REWITALIZACJA KOMORY ZAWOROWEJ TURBINY PT25/90-10MW

Transkrypt

1 REWITALIZACJA KOMORY ZAWOROWEJ TURBINY PT25/90-10MW B. Pawłowski, J. Krawczyk, P. Bała Katedra Metaloznawstwa i Metalurgii Proszków, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Akademia Górniczo Hutnicza, al. Mickiewicza 30, Kraków, Polska Kontakt korespondencyjny: bpawlow@agh.edu.pl Streszczenie W pracy przedstawiono badania mikrostruktury staliwnej komory zaworowej turbiny po regeneracji i przepracowaniu około godzin. W badanych próbkach stwierdzono występowanie zarówno warstwy poprawnie zrewitalizowanej jak i na większej głebokości warstwy zdegenerowanej. Warstwa zrewitalizowana (w badanych próbkach) obejmowała obszar od powierzchni komory do głebokości tylko ok. 10 mm. Stwierdzono występowanie w obszarze zrewitalizowanym dwóch, odmiennych morfologicznie obszarów o równowagowej strukturze ferrytyczno-perlitycznej z wyraźnie występującymi kryształami kolumnowymi co świadczy o tym, że są to obszary napawane materiałem zbliżonym do materiału rodzimego przez producenta przed oddaniem turbogeneratora do eksploatacji. Słowa kluczowe: rewitalizacja, turbina parowa, komora zaworowa 1. Wprowadzenie Komora zaworowa parowej turbiny energetycznej jest elementem narażonym w trakcie pracy na zmienne obciążenia cieplne i mechaniczne. Na skutek długich okresów eksploatacji (powyżej godzin pracy) na powierzchni komory często pojawiają się pęknięcia oraz następuje deformacja kształtu. Materiał, z którego jest wykonana (badana w ramach niniejszej pracy) komora zaworowa to staliwo G21CrMoV4-6 (L21HMF). Po długotrwałej eksploatacji początkowa mikrostruktura staliwa podlega degeneracji polegającej na uprzywilejowanym wydzielaniu się węglików na granicach ziarn ferrytu (miejscami możliwe jest tworzenie się ciągłej siatki węglików) oraz fragmentacji, sferoidyzacji i w końcu koagulacji węglików wchodzących w skład perlitu. Zachodzą również procesy zdrowienia i rekrystalizacji, szczególnie w obszarach w pobliżu granic ziarn ferrytu oraz zjawisko segregacji fosforu i innych pierwiastków śladowych do granic ziarn [1,2]. Degeneracja mikrostruktury staliwa na skutek długotrwałej eksploatacji w temperaturach o C powoduje przede wszystkim obniżenie udarności oraz innych własności mechanicznych (granica wytrzymałości na rozciąganie, twardość, wydłużenie), które niejednokrotnie mieszczą się w dolnym zakresie poziomu wartości wymaganego dla nowego materiału [3,4]. Granica plastyczności często jest na poziomie niewiele niższym od wymaganego [4]. Spadkowi udarności towarzyszy także podwyższenie temperatury przejścia w stan kruchy, często nawet do temperatury powyżej 60 o C [2]. Zgodnie z doniesieniami literaturowymi [1 3,5 9], rewitalizacyjna wysokotemperaturowa obróbka cieplna ma przede wszystkim na celu przywrócenie udarności do wartości jakie uzyskuje się w stanie wyjściowym (przed eksploatacją) poprzez jedno lub dwukrotne nagrzanie staliwa do temperatury powyżej Ac 3 z następnym powolnym chłodzeniem umożliwiającym uzyskanie mikrostruktury zbliżonej do równowagowej (ferrytycznoperlitycznej) lub (przy chłodzeniu z większą prędkością) struktury ferrytyczno-bainitycznej. W wyniku takiej obróbki cieplnej (po której następuje dodatkowe wyżarzanie poniżej temperatury Ac 1 ) rozpuszczona zostaje siatka węglików wydzielonych po granicach, która przede wszystkim jest odpowiedzialna za spadek udarności po długim okresie eksploatacji. Brak wydzieleń węglików po granicach ziarn świadczy o prawidłowym przebiegu wysokotemperaturowej obróbki cieplnej odlewu ze staliwa G21CrMoV4-6 (L21HMF). Obróbka cieplna likwiduje również naprężenia powstałe w wyniku np. napraw spawalniczych. W niniejszej pracy poddano badaniom próbki pobrane z komory zaworowej, która po przeprowadzonej rewitalizacji uległa awarii po niecałych godzinach pracy. 