Покрытие для защиты частей паровой турбины от коррозионного и эрозионного износа и способ его получения

 

Настоящее изобретение относится к защите обшивки, разделяющих плоскостей, системы труб, перегревателей и других стальных частей паровой турбины, подверженных в турбинной установке коррозионному и эрозионному износу вследствие воздействия пара, при этом защитное покрытие представляет собой слой, который получен путем термического распыления стали, обильно легированной хромом и алюминием, которые сильно окисляются в струе в процессе нанесения покрытия, в результате чего образуются большие количества оксидов хрома и алюминия, которые останутся внутри покрытия в окружении стальной основы, при этом, после нанесения покрытия, на поверхности слоя покрытия под окисляющим воздействием воздуха образуется плотная пленка из оксидов хрома и алюминия. Другим предметом изобретения является соответствующий способ нанесения покрытия. 2 с. и 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к покрытию, предназначенному для защиты внутренних поверхностей паровой турбины и примыкающих к ней труб и перегревателей и предотвращающему эрозионный и коррозионный износ вследствие воздействия пара. Изобретение относится также к способу нанесения покрытия внутренних поверхностей паровой турбины и связанных с ней труб и перегревателей.

Как указано (в патентах Швеции NN 762881 и 771073) стальные поверхности, на которые при высоких давлениях и скоростях воздействует горячий влажный пар, подвержены сильному эрозионному и коррозионному износу.

Повреждение, вызванное износом, может привести к необходимости ремонтно-восстановительных сварочных работ, которые трудно осуществить, и даже потребовать замены обшивки турбины и труб.

Такие работы по ремонту и замене вызывают долгие простои, а, следовательно, и большие финансовые потери из-за сокращения объема производства. Это особенно относится к большим электростанциям, таким как атомные электростанции.

В качестве примера можно назвать следующие покрытия, применяющиеся для защиты труб турбины: 1. Керамическое покрытие со сплавом никеля с алюминием в связующем слое. Толщина связующего слоя равна 10-25 мкм, а толщина керамического покрытия - 50-250 мкм.

2. Металлическое, так называемое трехслойное, покрытие в котором связующим слоем является сплав никеля с алюминием (1=50-100 мкм), промежуточным слоем хромистая сталь (приблизительно 13% Cr, толщина слоя приблизительно 200 мкм), и поверхностным слоем нержавеющая или кислотостойкая сталь (Cr= приблизительно 10% Ni= 5-8% и Mn=приблизительно 8% толщина слоя приблизительно 200 мкм).

Керамические покрытия, например, имеют следующие недостатки: слабое сопротивление удару, например, когда в турбину или трубы попадают инородные тела, они могут повредить покрытию, коэффициент теплового расширения керамического покрытия очень низок по сравнению с углеродистой сталью, поэтому сильные или быстрые изменения в температуре могут повлечь за собой растрескивание покрытия. Трещина в покрытии может, в свою очередь, привести к быстрому локальному повреждению основного материала, керамические покрытия являются хорошими изоляторами. Покрытие обшивки турбины керамическим материалом могло бы затруднить теплопередачу внутри турбины и привести к внезапной деформации во время работы, при использовании керамического покрытия трудно покрыть уплотнительные поверхности, которые должны быть механически обработаны, покрытие может иметь твердость более 1000 HV и поэтому его трудно механически обработать и, кроме того, оно имеет тенденцию к растрескиванию, при использовании керамического покрытия трудно получить достаточную толщину слоя, если покрытие используется для заполнения полостей.

Так называемое трехслойное покрытие показало удовлетворительную работу в системах труб. Однако, это покрытие имеет следующие недостатки: в трехслойном покрытии, каждая поверхность раздела между различными покрытиями представляет собой серьезное препятствие для теплопередачи, поэтому в обшивке турбины могут возникнуть проблемы с теплопроводностью, аналогичные тем, которые возникают при использовании керамических покрытий; если необходимо заполнить полости в поверхностях покрытия, которые должны быть механически обработаны, то имеется риск, что механически обработанная поверхность будет проходить через различные слои, если трехслойное покрытие повреждено во время работы, например, вследствие сильной локальной эрозии, то для его восстановления необходимо сначала полностью удалить старое покрытие и затем вновь, слой за слоем, покрыть поверхность.

