2-212 T R I B O L O G I A 31 Aleksander IWANIAK *, Marek HETMAŃCZYK * ZABEZPIECZANIE ŁOPATEK TURBIN PAROWYCH PRZED NISZCZENIEM EROZYJNYM POWŁOKAMI OCHRONNYMI NAPAWANYMI LASEROWO PROTECTION OF STEAM TURBINE BLADES AGAINST EROSION BY USING LASER CLADDING Słowa kluczowe: napawanie laserowe, łopatki turbin parowych, niszczenie erozyjne, inżynieria powierzchni Key words: cladding laser, blades of steam turbines, erosion, surface engineering Streszczenie W pracy przedstawiono problem niszczenia erozyjnego łopatek turbin parowych. Omówiono aktualne sposoby ich zabezpieczenia z wykorzystaniem stellitowych nakładek ochronnych. Wskazano na wady tego sposobu przeciwdziałania erozji związane m.in. z możliwością ich odrywania się podczas pracy. Zaprezentowano metodę zabezpieczenia piór łopatek stosowanych w turbinach parowych poprzez wytwarzanie na ich powierzchni metodą napawania laserowego powłok ochronnych. Przeprowadzona rewizja turbiny po 11 miesiącach doświadczalnej eksploatacji wykazała, że łopatki z napawanymi warstwami, * Politechnika Śląska, Katedra Nauki o Materiałach, ul. Z. Krasińskiego 8, 4-19 Katowice.
32 T R I B O L O G I A 2-212 w porównaniu z łopatkami bez zabezpieczenia, wykazują mniejsze zużycie erozyjne, zwłaszcza z powłoką materiału stellit 6. Zastosowanie technologii napawania laserowego powłok zapewnia niezawodność procesu wytwarzania i wysoką jakość wytwarzanej warstwy. ZUŻYCIE EROZYJNE ŁOPATEK TURBIN PAROWYCH Jednym z najważniejszych elementów instalacji systemu energetycznego elektrowni na paliwa stałe jest turbina parowa. Łopatki parowe turbin kondensacyjnych, wykonane najczęściej ze stali X2Cr13 (2H13), narażone są na: korozję, kawitację, erozję oraz niszczenie zmęczeniowe [L. 1 4]. W końcowych stopniach części niskoprężnej turbiny może wystąpić intensywna erozja łopatek wirnika spowodowana kondensacją pary wodnej i powstaniem mieszaniny dwufazowej pary i kropel wody. Duże przechłodzenie pary wodnej w tej części turbiny powoduje, że w tzw. obszarze Wilsona dochodzi do spontanicznej kondensacji pary i powstają pierwotne krople wody. Część tych kropli po uderzeniu w krawędź natarcia łopatek tworzy na ich powierzchni film wodny lub układ strug, które po zejściu z krawędzi spływu łopatek tworzą krople wtórne. Krople te są w dużej mierze odpowiedzialne za erozję powierzchni łopatek. W efekcie powstających w obrębie krawędzi łopatek ubytków materiału dochodzi do start w przepływie pary, co skutkuje obniżeniem sprawności turbiny [L. 5 6]. Przykładową łopatkę turbiny po kilkuletniej eksploatacji z uszkodzoną krawędzią natarcia w następstwie niszczenia erozyjnego przedstawiono na Rys. 1 (ubytek zaznaczony strzałką). Rys. 1. Łopatka ze stali X2Cr13 ostatniego stopnia turbiny typu TC 121 widoczny ubytek materiału w obszarze krawędzi natarcia Fig. 1. X2Cr13 steel blade of the last stage of TC 121 turbine - a visible material defect at the edge
2-212 T R I B O L O G I A 33 W celu podwyższenia odporności erozyjnej łopatek turbin parowych stosuje się różnego typu zabezpieczenia. W warunkach polskiego przemysłu energetycznego hartuje się powierzchnię piór łopatek lub zabezpiecza się krawędź natarcia łopatki specjalnymi, stellitowymi nakładkami ochronnymi [L. 1, 4]. Technologia mocowania takich nakładek ochronnych do pióra łopatki, wykorzystująca lutowanie (płomieniowe lub indukcyjne), nie gwarantuje niezawodnego ich połączenia z łopatką. Zarówno w trakcie montażu turbiny, jak i podczas eksploatacji może dochodzić do odrywania się nakładek ochronnych (Rys. 2), co w konsekwencji prowadzi do uszkodzenia turbiny, a nawet jej