и снятие внутренних напряжений, улучшение обрабатываемости стали режущим инструментом, улучшение механических свойств. Отжиг стали заключается в ее нагреве до температуры на 30-500С выше точки Ае3,выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью (со скоростью 20-1000С).

Нормализация – это операция нагрева стали на 30-500С выше точки Ае3 с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на спокойном воздухе.

Нормализацию применяют для устранения внутренних напряжений, повышения механических свойств. Сталь после этой операции получает нормальную, однородную мелкозернистую структуру. Твердость и прочность у стали после нормализации несколько выше, чем при отжиге, а вязкость уменьшается.

Сталь с малым содержанием углерода после нормализации лучше обрабатывается режущим инструментом.

Закалка стали – это операция, заключающаяся в нагреве до температуры на 30-500С выше точки Ае3, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении в различных средах с различной скоростью. Закалка предотвращает превращение аустенита в перлит и благодаря этому при нормальной температуре сталь, остается в том состоянии, которое соответствует ей при высоких температурах, но это состояние будет неравновесным. В зависимости от скорости охлаждения получаются различные закалочные структуры сорбита, троостита или мартенсита. В результате закалки повышается твердость и прочность стали. Нагрев изделий, особенно крупных, следует производить медленно, чтобы избежать образования трещин, а время выдержки должно быть достаточным для того, чтобы процесс перехода перлита в аустенит успел полностью завершится. Продолжительность выдержки обычно устанавливается равной примерно 25% общей продолжительности нагрева. Степень закалки зависит от природы и температуры охлаждающей среды. При закалке применяются различные приемы охлаждения в зависимости от марки стали, формы и размеров детали и технических требований к готовому изделию. Простая закалка выполняется погружением детали в охладитель – чаще всего воду, где она остается до полного охлаждения. Прерывистая закалка производится в двух средах: первой обычно бывает вода, второй – воздух. Резкость такой закалки меньше, чем простой.

Ступенчатая закалка отличается от прерывистой тем, что в качестве второй среды используется не воздух, а жидкость, но с меньшей охлаждающей способностью, чем первая. Например, первая среда – вода, а вторая – масло. Изотермическая закалка – закалка в горячей среде, которая заключается в охлаждении закаливаемой детали не до комнатной температуры, а до температуры 300-3500С в нагретой среде (обычно расплавленных солях), выдержке при этой температуре с последующим охлаждением на воздухе. Изотермическая закалка позволяет устранить большую разницу в скорости охлаждения поверхности и сердцевины детали, которая является причиной образования термических напряжений.

Отпуск стали – это операция термической обработки, целью которой является смягчение действия операции закалки: уменьшение или снятие остаточных напряжений, повышение вязкости, уменьшение твердости и хрупкости стали. Отпуск производится путем нагрева закаленных деталей до температуры ниже критической точки Ае1, выдержки и последующего охлаждения. В результате этого неустойчивые структуры, полученные при закалке, превращаются в более устойчивые с одновременным снижением внутренних напряжений и изменением механических свойств.

 

4.2. Легированные стали.

 

 

Свойства обычной стали можно улучшить прибавлением к ней специальных присадок некоторых химических элементов в различных комбинациях и количествах. Полученные таким образом стали называются легированными или специальными, а добавляемые элементы – регулирующими. В зависимости от содержания легирующих элементов стали подразделяются на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (до 10% легирующих элементов) и при содержании легирующих элементов выше 10% - высоколегированные.

1)Все легирующие элементы растворяются  в феррите и повышают его  прочность и твердость. Повышение же прочности феррита влечет за собой увеличение прочности перлита и при некоторых соотношениях легирующих элементов одновременно повышает вязкость и пластичность закалочных структур.

2)Растворяясь в железе, почти  все легирующие элементы способствуют повышению так называемой прокаливаемости стали, т.е. способности ее образовывать на определенной глубине закалочную структуру.

3)Все легирующие элементы, за  исключением никеля, кремния, меди, кобальта и алюминия, образуя  с углеродом карбиды, повышают твердость стали, особенно при высоких температурах (до 6000С), т.е. придают стали красностойкость.

