Повреждения деталей движения.

Поршни. Из всех неисправностей деталей ЦПГ отказы поршней являются наиболее опасными, поскольку приводят к отказам двигателя в целом. В лучшем случае возникает необходимость переборки, ремонта и замены деталей. К характерным дефектам поршня можно отнести: выгорание и растрескивание металла днища поршня, повреждение или износ компрессорных колец и их канавок, отложение нагара и кокса в поршневых канавках и на поверхности головки поршня, износы и задиры тронка и т.д.
Сквозное прогорание металла донышка поршня или его выгорание может быть следствием неудачной конструкции, некачественного распыла, отложения нагара или накипи со стороны охлаждения и т.п. Выгорание, как правило, сопровождается образованием трещин. Для предотвращения этих неисправностей необходим контроль теплового состояния головки поршня. Наибольшей информативностью в этом случае обладает температура на периферии днища поршня. Технология заделки термодатчиков в головку поршня в достаточной мере отработана. Наибольшие трудности возникает с передачей информации и питанием датчиком на движущемся поршне, эту задачу удается решить на основе индуктивной связи между подвижным блоком, закрепленным на поршне и неподвижным, установленным в подпоршневом пространстве.
Износ поршневых колец приводит к увеличению зазора в замке кольца и выходу кольца из канавки поршня. При некачественном материале, например, недостаточной упругости, неправильной пригонке и малом зазоре возможна поломка уплотнительных колец. Залегание колец в канавках поршней также является причиной их поломок.
К основным неисправностям коленчатых валов относят: усталостные трещины, проворачивание шеек в местах их запрессовки в щеки и повреждения поверхностей шеек в виде царапин, натиров или задиров.
Аварийные повреждения коленчатых валов настолько редки, что диагностирование их технического состояния во время работы дизеля, с целью обнаружения усталостных трещин или проворачивания шеек в местах запрессовки, вряд ли представляется целесообразным для предотвращения отказов коленчатых валов достаточно соблюдать ПТЭ и регулярно проводить осмотры поверхности шеек коленчатого вала с использованием средств дефектоскопии.
Штоки. Штоки находятся в более благоприятных условиях, чем остальные детали движения и не подвергаются износам. Для них характерны коррозия и деформация опорных фланцев.
Крейцкопфы. Характерными дефектами крейцкопфов являются: износ цапф, в результате которого образуется эллиптичность; наработки; царапины и задиры на цапфах; нередко трещины и поломки относят к характеру аварийных повреждений. Повреждения крейцкопфов, как правило, носят единичный характер, поэтому организация постоянного эксплуатационного контроля с помощью средств технической диагностики экономически не целесообразна.
Шатуны и шатунные болты. Основными видами повреждений шатунов являются: изгиб; трещины; поломки (разрывы) шатунных болтов (вследствие возникновения усталостных трещин), что чревато тяжелыми разрушениями двигателя.
Самый простой способ предотвращения таких аварий, является тщательное соблюдение требований по затяжке и стопорению шатунных болтов, контроль их удлинения, визуальный осмотр и дефектоскопия.
Распределительные валы. Вследствие изнашивания уменьшается диаметр шеек и образуется их эллиптичность. При определённых условиях, например, подплавлении подшипника, возможен изгиб распределительного вала. Кулачные шайбы изнашиваются в районе профильной части, возможны трещины на их поверхностях.
Подшипники в судовых дизелях относятся к наиболее ответственным узлам. Их неисправности часто приводит к отказу двигателя в целом. Наибольшее число повреждений приходится на головные подшипники. Особенно тяжёлые условия для их работы возникают при реверсах и пусках двигателя.
К характерным дефектам подшипников (головных, рамовых, мотылёвых) относятся: растрескивание слоя заливки, отслаивание слоя заливки антифрикционного сплава от постели вкладыша, натиры, подплавления и полные выплавления антифрикционного материала.
В целом, на износ подшипников влияют система смазки и качество масла, условия работы двигателя, качество заливки и пригонки, качество технического обслуживания.

Повреждения деталей остова.

Основные детали остова - фундаментная рама, станина, блоки цилиндров, цилиндровые крышки и анкерные связи, связаны друг с другом, однако условия работы, а также характеры неисправностей у них различные.