zniszczenia. Rys. 2. Przykład uszkodzenia nakładki stellitowej na łopatce wieńca turbiny parowej widoczne wyłamanie fragmentu lutowanej części nakładki Fig. 2. An example of the stellite plate destruction on the blade of the steam turbine ring visible gap in the welded part of the plate Prowadzone są prace nad zwiększeniem odporności na niszczenie erozyjno-kawitacyjne elementów maszyn, w tym łopatek turbin parowych, poprzez nakładanie powłok natryskiwanych cieplnie, głównie metodą plazmową i naddźwiękową. W pracach [L. 7 1] analizowano odporność erozyjną powłok wytwarzanych na bazie niklu i chromu, kobaltu i chromu oraz kobaltu z dodatkiem węglika wolframu. Powłoki tego typu nie zapewniają jednak odpowiedniej ochrony antyerozyjnej. Wykazano, że wpływ na to ma m.in. porowatość powłok natryskiwanych cieplnie [L. 1]. NAPAWANIE LASEROWE PIÓR ŁOPATEK PAROWYCH DOŚWIADCZENIA WŁASNE Metoda napawania laserowego jest rozwinięciem klasycznej technologii napawania, w której jako źródło ciepła wykorzystuje się wiązkę laserową. Spośród
34 T R I B O L O G I A 2-212 wielu zalet tej technologii należy podkreślić m.in. to, że pomiędzy powłoką a pokrywanym podłożem uzyskuje się metalurgiczne połączenie istnieje przy tym możliwość precyzyjnej kontroli grubości nadtapianej warstwy podłoża. Metoda daje możliwość pełnej kontroli gęstości źródła mocy oraz jej rozkładu na przekroju wiązki laserowej, dzięki temu nagrzewanie ma charakter lokalny zmniejsza się tym samym ryzyko wystąpienia odkształceń termicznych obrabianych elementów i minimalizuje wielkość strefy wpływu ciepła w materiale pokrywanym. Istnieje możliwość kontroli grubości i kształtu napawanej warstwy. Uzyskana powłoka metaliczna osiąga 1% gęstości, przy czym można uzyskać drobnoziarnistą strukturę powłoki. Proces napawania laserowego można stosunkowo prosto zautomatyzować i kontrolować, co zapewnia wysoką jakość i powtarzalność wytwarzanych powłok [L. 11]. Do niedawna jednym z głównych ograniczeń rozwoju metod nakładania powłok z użyciem laserów była stosunkowo mała moc tych urządzeń i ich wysoka cena. Analiza literatury [L. 7 1] i doświadczenia własne pozwoliły na wytypowanie materiałów powłokowych, które wykorzystano do napawania łopatek turbin parowych. Były to proszki na bazie: Co-Cr, Ni-Cr, Co-Cr-Ni oraz Ni-Cr- -WC (Tab. 1). Prace doświadczalne prowadzono na zrobotyzowanym stanowisku, które wyposażone było w laser Nd:YAG o mocy 2 kw firmy Trumpf wraz ze specjalistyczną głowicą do napawania proszkowego. Tabela 1. Materiały powłokowe użyte do napawania laserowego Table 1. Materials used for laser cladding Oznaczenie Skład materiału powłokowego powłoki Pierwiastki bazowe Pozostałe pierwiastki P1 (Stellit 6) Co-Cr Ni, Fe, Si, W, C P2 Ni-Cr-WC Si, Fe, B, W, C P3 Ni-Cr B, Fe, Si, C P4 Co-Ni-Cr Mo, B, Si, Fe, C Na pierwszym etapie badania prowadzono na próbkach płaskich ze stali X2Cr13. W ich efekcie określono parametry napawania, przy których powłoki były ciągłe, bez wad i pęknięć. W jednym przejściu głowicy uzyskiwano warstwę o grubości,6 mm. Powłoki o większej grubości wytwarzano poprzez wykonywanie kolejnych przejść głowicy (napawanie następnych warstw). Przykładową strukturę otrzymanej warstwy materiału powłokowego P1 zamieszczono na Rys. 3. Dla napawanych powłok wyznaczono podstawowe właściwości użytkowe: rozkłady twardości w warstwie powierzchniowej dla poszczególnych powłok (Rys. 4) oraz odporność erozyjną. Test zużycia erozyjnego przeprowadzono zgodnie z normą ASM G76 95 (czas próby t = 1 min, prędkość erodentu Al 2 O 3 4 m/s Rys. 5). Największą twardością odznaczała się powłoka P2 (Ni-
