Способ восстановления компрессорных лопаток турбинных газоперекачивающих агрегатов
Владельцы патента RU 2343061:
Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Трибоника"(ЗАО НПЦ "Трибоника") (RU)
Изобретение относится к ремонтному производству и может быть использовано для восстановления компрессорных лопаток турбинных газоперекачивающих агрегатов. Производят дефектацию лопаток в соответствии с допустимым уровнем снижения работоспособности с отбраковкой лопаток, не подлежащих восстановлению. Осуществляют удаление дефектов рабочей поверхности лопаток путем электрохимической и механической обработки. После чего лопатки подвергают термической обработке для снятия усталостных напряжений. Ведут очищение рабочей поверхности лопаток без повышения ее микротвердости. Осуществляют адгезионную подготовку очищенной рабочей поверхности лопаток путем вакуумной ионно-плазменной обработки. Наносят на поверхность при давлении азота в вакуумной камере износостойкое покрытие в виде нитрида титана. При этом определяют допустимый уровень снижения работоспособности лопаток путем оценки, на основе релаксационных испытаний, усталостного состояния материала контрольных лопаток, возникающий в ходе их эксплуатации и предшествующий ухудшению свойств их материала при продолжении эксплуатации. В результате обеспечивается повышение эффективности восстановления лопаток. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к технологии восстановления лопаток газотурбинных двигателей и может быть использовано в газовой промышленности для увеличения срока службы компрессорных лопаток газотурбинных двигателей газоперекачивающего оборудования.
В обеспечении надежной работы газотурбинных двигателей решающее влияние оказывает техническое состояние наиболее нагруженного лопаточного аппарата. Поэтому задача повышения надежности и продления ресурса работы компрессорных лопаток газоперекачивающих агрегатов имеет для системы транспортировки газа большое экономическое значение.
При этом актуальным продолжает оставаться повышение эффективности восстановления лопаток газотурбинных компрессоров в связи с недостаточностью для прогнозирования их остаточного ресурса (как невыработанного первоначального, так и повторного после восстановления), известных методов оценки эксплуатационного состояния материала компрессорных лопаток (см., например, книгу Гофмана Ю.М. Оценка работоспособности металла энергооборудования ТЭС. М., Энергоатомиздат, 1990, с.85-90) и несоответствием требованиям эксплуатационных условий воздействия циклических нагрузок и повышенных температур на компрессорные лопатки известных рекомендаций по поверхностному упрочнению лопаток газотурбинных двигателей на основе интенсифицированных производственных операций, например, путем допускающей возможность образования микронаклепных очагов поствосстановительного развития эксплутационных поверхностных усталостных микротрещин обработки струей из порошка никелевого сплава для повышения усталостной прочности с глубиной залегания остаточных напряжений более 180 мкм, оговариваемой авиационной конструкторской документацией (см. патент РФ № 2094200, В23Р 6/00, 1997).
В качестве прототипа заявляемого способа выбрана известная технология восстановления рабочих лопаток турбин высокого давления газоперекачивающих агрегатов, в том числе лопаток осевых компрессоров, основанная на традиционной дефектоскопии лопаточного аппарата турбин и нанесении износостойкого покрытия после шлифовально-полировального удаления эксплуатационных поверхностных дефектов (см., в частности, книгу Мовермана Т.С. и Радчика И.И. Ремонт импортных газоперекачивающих агрегатов. М., «Недра», 1986, с.159-163, табл.15).
Недостатком прототипа является низкая эффективность восстановления лопаток из-за сочетания слабых диагностических возможностей дефектации лопаток, сведенной к нормированию оценки их ремонтопригодности без определения допустимого уровня снижения их работоспособности, соответствующего оптимальной выработке первоначального ресурса лопаток, с точки зрения продуктивности их восстановления и сохранения самостоятельной роли в удалении эксплуатационных дефектов рабочей поверхности лопаток механической обработки - жесткой производственной операции.