2. Materiał i metodyka badań Jednym z podstawowych zadań niniejszej pracy było ustalenie czy przeprowadzona rewitalizacja korpusu i pokrywy komory zaworowej turbogeneratora została przeprowadzona prawidłowo a jeśli nie to jakie błędy lub uchybienia popełnił wykonawca rewitalizacji. W tym celu, z obszaru blisko zewnętrznej powierzchni korpusu komory zaworowej (rys.1) przy użyciu freza trepanacyjnego (średnica zewnętrzna 24 mm), pobrano próbki w postaci korków o średnicy 10 mm i długości ok. 80 mm (wygląd próbki przedstawiono na rys. 2a). Miejsca pobrania próbek (rys. 1) wybrano tak by zminimalizować prace naprawcze zmierzające do ponownego uruchomienia turbogeneratora. W ramach niniejszej pracy dokładnym badaniom poddano próbkę 1

2 pobraną z prawej strony komory zaworowej, na próbce pobranej z lewej strony wykonano jedynie badania porównawcze, potwierdzające prawidłowość oceny mikrostruktury oraz głębokości warstwy zrewitalizowanej. Na próbce pobranej z prawej strony komory zaworowej przeprowadzono badania metalograficzne w obszarze od powierzchni do głębokości ok.12 mm w głąb materiału (zgład nr 1 rys. 2b), na powierzchni czołowej próbki od strony powierzchni komory zaworowej (zgład numer 2 rys. 2c) oraz w obszarze najbardziej oddalonym od powierzchni komory zaworowej (zgład numer 3 rys. 2d). Z obszaru pod powierzchnią czołową próbki wycięto również osiowo próbkę do badań dylatometrycznych (próbka dylatometryczna numer 1 rys. 2e) mających na celu ustalenie temperatur krytycznych (Ac 1 i Ac 3 ), niezbędnych do prawidłowego ustalenia warunków rewitalizacji, oraz określenia współczynników rozszerzalności cieplnej badanego staliwa. Wyniki badań mikrostrukturalnych, omówione w dalszej części niniejszej pracy, skłoniły autorów do wykonania badań dylatometrycznych na próbce pobranej w większej odległości od powierzchni komory zaworowej (próbka dylatometryczna numer 2 rys. 2f). wchodzących w skład perlitu (rys.18 21). Skład chemiczny materiału w strefie III (materiał rodzimy staliwo L21HMF, strefa zdegenerowana) oraz w strefie I i II (strefa napawana) przedstawiono w tabeli 1. Rys. 2. Miejsca wykonania zgładów metalograficznych oraz próbek dylatometrycznych Rys. 1. Miejsca pobrania próbek z komory zaworowej Badania metalograficzne zgładu numer 1 (obszar pod powierzchnią komory zaworowej) ujawniły istnienie trzech obszarów (stref) o odmiennej morfologii występujących składników strukturalnych ferrytu, perlitu oraz węglików, co przedstawiono na rysunku 3. Obrazy mikrostruktury, które posłużyły do sporządzenia złożenia na rysunku 3, przedstawiono na rysunkach 4 9. Mikrostruktury obserwowane w strefie I i II wykazują cechy charakterystyczne dla struktury napawanej materiałem o składzie chemicznym zbliżonym do składu materiału rodzimego. Dodatkowo, mikrostruktury te wykazują cechy charakterystyczne dla