2-212 T R I B O L O G I A 35 -Cr-WC) jej twardość zwierała się w przedziale 6 8 HV,3. Twardość powłok P1 i P4 wynosiła 6 HV,3, zaś najmniejszą miała warstwa P3 (4 HV,3). Dla wszystkich badanych powłok stwierdzono nierównomierny rozkład twardości na przekrojach, co zapewne jest skutkiem nadtapiania powierzchni nałożonej już warstwy przy napawaniu następnej. coating substrate Rys. 3. Mikrostruktura warstwy wierzchniej stali X2Cr13 po napawaniu laserowym materiałem P1 (SEM) wzdłuż czerwonej linii zmierzono rozkład twardości Fig. 3. The microstructure of surface layer of X2Cr13 steel after laser cladding with P1 material (SEM) along the red line measure the hardness distribution Wykres twardośći HV,3 powłoki P1 Wykres twardośći HV,3 powłoki P2 Twardość HV,3 6 4 3 2 1 1 - -1 Odległość od granicy powłoka-rdzeń [µm] -1 Twardość HV,3 9 8 7 6 4 3 2 1 1 1 - -1 Odległość od granicy powłoka-rdzeń [µm] -1 Wykres twardośći HV,3 powłoki P3 Wykres twardośći HV,3 powłoki P4 6 6 Twardość HV,3 4 3 2 1 Twardość HV,3 4 3 2 1 1 - -1 1 - -1-1 Odległość od granicy powłoka-rdzeń [µm] Odległość od granicy powłoka-rdzeń [µm] Rys. 4. Rozkład twardości w warstwie wierzchniej poszczególnych powłok Fig. 4. Hardness distribution in the surface layer of the selected coatings
36 T R I B O L O G I A 2-212 Rys. 5. Wykres ubytku masy w próbie odporności erozyjnej napawanych laserowo powłok (czas t = 1 min, erodent Al 2 O 3 o średnicy ziarna 5 µm, prędkość padania erodentu 4 m/min) Fig. 5. The diagram of mass decrement in the erosion resistance test of the lased cladded coatings (time t = 1 min, erodent Al 2 O 3 and grain size of 5 µm, velocity of the erodent falling 4 m/min) Najmniejszy ubytek masy w przeprowadzonym teście odporności erozyjnej uzyskano dla powłoki P1, zaś największy dla P4. Dla wszystkich badanych warstw stwierdzono wzrost zużycia erozyjnego wraz ze zmniejszaniem kąta padania ścierniwa. Przed napawaniem łopatek frezowano je na obrabiarkach numerycznych CNC celem wykonania wgłębień pod napawane warstwy. Napawane laserowo powłoki były ciągłe i charakteryzowały się metalurgicznym połączeniem z pokrywanym rdzeniem, zaś strefa wpływu ciepła nie przekraczała µm. Po napawaniu powierzchnię łopatek frezowano, a następnie szlifowano celem odtworzenia właściwego kształtu i wymiaru łopatki oraz uzyskania odpowiedniej chropowatości powierzchni. Mikrostrukturę łopatki z napawaną laserowo powłoką na krawędzi natarcia materiałem P1 (stellit 6) przedstawiono na Rys. 6. Łopatki z napawanymi laserowo powłokami zostały zamontowane na wieńcu turbiny parowej typu TC 121. Turbina została włączona do ruchu z docelową szybkością pracy wynoszącą 72 obr./min. Po 11 miesiącach ciągłej eksploatacji przeprowadzono rewizję turbiny i poddano ocenie stan łopatek, w szczególności zaś krawędzie piór z napawanymi powłokami. Łopatka bez zabezpieczenia wykazywała na powierzchni znaczny stopień zniszczenia erozyjnego, zmierzona chropowatość wynosiła Ra = 31 µm (Rys. 7b). Spośród
2-212 T R I B O L O G I A 37 pokrywanych łopatek najmniejszą chropowatość (Ra = 4 µm) miała ta z warstwą stellitu 6 (powłoka P1, Rys. 7a). Chropowatość pozostałych powłok zawierała się w przedziale 11 18 µm. Przeprowadzone prace pozwoliły na opracowanie technologii wytwarzania pokryć ochronnych na łopatkach turbin parowych metodą napawania laserowego. Wytworzone warstwy m.in. z proszków na bazie Co-Cr, Ni-Cr były ciągłe, bez wad i pęknięć. Uzyskano trwałe połączenie metalurgiczne napawacoating substrate a) b) Rys. 6. Mikrostruktura warstwy wierzchniej krawędzi natarcia napawanej laserowo łopatki