Фундаментная рама является основанием двигателя и опорой коленчатого вала. Основное требование, предъявляемое к ней - высокая жесткость, которая определяется не только необходимостью малых деформаций по действиям сил, сопровождающих работу самого двигателя, но и тем, что фундаментная рама связывает двигатель с корпусом судна.
При сборке дизеля на судне на центровку рамы даются жесткие допуски, поскольку это связано с надежностью работы подшипников коленчатого вала. Однако, в эксплуатации основное влияние на деформацию рамы оказывает изгиб судового фундамента, возникающий в результате изменения загрузки судна, действия морских волн или остаточных деформаций корпуса, полученных при посадке на мель.
Геометрия фундаменной рамы двигателя может нарушаться и при статической деформации корпуса, например, в результате неправильной постановки судна в док.
Очевидно, что деформация фундаментной рамы судового дизеля связана не только с изгибом корпуса судна. При работе дизеля усилие от давления газов в цилиндре передается с одной стороны крышке и через анкерные связи фундаментной раме, а с другой -поршню, а затем через шток и шатун снова фундаментной раме. Кроме того, через неё передается корпусу судна опрокидывающий момент.
Таким образом, фундаментная рама совершает сложные движения: вертикальные и периодические бортовые колебания. Если при сжатии в рабочем ходе в цилиндре между деталями остова образуется зазор, то в этом случае создается наиболее благоприятные условия для фреттинг-изнашивания. Вследствие этого износа ослабляется затяжка и обрываются фундаментные болты, появляются вибрации, износы и поломки других деталей остова.
Остановить начавшийся износ фундаментных клиньев перезатяжкой фундаментных болтов, как правило, не удаётся. Зазоры вновь появляются через 100 - 200 ч. работы дизеля. Поэтому ремонт изношенных мест соединений деталей остова без ремонта фундаментных клиньев может не дать положительных результатов.
Значительную часть повреждений фундаментных рам составляют трещины. Анализ показывает, что причинами их появления может быть несовершенная конструкция самих рам или технология сварки, а также перегрузка двигателя при работе в чрезмерно тяжёлых условиях.
Блоки и станины. Основными дефектами блоков и станин являются коррозия и трещины. Коррозия, в основном, проявляется в посадочных местах втулок цилиндров и на поверхностях, прилегающих к ним. Трещины возникают, главным образом, в местах концентрации напряжений.
Неисправности фундаментных рам станин, блоков цилиндров сами по себе практически не вызывают внезапных отказов. Однако их деформация создает условия для нарушения центровки деталей движения и может быть первопричиной их аварийных повреждений: разрушений подшипников, интенсивных износов и задиров деталей ЦПГ и т.п. Поэтому в первую очередь должен быть реализован диагностический контроль деформаций и взаимных перемещений фундаментальных рам, картерных стоек и блоков цилиндров.
Цилиндровые втулки, по сравнению с другими деталями ДВС работают в более тяжёлых условиях. Внутренняя часть втулки подвергается воздействию не только горячих газов, но и является поверхностью трения поршневых колец. В связи с этим одним из типичных дефектов цилиндровых втулок является повышенный или неравномерный износ, а также их задиры. Наружная поверхность омывается охлаждающей жидкостью, поэтому на ней возникают коррозионные, эрозионные и кавитационные разрушения.
Велико влияние на скорость износа содержания серы и твёрдых включений в топливе, особенно при низкой температуре окружающей среды, пониженных температурах в системе охлаждения двигателя, при его работе с малыми нагрузками, что обуславливает понижение температуры внутренних поверхностей стенок цилиндров.
Задиры рабочей поверхности втулки связаны с возникновением между поршнем и втулкой сухого трения из-за нарушения режимов смазки. К внезапным отказам ЦПГ следует отнести: задиры, водотечные трещины, обрывы втулок по верхнему бурту, при отсутствии контроля за развитием трещин в этой зоне.
Для диагностирования этих повреждений на ранней стадии их развития наиболее универсальным является виброакустический метод. Так, для обнаружения задира датчики устанавливают в нижней части втулки с ориентацией вдоль её оси. В случае задира датчики будут фиксировать продольные резонансные колебания втулки. Для выявления трещин вибропреобразователи (датчики) ориентируют в радиальном направлении.