prawidłowo przeprowadzonej rewitalizacji, tzn. są to mikrostruktury ferrytyczno-perlityczne, bez wydzieleń węglików po granicach ziarn, co jest widoczne przy obserwacjach wykonanych przy większym powiększeniu (rys.10 17). Mikrostruktura obserwowana w strefie III jest natomiast strukturą zdegenerowaną, obecne są liczne wydzielenia węglików po granicach ziarn oraz nastąpiła fragmentacja i koagulacja węglików Rys. 3. Zmiany mikrostruktury od powierzchni komory (zgład nr I) Tabela 1. Skład chemiczny w obszarze strefy III oraz I i II (procenty wagowe) Strefa C Mn Si P S Cr Ni Mo V III I i II* * Wartości średnie z sześciu analiz Z przeprowadzonych badań metalograficznych oraz analizy składu chemicznego wynika, że strefa I oraz strefa II są strefami napawanymi oraz zrewitalizowanymi a głębokość obszaru 2

3 zrewitalizowanego w wytrepanowanej z komory zaworowej próbce wynosi około 10 mm. Ponieważ w elektrociepłowni nie Rys. 7. Mikrostruktura w strefie II Rys. 4.Mikrostruktura w strefie I, obszar od powierzchni próbki Rys.8. Mikrostruktura na przejściu ze strefy II do III Rys. 5. Mikrostruktura w strefie I Rys.9. Mikrostruktura na przejściu ze strefy II do III, widoczne odwęglenie na skutek napawania] Rys. 6. Mikrostruktura na przejściu ze strefy I do II przechowywano próbek pobranych z komory zaworowej turbogeneratora przed przeprowadzoną w roku 2008 rewitalizacją, 3

4 tylko dla celów porównawczych pobrano próbkę z komory zaworowej innego turbogeneratora, który przepracował podobny okres (ponad godzin) i nie został jeszcze poddany rewitalizacji. Na rysunkach 22 i 23 przedstawiono mikrostrukturę tuż pod powierzchnią komory zaworowej obu turbogeneratorów. Rys. 13. Zrewitalizowana mikrostruktura w strefie I Rys. 10. Zrewitalizowana mikrostruktura w strefie I Rys. 14. Zrewitalizowana mikrostruktura w strefie II Rys. 11. Zrewitalizowana mikrostruktura w strefie I Rys. 15. Zrewitalizowana mikrostruktura w strefie II Rys. 12. Zrewitalizowana mikrostruktura w strefie I 4

5 Rys. 16. Zrewitalizowana mikrostruktura w strefie II Rys. 19. Zdegenerowana mikrostruktura w strefie III Rys. 17. Zrewitalizowana mikrostruktura w strefie II Rys. 20. Zdegenerowana mikrostruktura w strefie III Rys. 18. Zdegenerowana mikrostruktura w strefie III Rys. 21. Zdegenerowana mikrostruktura w strefie III (widoczne wtrącenie niemetaliczne) Z przedstawionych na rysunkach 22 i 23 w celach porównawczych mikrostruktur komór zaworowych (przed oraz po rewitalizacji) turbogeneratorów, poza potwierdzeniem przeprowadzenia rewitalizacji (głębokość strefy zrewitalizowanej ok. 10 mm) wynika również, że po długim okresie eksploatacji 5

6 w warunkach podwyższonej temperatury mikrostruktura staliwa w warstwie blisko powierzchni, oprócz degeneracji mikrostruktury, widoczne są również miejsca o silnym, lokalnym odkształceniu plastycznym, które prawdopodobnie powstały w wyniku prac montażowych/demontażowych (lokalne uderzenia). Rys. 24. Mikrostruktura po rewitalizacji wykonanej w warunkach laboratoryjnych Rys. 22. Mikrostruktura przy powierzchni komora zaworowa po rewitalizacji Rys. 25. Mikrostruktura po rewitalizacji wykonanej w warunkach laboratoryjnych Rys. 23. Mikrostruktura przy powierzchni komora zaworowa przed rewitalizacją Ponieważ, jak wspomniano uprzednio, w miejscu wytrepanowania próbki do badań z komory zaworowej