Основной целью настоящего изобретения является обеспечение покрытия, которое можно использовать для покрытия обшивки, разделяющих плоскостей, системы труб, пароперегревателей и других частей паровой турбины, чтобы обеспечить надежное и долговременное покрытие стальных поверхностей, пригодное для условий, в которых они работают. Изобретение направлено также на то, чтобы можно было быстро и экономично осуществлять на месте работы по нанесению покрытия и чтобы покрытие хорошо подходило также для покрытия поверхностей, подлежащих механической обработке.

Покрытие, соответствующее изобретению, отличается тем, что содержит слой покрытия, который получен путем термического распыления стали, обильно легированной хромом и алюминием, которые сильно окисляются в струе в процессе нанесения покрытия, в результате чего образуется большое количество оксидов хрома и алюминия, которые останутся в покрытии в окружении стальной основы, при этом, после нанесения покрытия, на поверхности слоя покрытия под окисляющим воздействием воздуха образуется плотная пленка из оксидов хрома и алюминия.

Способ нанесения покрытия, соответствующий изобретению, отличается тем, что материал покрытия из стали, обильно легированной хромом и алюминием, термически напыляют на покрываемую поверхность, и этот материал покрытия сильно окисляется в струе в процессе нанесения покрытия, в результате чего образуются большие количества оксидов хрома и алюминия, которые останутся внутри покрытия в окружении стальной основы, и тем, что после процесса распыления образованное покрытие подвергается окисляющему воздействию воздуха, благодаря чему на поверхности покрытия образуется плотная пленка из оксидов хрома и алюминия.

Согласно изобретению используемый материал покрытия представляет собой сталь, которая, предпочтительно, содержит 20-45 мас. хрома, 5-15 мас. алюминия и до 5 мас. молибдена, и, еще предпочтительнее, содержит 22-30 мас. хрома, 5-8 мас. алюминия и до 3 мас. молибдена. Материал покрытия может быть нитевидным или порошкообразным.

В соответствующем изобретению покрытии, содержащем большие количества оксидов хрома и алюминия, содержания хрома, алюминия и молибдена аналогичны указанные выше.

Пленка оксидов хрома и алюминия в покрытии, соответствующим изобретению, образованная в результате окисления после окончания процесса нанесения покрытия, прочна и плотна и будет предотвращать эрозионный и коррозионный износ, вызываемый воздействием влажного пара.

Соответствующее изобретению покрытие может быть получено путем термического напыления с помощью пламенного, электродугового, плазменного и/или ультразвукового распыления, но главным образом электродугового, плазменного и/или ультразвукового распыления, чтобы обеспечить хорошее сцепление покрытия с основным материалом.

Таким образом, в соответствующем изобретению покрытии образуется слой, имеющий хорошее сцепление с основным материалом, стальное покрытие, которое содержит большое количество оксидов, и поверхностный слой, состоящий из плотной пленки оксидов.

С тем, чтобы на поверхности раздела между основным материалом и покрытием не происходило гальванической коррозии, толщина покрытия должна быть как минимум 0,3 мм, предпочтительно, однако, 0,5 мм. Толщина покрытия может доходить до 2,5 мм без его растрескивания вследствие внутренней усадки покрытия.

Предлагаемое покрытие имеет по сравнению с предшествующими следующие преимущества:
1. Очень плотная пленка из оксидов хрома и алюминия, образованная на поверхности покрытия, обеспечивает прекрасную защиту от коррозии и эрозии. В то же время, покрытие обладает большой вязкостью. Если покрытая поверхность повреждена, например под воздействием инородного тела, попавшего в турбину, оксиды внутри покрытия предотвратят распространение дефекта. Таким образом, покрытие обеспечивает защитный эффект керамического покрытия, но при этом имеет вязкость и прочность металлического покрытия.

