Отказы и повреждения деталей паровой турбины

Корпус турбины. Основными видами повреждений корпуса являются трещины, деформации, утонение стенок вследствие коррозии и эрозии.
Трещины могут являться следствием недостатков изготовления, появляться во время работы под влиянием температурных напряжений.
Вследствие перегрева корпуса во время работы, могут также появляться трещины в наиболее нагруженных местах, в местах переходов.
Утонение стенок корпуса происходит из-за коррозии и эрозии.
Эрозия возникает вследствие ударов о поверхность корпуса отбрасываемых лопатками ротора мелких капель воды, образующихся при конденсации расширяющегося пара. При разрушении металла внутренних поверхностей корпуса увеличиваются радиальные зазоры, усиливается утечка пара, снижается КПД. Наибольшей коррозии подвергаются участки корпуса, где неплотно прилегают другие детали (диафрагмы, сопловые сегменты, коробки уплотнений и др.). Интенсивная коррозия возникает в тех частях турбин в которых процесс расширения происходит в области влажного пара. Коррозия и эрозия могут настолько разрушить корпус вблизи лопаток, что их крепление нарушается и возможно выпадение лопаток из пазов.
Диафрагмы. К возможным повреждениям диафрагм относят: прогиб, трещины, раковины, выкрашивания металла в местах крепления (заливки) лопаток (у корня лопаток) и выход их из плоскости диафрагмы,; забоины, трещины и вмятины на лопатках, обрыв лопаток, коррозии и эрозия, подъём диафрагм над плоскостью разъёма.
Прогиб диафрагмы возможен вследствие гидравлического удара. Вода, попавшая между диафрагмами, не может быстро уйти в конденсатор. Создаётся закупорка проточной части, давление перед диафрагмой повышается и она прогибается. Кроме того, прогиб диафрагмы существенно зависит также от пригонки плоскостей сопряжения диафрагм.
При прогибе зазоры между диском и диафрагмой уменьшаются и может происходить их касание, вследствие которого возникает затирание диафрагм, вибрация, нагрев и, как следствие этого, авария турбины.
У чугунных диафрагм с залитыми лопатками, металл у корня лопаток выкрашивается вследствие «роста» чугуна. Отколовшиеся частицы (кусочки) чугуна увлекаются паром и повреждают рабочие лопатки ротора, оставляя вмятины в их периферийных частях. Подъём диафрагм над плоскостью разъёма является следствием роста чугуна.
Валы ротора. К типичным повреждениям валов относят: износ шеек, приводящий к эллиптичности и конусности, задиры, риски, царапины, забоины на шейках, коррозия, прогиб вала ротора.
Коррозия валов ротора, главным образом шеек, связана с попаданием забортной воды в масляную систему, а также контактом вала с влажным паром. Валы больше корродируют в местах уплотнения. Особенно при стоянках и пусках турбины. Риски, царапины и забоины на шейках могут возникнуть при наличии в смазочном масле твёрдых инородных тел, попадающих на поверхности трения. Поломка валов ротора - явление относительно редкое и в практике эксплуатации судовых ТЗА не отмечались.
Прогиб вала ротора происходит по многим причинам. К ним, в первую очередь, следует отнести неравномерный прогрев ротора и местный нагрев поверхности вала в месте касания вращающимся ротором неподвижного статора турбины.
Прогиб вала ротора, вследствие неравномерного нагрева, характерен для главных паровых турбин в случаях длительной стоянки с прогретыми турбоагрегатами. При этом роторы турбин, особенно турбин низкого давления, охлаждаются неравномерно: часть ротора, обращенная к конденсатору, охлаждается быстрее противоположной, в результате чего появляется «температурный перекос», термические напряжения и прогиб.
Причиной прогиба вала может явиться касание его во время работы о корпус. Наиболее вероятным местом касания являются уплотнения - концевые и диафрагм, где радиальные зазоры наименьшие. При касании о корпус, локально нагреваются и, в результате удлинения металла вала в месте касания, вал прогибается в сторону касания, увеличивая площадь контакта. При этом, в объёме нагретого и на границе нагретого и холодного металла вала возникают напряжения сжатия, превосходящие предел текучести.
При последующем остывании /например, после остановки турбины/ эти напряжения сжатия, направленные в сторону нагретого участка металла, сжимают его, выгибая вал в противоположную сторону и ведя к остаточным деформациям.
Причиной прогиба вала паровой турбины может оказаться местное охлаждение ротора в результате заброса котловой воды из паропровода при вскипании воды в котлах.