4)Легирующие элементы, как правило, измельчают зерно, несколько повышая  прочность стали.

5)Если обычные стали нагреть  выше точки Ае3 и охладить в воздухе (нормализация), то получаются ферритно-перлитная.

 

 

                                     4.3. Чугуны.

 

Сплав железа с углеродом, содержащий больше 2% углерода, называются чугуном. Чугуны с количеством углерода больше 4,3% называются белыми, так как из-за того, что в их структуре очень много цементита. Они имеют характерный блестящий излом в отличие от сероматового излома, который имеют серые чугуны из-за наличия в них графита. Белый чугун из-за своей высокой твердости и хрупкости имеет ограниченное применение в технике.

Значительное количество твердого и хрупкого цементита в составе белых чугунов является причиной того, что эти чугуны трудно поддаются механической обработке.

Широкое применение имеет серый чугун, в структуре которого углерод частично или полностью находится в виде графита. Серый чугун имеет широкое применение в машиностроении благодаря своим высоким литейным качествам; кроме того, он хорошо обрабатывается резанием и обладает высокой износостойкостью. Отливки из серого чугуна для снижения твердости подвергают отжигу, а для повышения прочности и твердости – закалке с отпуском. Особенно сложные отливки для снятия внутренних напряжений подвергают искусственному старению – выдержке при температуре 500-6000С в течении 9-10 часов с последующим медленным охлаждением. Маркируется серый чугун буквами СЧ и двумя двузначными цифрами.

 

 

4.4. Стали и чугуны, применяемые в турбостроении.

 

 

Металлы, из которых изготовляют ответственные детали современных мощных паровых турбин, должны иметь высокие механические прочность и пластичность, неизменность свойств при высоких температурах, высокую коррозионную и эрозионную стойкость. Дело в том, что ответственные детали паровых турбин работают в тяжелых условиях: при значительных постоянных и переменных напряжениях, при высоких температурах, которые периодически изменяются, в среде (перегретый, насыщенный и влажный водяной пар), которая вызывает химическое и механическое разрушение металла. Силы, действующие в турбине, вызывают в ее деталях как постоянные, так и переменные напряжения. Детали и узлы испытывают напряжения растяжения, сжатия, изгиба, кручения и т.д. Например, в рабочих лопатках центробежные силы вызывают напряжения растяжения; пар, действующий на лопатки, вызывает изгибающие напряжения, а неравномерность потока пара, вызывает колебания лопаток, т.е. переменные напряжения изгиба и кручения.

Очень большое влияние на детали паровых турбин оказывают высокое температурное напряжение. Свойства металлов, длительно работающих при высоких температурах, существенно изменяются: обычно снижаются прочность и твердость, металл делается хрупким, изменяется его структура. Эти изменения приводят к снижению срока службы металла.

Турбины работают при переменных режимах – пуски, остановы, увеличения и снижения нагрузок приводят к изменению температуры.

 

 

4.5. Контроль за состоянием металла.

 

Ранее уже говорилось о том, что укрупнение энергетических установок предопределяет более высокий уровень требований по обеспечению надежной работы металла, хотя условия его эксплуатации существенно усложняются. Происходит это вследствие увеличения размеров отдельных узлов и деталей, усложнения их конфигурации, увеличения числа сварных соединений и др. Увеличение единичной мощности энергоблоков сопровождается повышением параметров пара, применением промежуточного перегрева пара, увеличением теплонапряженности металла. Существенно возрастают технологические трудности при производстве элементов круглых энергоблоков, в связи, с чем значительно увеличивается возможность появления дефектов при изготовлении труб, отливок и др.

В связи с этим совершенно очевидна необходимость своевременного контроля и наблюдения за металлом основных деталей паровых турбин в условиях эксплуатации.

Кроме того, в процессе эксплуатации энергоустановок, вообще, и паровых турбин, в частности, при температуре выше 4500С наблюдаются процессы ползучести и старения металла, приводящие к снижению его работоспособности. Вследствие этих причин необходимо периодически оценивать состояние металла, проработавшего 100 тыс.ч., для определения допустимого срока его дальнейшей надежной эксплуатации. Проверка металла производится по специальным инструкциям, названия которых даны в перечне литературы.