Возникновение предзадирного состояния можно определять при помощи контактных датчиков температуры (термопар).
Крышки цилиндров. Основными дефектами крышек являются трещины, коррозия, обгорание. Возникновение трещин связано, главным образом, с тепловым воздействием, вследствие неравномерной затяжки гаек при креплении крышек, а также из-за неудачной конструкции крышек.
Крышки могут выйти из строя из-за гидравлических и механических ударов, если в крышке имеются сквозные трещины, сквозь которые вода просачивается в цилиндр. Во время работы двигателя это, как правило, не происходит, так как вода испаряется и удаляете с выпускными газами. Если вода и просачивается в цилиндр при остановке, то накопившись там, при пуске может вызвать гидравлический удар (во время пуска при закрытых индикаторных кранах).
Обгорание крышек связано с качеством их охлаждения.
Анкерные связи. Соединяют блок цилиндров, станину и фундаментную раму, разгружая их от напряжений растяжений и изгиба. Усилия, с которыми затягиваются анкерные связи, в 1,5 раза превышает максимальное давление сгорания в цилиндрах.
В процессе эксплуатации происходит перераспределение нагрузки между анкерными связями главных двигателей при деформации корпуса судна вызванной загрузкой судна, волнением моря и неравномерности нагрева деталей остова. Несмотря на высокие требования к изготовлению анкерных связей и большой запас прочности бывают случаи их обрыва.
Диагностирование состояния анкерных связей может быть обеспечено тензометрическим контролем испытываемых ими напряжений. При этом анализ изменения нагрузки на анкерные связи позволил бы оценивать условия работы всего остова в целом.

Отказы и повреждения деталей газовой турбины.

Лопаточный аппарат. Обрыв рабочих лопаток компрессора или турбины относится к наиболее тяжелым видам повреждения ГТД.
Основной причиной обрыва лопаток компрессора является снижение усталостной прочности материала в результате коррозии или эрозии при высоких напряжениях, вследствие динамических и вибрационных нагрузок. Эти нагрузки могут возрастать в случаях работы компрессора в зоне неустойчивой работы, иногда этому способствуют конструктивные и технологические дефекты (рост вибрационных напряжений вследствие неравномерностей в потоке воздуха, недостаточная отстройка лопаток по частоте, некачественное изготовление лопаток). Начало усталостного разрушения металла лопатки носит местный характер и связано с образованием микротрещин, которые при циклических нагрузках, объединяются между собой. Развитие усталостных трещин начинается, как правило, с входных кромок лопаток и реже - с выходных. Часто источниками образования трещин являются участки коррозионно-эрозионных поражений.
Повреждения спрямляющих и направляющих аппаратов компрессоров связаны, в основном, с отсутствием в сварных конструкциях достаточной эластичности, наличием высоких остаточных напряжений и низкими демпфирующими свойствами. Разрушения направляющих аппаратов по сварным точкам приводит к выпадению отдельных лопаток или отставанию полуколец и задеванию их о ротор.
Помпаж компрессора приводит к обратному течению потока воздуха и газов внутри воздушно-газовых трактов ГТД и возникновению ударной волны высокой интенсивности. Продолжительность одного помпажного цикла «образование ударной волны - образование обратного течения - восстановление нормального течения» длится от 0,1 до 0,5с. Интенсивность ударной волны характеризуется увеличением статического давления в 2-3 раза и высокой скоростью её распространения.
Приложение нагрузки на детали и узлы ГТД от действия ударной волны происходит в виде короткого, по времени, импульса и может вызвать прогиб лопаток, повреждения корпуса ГТД и подшипников, нарушить узлы крепления и изменить центровку двигателя. Прогиб лопаток компрессоров при помпаже, может вызвать надрыв лопатки у корня с последующим развитием усталостных трещин.
Динамические осевые нагрузки при помпажах являются основной причиной разрушения и повреждения упорных подшипников.
В момент помпажа продольные колебания ГТД могут достигать амплитуд 10 - 20 мм, что вызывает нарушения центровок «ротор-корпус ГТД» (с последующим задеванием рабочих лопаток о корпус) и «ГГД-редуктор».