Технический результат заявляемого изобретения - повышение эффективности восстановления лопаток в результате стабильного увеличения первоначального ресурса и повышения надежности восстановленного ресурса за счет сочетания предлагаемой оценки оптимального усталостного состояния лопаток в качестве количественного критерия допустимого уровня снижения их работоспособности и адекватной этому усталостному состоянию лопаток минимизации интенсифицированных или жестких восстановительных производственных операций.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе восстановления компрессорных лопаток турбинных газоперекачивающих агрегатов, включающем дефектацию лопаток с отбраковкой лопаток, не подлежащих восстановлению, и обработку восстанавливаемых лопаток путем удаления дефектов их рабочей поверхности, очищение рабочей поверхности и нанесение на нее износостойкого покрытия, при этом осуществляют определение допустимого уровня снижения работоспособности лопаток путем оценки, на основе релаксационных испытаний, усталостного состояния материала контрольных лопаток, возникающего в ходе их эксплуатации и предшествующего ухудшению свойств их материала при продолжении эксплуатации, дефектацию лопаток производят в соответствии с допустимым уровнем снижения работоспособности, удаление дефектов рабочей поверхности лопаток осуществляют путем электрохимической и механической обработки, после чего лопатки подвергают термической обработке для снятия усталостных напряжений, очищение рабочей поверхности лопаток ведут без повышения ее микротвердости, осуществляют адгезионную подготовку очищенной рабочей поверхности лопаток путем вакуумной ионно-плазменной обработки, а в качестве материала износостойкого покрытия используют нитрид титана, который наносят при давлении азота в вакуумной камере.
В частном случае восстановления компрессорных лопаток турбинных газоперекачивающих агрегатов в качестве допустимого уровня снижения работоспособности лопаток оценивают величину предела выносливости материала этих лопаток на основании результатов релаксационных испытаний, в частности, предела упругости указанного материала.
В частном случае восстановления рабочих компрессорных лопаток, выполненных из стали 12Х13 и отработавших ресурс на газоперекачивающем агрегате типа ГТК-25И, при снижении предела выносливости материала контрольных рабочих компрессорных лопаток, в результате наработки ими первоначального ресурса 58000 часов, с 34 кгс/мм2 до 28 кгс/мм2, последнюю величину оценивают в качестве допустимого уровня снижения работоспособности лопаток на основании изменения, в результате увеличения ресурса выработки рабочих лопаток с 58000 часов до 60000 часов, результатов релаксационных испытаний, в частности, предела упругости компрессорных лопаток с 274 МПа до 151 МПа - разупрочнения, неблагоприятного для эффективности восстановления лопаток, и после дефектации лопаток, выработавших ресурс 58000 часов в соответствии с допустимым уровнем снижения предела выносливости - 28 кгс/м2 с целью отбраковки невосстановимых лопаток, проводят обработку лопаток на основе повышающих их работоспособность в режиме минимизации образования дислокационных очагов поствосстановительного эксплуатационного развития микротрещин на рабочей поверхности лопаток производственных операций с преобладающим включением в них в качестве самостоятельной, вспомогательной и подготовительной операций поверхностной обработки - технологически мягкой электроимпульсной обработки в водном растворе, содержащем сернокислый аммоний, при подаче напряжения 200-250 В, и в случае ее недостаточности для удаления эксплуатационно-приобретенных лопатками поверхностных дефектов с включением в обработку для завершения указанного удаления умеренной шлифовально-полировальной поверхностной обработки, а также с осуществлением, в составе операций усталостно-восстановительной термообработки лопаток в вакууме при 690-700°С и финишной вакуумной ионно-плазменной обработки рабочей поверхности лопаток при опорном напряжении 180-200 В и токе дуги 120-160 А с адгезионной подготовкой поверхности ионами титана и при парциальном давлении реакционного азота, выбираемом из интервала 0,01-0,1 Па, нанесением эксплуатационного покрытия нитрида титана в соответствии со следующим порядком выполнения операций: электроимпульсная обработка лопаток для удаления эксплуатационных загрязнений, шлифовально-полировальная поверхностная обработка лопаток для удаления поверхностных дефектов, электроимпульсная обработка лопаток для сглаживания шероховатости поверхности, вакуумная восстановительная термообработка лопаток для снятия усталостных напряжений, электроимпульсная обработка лопаток для удаления окисной пленки и активации поверхности под покрытие нитрида титана, вакуумная ионно-плазменная обработка лопаток для адгезионной подготовки поверхности напылением титана и нанесение покрытия нитрида титана.
Предлагаемая технология восстановления компрессорных лопаток характеризуется, в частном случае, возможностью увеличения первоначального ресурса работы с 50000 часов (расчетного срока эксплуатации) до 58000 часов (продления выработки ресурса перед восстановлением лопаток) и увеличения после восстановления лопаток с указанным продленным первоначальным ресурсом дополнительного ресурса до 40000 часов - реализованного в системе ОАО «Газпром» производственного показателя, свидетельствующего об осуществлении дополнительного надежного восстановительного ресурса рабочих компрессорных лопаток.