turbogeneratora po rewitalizacji, głębokość warstwy zrewitalizowanej wynosi tylko około 10 mm (zarówno w próbce pobranej z prawej jak i w próbce pobranej z lewej strony rys. 1) postanowiono przeprowadzić na fragmencie pobranej próbki o strukturze zdegenerowanej proces rewitalizacji polegający na nagrzaniu próbki do temperatury 935 o C, wytrzymaniu w tej temperaturze przez jedną godzinę i następnym chłodzeniu z prędkością 30 o C na godzinę. Badania metalograficzne próbki po takiej obróbce cieplnej wykazały zajście procesu rewitalizacji (rozpuszczenie węglików wydzielonych po granicach ziarn, odnowienie prawidłowej dla staliwa struktury ferrytyczno-perlitycznej) co pokazano na rysunku 24 i rysunku 25. Postanowiono również wykonać badania dylatometryczne na próbkach pobranych zarówno z obszaru napawanego (rys. 2e), z obszaru zdegenerowanego (rys. 2f) oraz z próbki poddanej rewitalizacji w ramach niniejszej pracy. W ramach badań dylatometrycznych wykonanych przy użyciu wysokorozdzielczego dylatometru Adamel-Lhomargy DT1000, określono dla wszystkich próbek zarówno temperatury krytyczne Ac 1s, Ac 1f i Ac 3 jak i wartości współczynników rozszerzalności cieplnej w zakresie temperatur o C. Krzywe dylatometryczne nagrzewania z szybkością 0,08 o C/sek. próbek dylatometrycznych wraz z krzywymi różniczkowymi z wyznaczonymi temperaturami punktów krytycznych przedstawiono na rysunkach Wartości współczynników rozszerzalności cieplnej w zakresie temperatur o C dla badanych próbek zestawiono w tabeli 2. Wartości współczynników rozszerzalności cieplnej przedstawione w tabeli 2 należy traktować jako wartości orientacyjne (tylko dla porównania rozszerzalności cieplnej obu badanych próbek) gdyż zostały one określone w trakcie ciągłego nagrzewania, bez wytrzymywania w temperaturach końców poszczególnych zakresów. 6

7 Tabela 2. Wartości współczynników rozszerzalności cieplnej badanych próbek Zakres Współczynnik rozszerzalności cieplnej *, 10-6 [K -1 ] temperatury, o C napawana/ zrewitalizowana zdegenerowana zdegenerowana/ zrewitalizowana ,424 11,303 11, ,232 12,330 12, ,567 13,628 13, ,009 14,277 14, ,279 14,399 14, ,379 14,327 14,449 Wartości orientacyjne, tylko dla porównania rozszerzalności cieplnej badanych próbek Rys. 26. Krzywa dylatometryczna nagrzewania z szybkością 0,08 o C/sek próbki dylatometrycznej nr 1 (strefa I+II napawana/zrewitalizowana) wraz z krzywą różniczkową z wyznaczonymi temperaturami punktów krytycznych: Ac 1s =760 o C, Ac 1f =820 o C, Ac 3 =915 o C Przedstawione wyniki badań dylatometrycznych potwierdzają, opisywany w literaturze [11], wpływ początkowej mikrostruktury stali (staliwa) podeutektoidalnych na wartości temperatur krytycznych Ac 1s, Ac 1f i Ac 3 wyznaczonych na próbkach o tym samym składzie chemicznym (próbka zdegenerowana oraz próbka zdegenerowana/zrewitalizowana). Znacząco różne są wartości współczynników rozszerzalności cieplnej próbki dla strefy napawanej/zrewitalizowanej) co jest skutkiem różnic w składzie chemicznym. Niewielkie różnice w wielkościach współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału o tym samym składzie chemicznym ale o różnej mikrostrukturze (zdegenerowana oraz zdegenerowana i zrewitalizowana) nie powinny mieć wpływu na zachowanie się korpusu podczas pracy turbogeneratora. 