Из всех деталей ГТД рабочие лопатки турбины работают в наиболее тяжелых условиях. Испытывая значительные механические нагрузки от действий рабочего тела (газа) и центробежных сил , а также вибрации, они одновременно подвержены воздействию высоких температур агрессивных коррозионных сред. Кроме того рабочие лопатки подвергаются действию циклических термических напряжений. Опыт эксплуатации показывает, что последние являются основной причиной разрушения лопаток газовых турбин. Окислительная среда дополнительно увеличивает скорость образования и развития трещин. В судовых ГТД имеет место высокотемпературная ванадиево-натриевая коррозия лопаточного аппарата и других узлов турбин.
Методы защиты узлов ГТД от действия ванадия и натрия включают: частичное удаление соединений натрия из топлива и воздуха, нейтрализацию коррозионного воздействия ванадия и натрия путём ввода присадок в топливо, защитные покрытия деталей проточной части ГТД и применение соответствующих материалов.
В эксплуатации отмечаются случаи оплавления и значительного перегрева рабочих и сопловых лопаток. Это происходит в результате нарушений в работе топливорегулирующей аппаратуры, отказов тепловой защиты, возникновения помпажа ГТД. Наиболее опасным является помпаж при пусках и на режимах работы, соответствующим средней мощности. В этих случаях помпаж происходит без сильных звуковых эффектов, а при невнимательном наблюдении за температурами газов или отказе тепловой защиты он может пройти незамеченным, и привезти к обгоранию лопаток. Опыт эксплуатации показывает, что при помпаже, вследствие интенсивного роста температуры газов в течение 20 - 30 с обгорают все лопатки. Обычно рабочие лопатки обгорают на половину их длины в верхней части. Как правило, в наибольшей степени страдает лопатки первой ступени турбины высокого давления. Однако при достаточно интенсивном росте температуры могут обгореть и лопатки второй ступени.
Иногда наблюдаются повреждения лопаточного аппарата компрессоров и турбин, связанные с попаданием в их проточные части твердых посторонних частиц и предметов: песка; кусочков защитной металлической сетки или обломков воздухоприёмных жалюзей; деталей крепления внутренней арматуры воздухозаборных шахт; крепежа узлов камер сгорания и др. Например, происходили разрушения лопаточного аппарата компрессора, вызванные засасыванием оторвавшихся стержней заклепок двери, обеспечивающей доступ в шахту воздухозабора, другой причиной повреждения компрессора явился карманный фонарик, забытый механиком при осмотре воздухозаборной шахты. Из приведенных примеров видно, что засасывание посторонних предметов представляет особую опасность для ГТД. Всасывание небольших по размеру частиц и предметов может не приводить к катастрофическому разрушению проточных частей ГТД, однако вызывают образование на лопатках забоин и вмятин, способствующих ускорению процессов, вызывающих разрушения лопаточных аппаратов.
Обрыв лопаток на работающем ГТД приводит к снижению частот вращения турбокомпрессорных блоков и турбин и повышению температуры газов перед турбиной выше допустимой для данного режима, появлению повышенной вибрации, резкому изменению шума работы. В момент обрыва лопатки турбины или компрессора ясно различим сильный удар. Частичное разрушение лопаток может вызвать помпаж и появление характерных для него признаков. При попадании разрушившейся лопатки в зазор между торцами лопаток и корпусом происходит заклинивание или торможение ротора. В результате снижения частоты вращения увеличивается подача топлива в камеру сгорания, что приводит к срыву пламени и выключению ГТД.
При обрыве рабочей лопатки турбины снижения частоты вращения в начальный момент может не происходить. Дальнейшая работа ГТД зависит от последствий, которые вызывает обрыв лопатки. Обычно оборвавшаяся часть разрушенной лопатки, попадая в зазор между корпусом турбины и торцами следующих по потоку лопаток, вызывает изгиб этих лопаток и выпучивание корпуса турбины или разрушение металлокерамических вставок. Кусок лопатки, имея осевую составляющую скорости движения в направлении выходного устройства, производит аналогичные деформации лопаток последующих ступеней. Если двигатель продолжает работать, то из-за снижения частоты вращения происходит увеличение подачи топлива и рост температурь, газов перед турбиной. При значительном падении частоты вращения и соответствующем увеличение подачи топлива происходит срыв пламени и остановка ГТД. Если оторвавшаяся лопатка вызывает заклинивание ротора, то это также приводит к отключению ГТД. Оторвавшаяся лопатка может пробить корпус и вызвать разрушение элементов силовой установки.
