Технические науки 4. Транспорт

к.т.н. Годовский Д.А., аспирант Валетдинова Э.Р.

Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия

Прогнозирование ресурса лопаток стационарных ГТУ

Одной из актуальных комплексных и экономически выгодных задач машиностроения является продление ресурса турбинных лопаток газотурбинных установок путем применения восстановительных технологий, обеспечивающих улучшение функциональных характеристик структуры поверхности деталей в сочетании с мероприятиями по повышению материало- и энергосбережения, обеспечения экологичности и безопасности ремонтных технологий. Важным направлением таких работ является прогнозирование и продление ресурса лопаточного аппарата стационарных газотурбинных установок.

Одной из главных причин выхода из строя газоперекачивающих агрегатов являются поломки лопаток турбин. Лопатки - наиболее нагруженные, ответственные, дорогостоящие детали в газотурбинных двигателях. Они эксплуатируются при высоких температурах, больших механических нагрузках, которые в сложных условиях достигают критических значений. Анализ отказов ряда промышленных турбоагрегатов показал, что примерно в 80 % случаев аварии происходят из-за усталостных повреждений лопаток.

Диагностирование дефектов рабочих лопаток турбомашин в процессе их работы является сложной инженерной задачей, от эффективности решения которой зависит долговечность и безопасность эксплуатации турбоагрегатов. Для нормальной эксплуатации газотурбинного двигателя и предотвращения аварийных ситуаций, необходимо тщательно контролировать состояние лопаток в процессе эксплуатации. В настоящее время достаточно примеров о недостаточности проведения контроля лопаток традиционными методами неразрушающего контроля. Используемые методы обнаруживают уже образовавшиеся дефекты и не позволяют определить ресурс материала и спрогнозировать возможное место зарождения дефектов.

Исчерпание установленного предприятиями-изготовителями ресурса лопаток газотурбинных установок не исключает возможности дальнейшей их эксплуатации. Однако, при этом требуется проведение дорогостоящих исследований с разрушением части лопаток. Поэтому целью работы является разработка метода прогнозирования ресурса наземных газотурбинных установок, определение потенциальных зон разрушения лопаток на ранних стадиях путем внедрения комплексной диагностики лопаток ГТУ.

Проведенный литературный анализ показал, что для комплексной оценки технического состояния лопаток газотурбинных установок с помощью неразрушающих методов контроля необходимо оценивать магнитные и электрические характеристики материала. Как известно к механической деградации указанных материалов относятся такие виды как трещины, микротрещины, диффузионные поры, вакансии и различного рода деформации кристаллической решетки материала, вызванные как условиями эксплуатации, так и остаточными технологическими явлениями, а так же переориентации структурных составляющих материала. Известно так же, что изменение химического состава материала лопаток турбин и компрессора ГТУ связано с воздействием высоких температур и агрессивной среды, в частности кислорода, серы, водорода и других элементов, содержащихся в используемом топливе. Процессы химической деградации материала лопаток в значительной мере усиливаются знакопеременными и статическими эксплуатационными механическими нагрузками. В [1] приведены данные по оценке величин механической и химической деградации лопаток стационарных ГТУ и их соотношений. Проведенные исследования показали, что на начальных этапах доля механической деградации значительно превышает долю химической.

Поэтому, для оценки технического состояния лопаток газотурбинных установок было предложено использование феррозондового метода контроля.

Отладка методики контроля проводилась при ускоренных циклических испытаниях на образцах, изготовленных из стали 20, широко используемой во всех отраслях промышленности и стали 20Х13, применяемой для изготовления лопаток стационарных ГТУ. Для проведения исследований применялась установка лаборатории Межвузовского Центра коллективного пользования «Регионального научно-производственного комплекса «Недра»» УГНТУ. На установке для испытаний на усталость образцы подвергались малоцикловому нагружению по схеме чистого симметричного изгиба с заданным уровнем деформации. Результаты позволили спрогнозировать развитие трещины и направление ее развития. Проведенные исследования позволили сделать вывод о применимости данного метода неразрушающего контроля для определения месторасположений разрушения металла на ранних стадиях его деформирования феррозондовым методом контроля и прогнозирования ресурса лопаток ГТУ.

Эти исследования позволяют в частности производить мониторинг состояния материала детали и состояния детали в целом, а так же обеспечивать своевременное восстановление исходных эксплуатационных свойств деталей с целью кардинального увеличения ресурса для обеспечения возможности «профилактики» свойств лопаток на допустимом уровне.

Литература:

1. Годовский Д.А. Комплексная дефектоскопия лопаток газотурбинных установок/ Нефтегазовое дело, 2008, т.6. №1.- С. 147-152.

2. Валетдинова Э.Р., Годовский Д.А. Оценка технического состояния лопаток газотурбинных установок в процессе обслуживания на компрессорных станциях/ Материалы VIII производственно-технической конференции молодых ученых и специалистов ООО «Газпром трансгаз Уфа» «Изобретательство и рационализаторство молодых работников в вопросах транспортировки природного газа».- Уфа, Изд-во ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Уфа», 2012.- С. 36-38.