3. Podsumowanie i wnioski Rys. 27. Krzywa dylatometryczna nagrzewania z szybkością 0,08 o C/sek próbki dylatometrycznej nr 2 (strefa III zdegenerowana) wraz z krzywą różniczkową z wyznaczonymi temperaturami punktów krytycznych: Ac 1s =780 o C, Ac 1f =835 o C, Ac 3 =925 o C Rys. 28. Krzywa dylatometryczna nagrzewania z szybkością 0,08 o C/sek próbki dylatometrycznej nr 3 (strefa III zdegenerowana, poddana rewitalizacji w ramach niniejszej pracy) wraz z krzywą różniczkową z wyznaczonymi temperaturami punktów krytycznych: Ac 1s =780 o C, Ac 1f =820 o C, Ac 3 =915 o C Badania mikrostruktur potwierdziły przeprowadzenie procesu rewitalizacji (wysokotemperaturowej obróbki cieplnej) komory zaworowej podczas remontu generalnego turbogeneratora w roku Rewitalizacja doprowadziła do przywrócenia w korpusie komory mikrostruktury zbliżonej do równowagowej (ferrytycznoperlitycznej) bez wydzieleń węglików w postaci siatki na granicach ziarn a tym samym podniesienie własności mechanicznych do poziomu materiału przed eksploatacją. Głębokość strefy zrewitalizowanej w badanych miejscach (zewnętrzne krańce korpusu komory zaworowej) sięga tylko około 10 mm, co zmniejsza jednak ryzyko powstawania odpowierzchniowych pęknięć termoszokowych. Prawdopodobnie wewnątrz komory zaworowej głębokość strefy zrewitalizowanej jest większa (z obszarów tych nie pobierano próbek aby zminimalizować prace naprawcze zmierzające do ponownego uruchomienia turbogeneratora. Nie znając szczegółów przeprowadzonej wysokotemperaturowej obróbki cieplnej (schemat obróbki cieplnej jest tajemnicą firm wykonujących rewitalizację) oraz danych dotyczących typu pieca, w którym przeprowadzono obróbkę cieplną (jego bezwładności cieplnej, wymiarów komory, rozkładu temperatury w strefie grzewczej), można tylko przypuszczać, że zewnętrzne krańce korpusu komory zaworowej znajdowały się podczas obróbki cieplnej na skraju strefy grzewczej lub warstwa zabezpieczająca korpus przed utlenieniem i odwęgleniem (podczas długotrwałej obróbki cieplnej) była w tym obszarze grubsza, co nie pozwoliło na uzyskanie na całym przekroju korpusu mikrostruktury zrewitalizowanej. Występowanie w obszarze zrewitalizowanym próbki pobranej z prawej strony komory zaworowej dwóch, odmiennych morfologicznie obszarów o równowagowej strukturze ferrytyczno-perlitycznej z wyraźnie występującymi kryształami kolumnowymi świadczy o tym, że są to obszary napawane materiałem zbliżonym do materiału rodzimego przez producenta 7

8 przed oddaniem turbogeneratora do eksploatacji. Taka sytuacja mogła mieć miejsce w przypadku wystąpienia w korpusie komory wad odlewniczych, które zostały naprawione drogą napawania. Na podstawie przeprowadzonych badań oraz po zapoznaniu się z dokumentacją przeprowadzonej rewitalizacji turbogeneratora i studiach literaturowych dotyczących zagadnień rewitalizacji można sformułować następujące wnioski: Przeprowadzona w roku 2008 rewitalizacja komory zaworowej turbogeneratora została wykonana w sposób poprawny z punktu widzenia przeciwdziałania powstawaniu pęknięć termoszokowych (warstwa zrewitalizowana ma w badanych miejscach grubość tylko ok. 10 mm). Zdaniem autorów niniejszej pracy, przeprowadzona w sposób optymalny rewitalizacja powinna doprowadzić do wytworzenia w całej objętości korpusu komory takiej samej, zrewitalizowanej mikrostruktury ferrytyczno-perlitycznej bez wydzieleń węglików po granicach