Камеры сгорания. К элементам камер, прочность которых меняется в эксплуатации, относятся наружный корпус и жаровые трубы.
Прочность наружного корпуса в эксплуатации снижается вследствие неравномерного нагрева, в связи с нарушениями работы жаровых труб и от числа теплосмен. Трещины в наружном корпусе возникают в местах концентрации напряжений, как правило, в районах сварки.
Основными эксплуатационными причинами трещин и прогаров жаровых труб являются:
- изменение температурного режима работы жаровых труб, приводящие к местным перегревам, вследствие влияния отложений и нагаров, образующихся на поверхности жаровых труб, влияющих на аэродинамику охлаждения, а также искажения факела при закоксова-нии форсунок;
- большое число теплосмен и значительные градиенты температуры, определяемые числом и режимом пуска;
- повышенный износ поверхностей контакта элементов жаровых труб с фиксаторами, пламенеперебрасывающими патрубками и сопловым аппаратом ТВД вследствие вибрации жаровых труб из-за пульсации давления в камере сгорания.
Топливорегулирующая аппаратура. Большинство неисправностей и отказов топливорегулирующей аппаратуры ГТД связано с загрязнением и обводнением топлива. Неисправности топливорегулирующей аппаратуры ГТД могут быть разделены на три группы.
1. Засорение фильтров, узких каналов регуляторов и форсунок, заедание золотников регуляторов из-за механических примесей в топливе продуктов коррозии и образования в топливе осадков термического происхождения.
2. Вымывание материала стенок каналов, жиклеров, затупление отсечных кромок золотников регуляторов, вследствие эрозионного и коррозионного воздействия топлива из-за наличия в нем механических примесей, осадков высокотемпературного происхождения, продуктов коррозии, воды.
3. Повышенный износ деталей узла насоса-регулятора из-за недостаточных противоизносных свойств топлива, а также наличия в нём различных загрязнений.

Отказы и повреждения газовых турбин, вызванные эксплуатационными причинами.

Во время пуска и остановок ГТД лопатки турбин испытывают переменные термические напряжения, связанные с резким ростом градиентов температур по сечению лопатки из-за разной скорости прогрева и охлаждения кромок и центральной части пера лопатки. Опасны быстрые пуски, сопровождающиеся тепловым ударом, которым характерно резкое повышение температуры газа перед турбиной (особенно при открытом антипомпажном клапане, когда основная часть воздуха из компрессора перепускается в атмосферу).
Возникающие при этом термические напряжения вызывают появление термоусталостных трещин в кромках, чаще всего входных, и коробление лопаток. В этом случае возникает большое количество мелких трещин и очагов окалины в противоположность механической усталости, которой характерно появление появление одной трещины. Образование термических трещин снижает термические напряжения, поэтому они не развиваются до полного разрушения лопаток без приложения дополнительных сил, хотя и снижают длительную прочность материала. Рост трещин до полного разрушения и скорость их распространения непосредственно зависят от уровня механической напряжённости и от чувствительности материала к надрезам.
При остановках ГТД с полной нагрузки (экстренных и аварийных), в связи с резким падением температуры газа и поступлением в проточную часть турбин холодного воздуха, происходит резкое неравномерное охлаждение сопловых и рабочих лопаток, дисков и сопровождается «отрицательным» тепловым ударом для элементов и узлов турбин. Одна быстрая остановка ГТД эквивалента по своему воздействию на ГТД десяти нормальных.
Так как пусковые и переходные режимы сказываются на общем сроке службы двигателя, то для них выведены следующие временные эквиваленты режимам нормальной работы при номинальной нагрузке:
- один пуск, 10 часов;
- один быстрый подъём нагрузки до полной (с холостого хода после прогрева за 5 - 7 мин), 10 часов;
- одна экстренная остановка, 75- 100 часов.

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.