parowej materiałem P1 stellit 6 (LM, zgład poprzeczny), widok ogólny, b) powiększenie w obszarze linii wtopienia (Rys. a) Fig. 6. Surface layer microstructure of the edge of the laser cladded steam turbine s blade with P1 stellite 6 (LM, crosswise microsection) general overview, b) magnification in the area of line of fusion (Fig. a) a) Rys. 7. Widok krawędzi natarcia łopatek turbiny po 11 miesiącach testowej eksploatacji: a) pokrytej warstwą P1 (stellitem 6), b) bez pokrycia Fig. 7. Turbine blades edges after 11 months of test operation: a) cladded with P1 (stellite 6) coating, b) without cladding b) PODSUMOWANIE
38 T R I B O L O G I A 2-212 nej warstwy z metalicznym podłożem przy ograniczeniu rozmiarów strefy wpływu ciepła poniżej µm. Wstępne testy przemysłowe łopatek z nałożonymi laserowo warstwami wykazały, że posiadają one lepszą odporność erozyjną niż łopatki niezabezpieczone. Przeprowadzona rewizja turbiny po 11 miesiącach eksploatacji wykazała, że najwyższą odpornością erozyjną charakteryzowała się powłoka nanoszona z materiału stellit 6. Po okresie testowej eksploatacji turbiny uzyskano pozytywne rezultaty, które pozwalają na prognozowanie, iż zastosowany sposób ochrony podwyższa trwałość łopatek turbin parowych, co powinno wydłużyć czas pracy turbiny. LITERATURA 1. Orłowski P.: Diagnostyka turbin, Wyd. PWN, Warszawa 22. 2. Dobosiewicz J.: Korozja łopatek turbin parowych, Biul. Pronovum, Nr 1, 1998. 3. Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 23. 4. Dobosiewicz J.: Niektóre przyczyny uszkodzeń łopatek roboczych turbin parowych, Energetyka, Nr 1, 23. 5. Krzyżanowski J.: Erozja łopatek turbin parowych, Zakład Narodowy im. Ossolińskich, Warszawa 1991. 6. Azevedo C.R.F., Sinátora A.: Erosion-fatigue of steam turbine blades, Engineering Failure Analysis No 16, 29. 7. Mann B.S., Arya V., Joshi P.: Advanced High-Velocity Oxygen-Fuel Coating and Candidate Materials for Protecting LP Steam Turbine Blades Against Droplet Erosion, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 14(4) Aug. 25. 8. Mann B.S., Arya V.: HVOF coating and surface treatment for enhancing droplet erosion resistance of steam turbine blades, Wear 254, 23, 652. 9. Singh Sidhu H.S, Singh Sidhu B., Prakash S.: Solid particle erosion of HVOF sprayed NiCr and Stellite6 coatings, Surface & Coatings Technology 22, 27, 232. 1. K. Takeda, M. Ito, S. Takeuchi, K. Sudo, M. Koga, K. Kazama, Erosion resistant coating by low-pressure plasma spraying, ISIJ International 33, 1993, 976. 11. Kusiński J.: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej, Wydawnictwo Akapit 2. Badania wykonano we współpracy z firmą Plasma System S.A. w ramach Inicjatywy Technologicznej I. Summary In this study, the problem of steam turbines blades erosive destruction is analysed. The currently used methods of blade protection using stellite 6 protective plates is outlined in this study. The advantages of this method are also mentioned, i.e. the plates falling off during turbine operation. A
2-212 T R I B O L O G I A 39 method of steam turbine blade protection obtained in the process of protective coatings produced by laser cladding on the blades surface are also presented. After 11 months of the turbine operation, an examination of its condition was conducted. The examination indicated that the blades with the coating were less eroded, especially those cladded with stellite 6, than the blades without the coating. It was proved that laser cladding of the coatings ensures the best process of their production and the high quality of the coating.
4 T R I B O L O G I A 2-212