2. Обеспечивается очень хорошее сцепление покрытия с основным материалом. Когда применяется электродуговое или плазменное напыление, сила адгезии достигает более 60 Н/мм, что приблизительно вдвое превышает силу адгезии нанесенного путем плазменного напыления сплава никеля с алюминием. Хорошая адгезия гарантирует, что покрытие не отслоится вследствие незначительных ударов и что можно также покрывать узкие края. Кроме того, хорошая адгезия позволяет механически обрабатывать поверхность.

3. Коэффициент теплового расширения покрытия близок к коэффициенту теплового расширения углеродистой стали, поэтому деформация вследствие теплового скачка и теплового расширения не повредит покрытию.

4. Поскольку покрытие выполнено в виде одного единственного слоя и может быть напылено толщиной приблизительно 2 мм, то покрытие подходит для защиты очень больших уплотнительных поверхностей, подлежащих механической обработке.

5. Хотя покрытие содержит большие количества твердых оксидов, его микротвердость равна всего лишь 250-360 единиц HV, так что покрытие можно легко механически обработать.

6. Не будет проблем с теплопроводностью, поскольку единственной поверхностью раздела, затрудняющей теплопередачу, является поверхность раздела между покрытием и основным материалом.

7. Можно легко осуществить локальное восстановление покрытия, не удаляя целиком старое покрытие.

8. Содержание кобальта в покрытии очень низко (приблизительно 0,02%), поэтому покрытие весьма подходит для использования его на атомных электростанциях, в том числе для поверхностей на активной стороне.

На атомной электростанции разделяющие плоскости и часть обшивки турбины выше и ниже разделяющих плоскостей были покрыты путем электродугового распыления покрытием, соответствующим изобретению, химический состав которого был 22% Cr и 5% Al, остальное железо.

В качестве материала обшивки ТСЧ турбин использовалась сталь 25N согласно ГОСТ 997-65 норм.

Напыление проводили при токе: 200 А и напряжении 32.

Механические свойства полученного покрытия:
Адгезионная прочность 55 N/м²
Твердость 265 HV
Окислы Свыше 10%
После восьми лет эксплуатации турбина была открыта, при этом было обнаружено, что разделяющие плоскости не имели никаких дефектов и что покрытие выше и ниже разделяющих плоскостей сохранилось очень хорошо. В то же время в зоне, примыкающей к границе покрытия, основной материал износился более чем на 10 мм.

Формула изобретения

1. Покрытие для защиты обшивки разделяющих плоскостей, систем труб, перегревателей и других стальных частей паровой турбины, подверженных коррозионному и эрозионному износу вследствие воздействия горячего влажного пара, состоящее из слоя, содержащего окислы хрома и алюминия, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит подслой, состоящий из стальной основы и оксидов хрома и алюминия, причем покрытие имеет толщину 0,3 2,5 мм.

2. Способ получения покрытия для защиты обшивки разделяющих плоскостей, системы труб, перегревателей и других стальных частей паровой турбины, подверженных коррозионному и эрозионному износу вследствие воздействия горячего влажного пара, включающий термическое распыление сплава на основе железа и последующее окисление, отличающийся тем, что сплав распыляют в окисляющейся атмосфере, а окисление проводят в течение времени, необходимого для образования на поверхности плотной пленки из оксидов хрома и алюминия.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что распыляют сплав на основе железа, содержащий хром, алюминий, молибден при следующем соотношении компонентов, мас.

Хром 20 45
Алюминий 6 15
Молибден До 3
Железо Остальное
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что сплав на основе железа содержит хром, алюминий, молибден при следующем соотношении компонентов, мас.

Хром 22 30
Алюминий 5 8
Молибден До 3
Железо Остальное
5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что термическое распыление осуществляют электродуговым, плазменным или ультразвуковым методом.