Анализ причин повреждений паровых водотрубных котлов

Основными дефектами котлов являются коррозионные и термоусталостные разрушения металлических конструкций, потеря плотности вальцовочных соединений, разрывы и трещины труб и коллекторов в результате перегревов, неисправностей форсуночных и воз-духонаправляющих устройств, арматуры, контрольно-измерительных приборов и кирпичных кладок топок. Трубки водотрубных котлов чаще подвержены отказам, чем другие элементы, так как находятся в более тяжёлых условиях. К основным видам повреждений трубок следует отнести: утонение стенок, свищи, выпучины, трещины, разрывы, деформации (прогибы). Утонение трубок происходит из-за протекания процессов коррозии и эрозии.
Наиболее часто наблюдаются высокотемпературные - вана-диево-натриевые и низкотемпературные - сернистые и коррозионные разрушения наружных поверхностей нагрева.
Газовая коррозия представляет собой химическое взаимодействие металла трубок и других металлических конструкций котла с газообразными или твёрдыми агрессивными компонентами, находящимися в дымовых газах. В процессе газовой коррозии на поверхности металла образуется плёнка окислов железа (a-Fe203), защищая металл от дальнейшего разрушения.
Наличие в топливе ванадия способствует протеканию ванадиевой коррозии. Плавясь при температурах в диапазоне 600 - 700°С двуокись ванадия (V205), содержащаяся в золе продуктов сгорания, растворяет защитную плёнку окислов железа, способствуя диффузии кислорода и поверхности металла, интенсифицируя коррозионный процесс.
Присутствие в продуктах сгорания сульфата натрия (Na2S04) с температурой плавления 885°С способствует протеканию сульфидно-окисной коррозии из-за диффузии через окисную плёнку серы. Внедрение серы в кристаллическую решётку усиливает процесс окисления, и скорость коррозии увеличивается в несколько раз.
Для предотвращения коррозионного воздействия натрия и ванадия применяют специальные присадки в топливо, основу которых составляет МдО (нейтрализация ванадия), Si02 и Gr203 (нейтрализация натрия).
Следует отметить, что защитная окисная плёнка может быть разрушена вследствие механических и термических напряжений в плёнке, связанных с изменениями температурного состояния котла, например, при переходных режимах работы или выводе котла из действия.
Иные условия развития низкотемпературной сернистой коррозии. Органические соединения серы в процессе сжигания топлива (в топках котлов, газовых турбинах, ДВС), частично превращаются в агрессивную серную кислоту в её парообразной фазе, которые вызывают интенсивный коррозионный износ поверхностей нагрева, имеющих сравнительно низкую температуру. Температура, при которой происходит конденсация паров серной кислоты на поверхности нагрева, называется точкой росы, зависящая в свою очередь, от процентного содержания серы в топливе. В таблице показана зависимость температуры точки росы от содержания серы в топливе.

Влияние содержания серы S, % на температуру точки росы t°C

При снижении температуры газов ниже точки росы, толщина слоя отложения на поверхности трубок увеличивается. Отложения имеют плотную структуру, белого или светло-серого цвета, их величины неравномерны - от нескольких десятых миллиметра (0,2/0,4мм), до 1,5/2,Омм и, как правило, покрыты сверху слоем сажи и золы, толщиной 2/4мм. Слой отложений светлого цвета, имеющий блестящую (похожую на лужёную) поверхность, является характерным признаком низкотемпературной сернистой коррозии, протекающей под слоем загрязнений без доступа кислорода.
Возможность конденсации паров серной кислоты при температуре, равной температуре точки росы, является основной причиной, ограничивающей глубину утилизации тепла уходящих газов.
Радикальным средством борьбы с низкотемпературной сернистой коррозией хвостовых поверхностей котлов является повышение температуры поверхности нагрева.
Учитывая возможность возникновения застойных зон и неравномерности теплового потока в поперечных сечениях котла, температура газа на выходе из него должна поддерживаться в эксплуатации 10-15°С выше температуры точки росы.
Низкотемпературную коррозию могут вызвать вода или пар, попадающие на наружные поверхности нагрева вследствие нарушения герметичности (разрывы, трещины, свищи, неплотности вальцовочных соединений) трубных систем и коллекторов.
Занос поверхностей нагрева продуктами сгорания ухудшает условия теплообмена, снижая технико-экономические показатели работы котельных агрегатов.