Эти характеристики - результат повышения качества оценки технического состояния лопаток по их усталостному состоянию, позволивший выявить резерв выработки лопаток перед восстановлением, явившийся вместе с тем в сочетании с предлагаемыми подходящими производственными операциями основой повышения продуктивности восстановления, выразившегося в стабилизации базового показателя эксплуатации - первичного восстановленного ресурса.
На примере восстановления компрессорных лопаток (рабочая лопатка 15 ступени осевого компрессора ГТК-25И) результаты проведения усталостных и релаксационных испытаний материала (12Х13) в зависимости от времени наработки лопаток сведены в таблице 1. Граничные характеристики этапов старения стали - при ресурсе до 58000 часов - благоприятного и после 58000 часов - неблагоприятного (в связи с разупрочнением) для восстановления лопаток. При этом происходит перестройка субструктуры материала лопаток с образованием структуры с крупным субзерном и повышением напряженно-деформированного состояния, обратимая (восстановлением пределов упругости и текучести до 90%) после восстановления (см. таблицу 1).
Микротвердость рабочей поверхности лопаток (см. таблицу 2), измеренная после удаления поверхностных дефектов с проведением механической обработки и перед ионно-плазменной обработкой (после усталостно-восстановительной термообработки и электроимпульсной очистки рабочей поверхности лопаток), подтверждает результативность производственных операций (скачков микротвердости в сторону повышения микронаклепа до нанесения нитрида титана не зафиксировано).
Расчет годового экономического эффекта восстановления одного комплекта лопаток осевого компрессора агрегата ГТК-25ИР, эксплуатируемого в ООО «Волготрансгаз» составляет ˜ 1,4 млн. рублей.
| Таблица 1 | |||||
| Ресурсная наработка рабочих компрессорных лопаток, ч | Предел выносливости (на базе 107 циклов при 50% вероятности), кгс/мм2 | Предел упругости, МПа | Физический предел текучести, МПа | Размер субзеренных блоков, Å | Величина микродеформаций в зернах материала |
| 0 | 34 | 269 | 490 | 1560 | 0,00057 |
| 58000 | 28 | 274 | 546 | 5000 | 0,0012 |
| 60000 | 26 | 151 | 537 | 5000 | 0,0014 |
| После восстановления лопаток с наработкой 58000 часов | 36 | 271 | 509 | 2260 | 0,00004 |
| Таблица 2 | |
| Этап обработки рабочих компрессорных лопаток | Микротвердость рабочей поверхности рабочих компрессорных лопаток, кгс/м2 (измеренные на микротвердомере ПМТ-3) |
| Исходное состояние (новая лопатка) | 310 |
| После эксплуатации (с выработкой первого ресурса 58000 часов) | 320 |
| После механической обработки на полировальных станках с применением шлифовальных вулканитовых кругов | 340 |
| После термической обработки (в вакуумной печи при 700°С в течение 2-х часов) и электроимпульсной обработки (на установке «ЭИП-1» при напряжении 250 В в 6%-ном растворе (NH4)SO4 в течение 2-х минут | 315 |
| После ионно-плазменного нанесения покрытия нитрида титана (на установке ВУ-2МБС при опорном напряжении 180 В и токе дуги 160 А в интервале парциальных давлений реакционного азота в вакуумной камере 0,04-0,1 Па) | 2200 |
1. Способ восстановления компрессорных лопаток турбинных газоперекачивающих агрегатов, включающий дефектацию лопаток с отбраковкой лопаток, не подлежащих восстановлению, и обработку восстанавливаемых лопаток путем удаления дефектов их рабочей поверхности, очищения рабочей поверхности и нанесения на нее износостойкого покрытия, отличающийся тем, что при этом осуществляют определение допустимого уровня снижения работоспособности лопаток путем оценки на основе релаксационных испытаний усталостного состояния материала контрольных лопаток, возникающего в ходе их эксплуатации и предшествующего ухудшению свойств их материала при продолжении эксплуатации, дефектацию лопаток производят в соответствии с допустимым уровнем снижения работоспособности, удаление дефектов рабочей поверхности лопаток осуществляют путем электрохимической и механической обработки, после чего лопатки подвергают термической обработке для снятия усталостных напряжений, очищение рабочей поверхности лопаток ведут без повышения ее микротвердости, осуществляют адгезионную подготовку очищенной рабочей поверхности лопаток путем вакуумной ионно-плазменной обработки, а в качестве материала износостойкого покрытия используют нитрид титана, который наносят при давлении азота в вакуумной камере.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве допустимого уровня снижения работоспособности лопаток оценивают величину предела выносливости материала этих лопаток на основании результатов релаксационных испытаний, в частности предела упругости указанного материала.