Работа вала с прогибом вызывает вибрацию турбины, ведущую к обрыву рабочих лопаток роторов, касания лопаток о корпус с поломкой деталей проточных частей, наклеп антифрикционного материала и последующий отказ опорных подшипников скольжения, разрушение подвесок трубопроводов, повреждение уплотнений.
Диски. Диски паровых турбин могут быть повреждены в основном из-за неравномерного распределения температур, вследствие нарушений правил технической эксплуатации ТЗА.
К основным видам повреждений дисков относят: уменьшение толщины вследствие коррозии, трещины, повреждения при задевании о диафрагмы, ослабление посадки на валу, разрыв.
Коррозия дисков и, как следствие этого, их утонение происходит обычно у турбин, находящихся длительное время в «горячем» резерве при условии подключения к главному паропроводу. Утонение снижает прочность дисков; повышение шероховатости дисков вследствие коррозии отрицательно сказывается на к.п.д. турбин.
Трещины могут образовываться в ступице и по телу диска, чаще всего в соединениях и ослабленных местах, например, разгрузочных отверстиях.
Вследствие задевания дисков о диафрагмы, подплавления упорного подшипиника и сдвига ротора, прогиба диафрагмы, попадания в проточную часть посторонних предметов, некачественного облопатывания на ступице диска, на его ободе появляются натиры и наволакивание металла. Возможно также подплавление и схватывание контактирующих поверхностей. Всё это приводит к серьёзным повреждениям дисков.
Лопатки. Для лопаток характерно эрозионное изнашивание входной кромки капельками воды, попадающей вместе с паром. ПТЭ устанавливают минимальную степень сухости 0,86-0,88. Больше всего изнашивается средняя часть лопатки. Проходное сечение лопаток может заносится солями котловой воды. На последних ступенях турбины низкого давления занос наблюдается относительно редко, так как влажный пар смывает отложения солей.
Поломка и срез лопаток происходит из-за гидравлического удара, вибрации, нарушения правил технической эксплуатации, недостаточно жёсткого закрепления лопаток в дисках и роторах.
Трещины в лопатках могут образовываться от воздействия вибрации в разных местах. Однако они наиболее вероятны в местах концентрации напряжений, например: сечение без галтелей, отверстия с незакруглёнными кромками, раковины, риски, царапины на поверхности лопаток и др. Трещины часто начинают образовываться на выходных кромках лопаток, развиваясь перпендикулярно к ним, и у корня лопаток в хвостовой части.
В области ступеней низкого давления разрушение лопаток происходит в результате совместного действия коррозии и эрозии.
Наибольшие эрозионные разрушения наблюдается в ступенях, находящихся в области влажного пара. Эрозионное поражение верхних участков лопаток связано с тем, что частицы отбрасываются центробежной силой к периферии диска. Наибольшие эрозионные разрушение происходят на расстоянии 20-60 мм от верхней кромки, постепенно уменьшаясь к основанию.
У лопаток с бандажной проволокой, наблюдается характерное поражение в месте защиты проволокой части поверхности лопаток. При этом изнашивание неравномерное, около проволочного бандажа образуется глубокая выемка. Вследствие внутрикристаллической коррозии легированных сталей, в лопатках при относительно высокой температуре, иногда возникают трещины.
Бандажи. Характерными повреждениями бандажей являются коррозия, трещины, истирание, механические повреждения (поломка бандажной ленты, разрыв бандажной проволоки и др.).
Коррозия бандажа связана с химическим воздействием пара. Трещины появляются в бандажной ленте и проволоке вследствие вибрации, термических и механических напряжений, концентрации напряжений у отверстий. Истирание бандажа может произойти при воздействии накипи,заносимой с паром.
Механические повреждения наблюдаются при попадании посторонних предметов между бандажом и корпусом турбины. Иногда, при низком качестве пайки бандажа, возможны поломки лопаток, так как в освобождённой от связи с бандажом, лопатке, попадающей в резонанс, образуются усталостные трещины. Отделившаяся от лопаток часть бандажной ленты при этом может отломаться.
Лабиринтовые уплотнения. Повреждения уплотнений связаны с изнашиванием и смятием острых концов гребешков, а также с их срывом.
Причины, вызывающие повреждения лабиринтовых уплотнений, разнообразны: вибрация или осевой сдвиг ротора, коробление корпуса уплотнения, неравномерное расширение ротора и статора, неправильная сборка.
При вибрации турбины, когда амплитуды абсолютных перемещений достигают значений при которых выбираются радиальные зазоры, происходит касания вала о уплотнения, смятие гребешков, риски и натиры на роторе. Смятие гребешков увеличивает зазоры, нарушает нормальную работу турбины.