ziarn. Najbardziej prawdopodobną przyczyną awarii turbogeneratora polegającej na rozszczelnieniu się komory zaworowej było przekroczenie dopuszczalnych przez producenta warunków eksploatacji (temperatura podawanej pary świeżej). Mikrostruktura strefy zrewitalizowanej korpusu komory zaworowej nie uległa w czasie pracy turbogeneratora po jego generalnym remoncie w roku 2008 zmianom, które uniemożliwiłyby dalszą pracę (po dokonaniu odpowiednich napraw zmierzających do przywróceniu szczelności komory). [4] Golański G., Stachura S., Kupczyk J., Gajda-Kucharska B.: Heat treatment of cast steel using normalization and intercritical annealing. Archives of Foundry Engineering, Vol. 7(1), (2007), p [5] Zieliński A., Dobrzański J., Krztoń H.: Structural changes in low alloy cast steel Cr-Mo-V after long time creep services. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Vol. 25(1), (2007), p [6] Golański G., Stachura S., Gajda-Kucharska B., Kupczyk J.: Optimisation of regenerative heat treatment parameters of G21CrMoV4-6 cast steel. Archives of Materials Science and Engineering, Vol. 28(6), (2007), p [7] Dudziński K., Dudziński W., Pękalska L., Pękalski G.: Spawanie i regeneracyjna obróbka cieplna korpusów turbin parowych. Inżynieria Materiałowa, nr 6, (2003), s [8] Kmetic D., Kurent V., Matko L., Dobosiewicz J., Arzensek B., Celin Roman.: Revitalizacija zunanjega okrova visokotlacnega dela turbine 125 MW. Materiali in Technologie, Vol. 26(6), (2002), p [9] Trzeszczyński J., Dobosiewicz J., Stachura S., Grzesiczek E.: Dotychczasowe doświadczenia związane z rewitalizacją korpusów turbin parowych. Energetyka, nr 1, (1996), s [10] Golański G.: Influence of tempering temperature on mechanical properties of cast steels. Archives of Foundry Engineering, Vol. 8(4), (2008), p [11] Garcia de Andrés C., Caballero F.G., Capdevila C.: Dilatometric characterization of pearlite dissolution in 0.1C- 0.5Mn low carbon low manganese steel, Scripta Materialia, Vol. 38(12), (1998), p Literatura [1] Golański G., Wieczorek P.:Electron microscopy investigation of the Cr-Mo-V cast steel. Archives of Materials Science and Engineering, Vol. 30 (2), (2008), p [2] Golański G., Kupczyk J., Stachura S., Gajda B.: Regeneracyjna obróbka cieplna długotrwale eksploatowanego staliwa Cr-Mo-V. Inżynieria Materiałowa, nr 3, (2006), s [3] Remus-Forc A.:Zmiany struktury zachodzące po rewitalizacji kadłubów turbin parowych. Inżynieria Materiałowa, nr 3, (2006), s REGENERATIVE HEAT TREATMENT OF STEAM TURBINE PT25/90-10MW VALVE CHAMBER Abstract The paper presents a study of the microstructure cast steel turbine valve chamber after regenerative heat treatment and about hours of service. The test samples were found to have both microstructure properly regenerated and - to a greater depth degenerated. Regenerated microstructure (in tested samples) were found in the area from the surface to a depth of only about 10 mm. Two morphologically different areas have been found in regenerated microstructure. One of them consist of columnar crystals which indicates that this zone was repaired by overlay welding technique by manufacturer before taking turbogenerator in service. Keywords: regenerative heat treatment, steam turbine, valve chamber Pracę recenzował: dr hab. inż. Jan Zwolak, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie 8