При гидравлическом ударе, неправильной сборке упорного подшипника может произойти осевой сдвиг ротора. При этом выбираются осевые зазоры между подвижными и неподвижными частями уплотнений, происходят и повреждение уплотнений. Повредить уплотнения могут также попавшие в турбину мелкие предметы, например: металлическая стружка; капли металла от сварки, оставленные в камерах или трубопроводах подвода пара к уплотнениям.
Опорные и упорные подшипники скольжения турбинных механизмов являются наиболее уязвимыми узлами.  В то же время они наиболее ответственны, так как от их технического состояния зависит взаимное положение ротора и корпуса.
Работоспособность подшипника скольжения зависит от многих факторов, в первую очередь от качества масла, взаимного положения деталей: шейка вала - вкладыш опорного подшипника, упорный гребень - упорные колодки упорного подшипника, от величины неплоскостности рабочей поверхности упорного гребня, отклонения формы опорного подшипника от цилиндрической и т. д.
При использовании загрязнённого и плохо очищенного масла твёрдые частицы, размеры которых превосходят толщину минимального масляного слоя, проходя через рабочую зону подшипника, царапают антифрикционный материал и шейку вала, оставляя на них концентрические риски.
Работа на загрязнённом масле интенсифицирует абразивное изнашивание, главным образом, антифрикционного материала, ведя к быстрому увеличению радиального (масляного) зазора в подшипнике и, как следствие, к уменьшению минимальной толщины масляного слоя и снижению несущей способности подшипника.
Толщина масляного слоя уменьшается и при работе на обводнённом масле. В обоих случаях уменьшения минимальной толщины масляного слоя, выступы шероховатости антифрикционного материала и шейки вала прорезают масляную плёнку и вступают между собой в металлический контакт. Результатом контакта является выделение тепла, ведущего к локальному подплавлению антифрикционного материала. Так как охлаждение аварийного района маслом затруднено, границы подплавления расширяются, ведя к полному выплавлению антифрикционного материала.
Если при этом не принять своевременные предупредительные меры (снижение частоты вращения или полная остановка турбины), то произойдёт просадка ротора или его осевой сдвиг с касанием движущихся деталей проточных частей о неподвижные. Несущая способность подшипников зависит от температуры, масла, поступающего в подшипник. При её повышении вязкость масла снижается, уменьшается толщина масляного слоя в рабочей зоне, повышается температура масла в масляном клине рабочей зоны. Последнее обстоятельство опасно тем, что при температуре более 120-130° С большинство турбинных масел окисляются, теряя смазочные свойства.
При снижении температуры масла затрудняется сохранение сплошности масляного клина, что ведёт к разрыву масляной плёнки, появлению полусухого трения с металлическим контактом сопряжённых поверхностей.
К тяжёлым последствиям ведёт засоление масла, или, точнее -засоление конденсата, поступающего в масло. Масляная эмульсия, несущая капли солёной воды, смывает поверхности шеек и упорных гребней, вызывая активный коррозионный процесс. При работе турбины продукты коррозии интенсивно смываются с поверхностей и, загрязняя масло, ускоряют абразивное изнашивание. Если механизмы не находятся в действии, процесс коррозии идёт весьма активно, в короткий срок снижая чистоту поверхностей шеек и упорных гребней, что увеличивает коэффициент трения в подшипниковых узлах.
Правилами эксплуатации турбинных установок солёность конденсата турбинного масла для всех турбинных механизмов ограничена на 15°Бр.
При вибрации турбины антифрикционный материал опорных вкладышей подшипников испытывает ударные нагрузки, вызывающие его наклёп, растрескивание и отслаивание от стальной основы. Отслаивание антифрикционного материала может произойти и в результате некачественного изготовления или ремонта вкладышей.
Работоспособность опорных подшипников скольжения зависит от формы шейки вала. Например, овальность шеек снижает несущую способность подшипника, так как с частотой, кратной частоте вращения вала, нарушается оптимальная клиновидная форма масляного клина.
При нарушении плоскостности рабочей поверхности гребня упорного подшипника нарушается равномерное распределение нагрузки между колодками и искажается эпюра распределения давлений по поверхностям упорных колодок, что снижает несущую способность подшипника.
Упорные колодки упорных подшипников подвергаются изнашиваниям, аналогичным вкладышам опорных подшипников. От целостности слоя антифрикционного материала подушек зависит осевое положение ротора относительно корпуса. В случае аварийного изнашивания антифрикционного материала колодок происходит осевой сдвиг ротора, касание деталей ротора о корпус и отказ турбины.