Однако большую опасность представляют неравномерные величины загрязнений поверхностей нагрева, которые определяются неодинаковыми скоростями потока газов по фронтальному сечению. Причём, иногда, наблюдаются полные заносы межтрубных пространств на отдельных участках. Вследствие неравномерности отложений, создаются потоки газов с большой скоростью (от 10 до 16м/с), что является источником интенсивного конвективного теплообмена, воспринимаемого ограничивающими поток трубками.
В местах максимального тепловосприятия повышение температуры трубок может достичь 10%. Длительные воздействия повышенных температур увеличивают тепловые напряжения, ухудшают структуру материала, снижают их прочностные характеристики, а в сочетании с другими видами разрушающих воздействий (низко и высокотемпературные коррозионные разрушения) являются одной из основных причин образования свищей, трещин и разрывов трубок.
Поверхности нагрева подвержены коррозионному разрушению не только с внешней, но и с внутренней стороны. При высокой температуре котловой воды повышается её коррозионная активность, природа коррозии - электрохимическая. Вызывается растворённым в воде воздухом, который в виде пузырьков осаждается на внутренних поверхностях коллекторов и трубок. Так как концентрация кислорода внутри пузырька выше, чем в воде, то поверхность металла внутри пузырька около стенки оказывается катодом, а около стенки вне пузырька - анодом. В результате металл разрушается по периметру пузырька с внешней стороны. Скорость коррозии возрастает при увеличении кислорода, растворённого в воде, и зависит от внутренних факторов - увеличения концентрации солей в котловой воде и наличия в металле отдельных включений, являющимися сильными катодами. Опасно, когда сварной шов является анодом.
Утонение трубок может происходить при механической очистке их от накипи.
Деформации, выпучины, трещины и разрывы трубок являются следствием не только тепловых и разрушающих воздействий с внешней стороны, но и перегрева металла в связи с отложениями накипи или нефтепродуктов внутри трубок.
Низкая теплопроводность накипи и нефтепродуктов приводит к росту термического сопротивления теплопередаче, что вызывает рост температуры металла трубок. Перегрев возможен при установке неправильного угла наклона трубок, препятствующем свободному выходу пузырьков воздуха.
Иногда причиной повреждений трубок может явиться небрежное обслуживание. Отмечались случаи перегрева и разрыва трубок из-за попадания в питательную систему, а затем в трубки, волокон сальниковой набивки. Осевшая в трубках набивка может привести к местному перегреву металла трубок.
Прогиб трубок, являющийся следствием перегрева, зависит от длины трубок, угла наклона и площади её поперечного сечения.
Упуск воды в водотрубных котлах вызывает тяжёлые последствия - сгорание трубок и других металлических частей котла, примыкающих к топке, повреждение кирпичной кладки и арматуры, деформацию съёмных щитов, кожухов, дымохода, корпуса.
Неправильное вальцевание, неудовлетворительный отжиг концов трубок могут явиться причиной появления, идущих вдоль трубки, трещин и течей в месте входа трубки в барабан или коллектор.
Основными повреждениями барабанов, коллекторов и секций водотрубных котлов являются течи швов, трещины между трубными отверстиями, коррозионные разрушения, деформации. Течи швов барабана может быть следствием температурных напряжений, давлений выше рабочего, низкого качества сварки или клёпки, коррозии швов. Эти же причины, а также тяжёлые условия работы при неравномерном нагреве и высоких температурах, если имеются отложения накипи и межкристаллитная коррозия, приводят к образованию трещин. Коррозия барабанов и коллекторов может носить не только равномерный, но и локальный характер, т.е. в отдельных местах могут образовываться отдельные глубокие язвы и сквозные свищи.
При равномерной коррозии происходит утонение стенки барабана почти на одну и ту же величину по всей поверхности. Это опасно сточки зрения обеспечения прочности.
Эрозионные разрушения, вызываемые механическим воздействием быстродвижущихся капель влаги и других частиц, наблюдаются в коллекторах пароперегревателя. Коррозионному разрушению подвергаются стенки коллекторов и входящие в них трубки, причём концы развальцованных трубок разрушаются в основном в месте входа насыщенного пара.
Неисправности форсуночных и воздухонаправляющих устройств связаны обычно с их механическими повреждениями и износом; повышением производительности форсунок в результате увеличения проходного сечения, вызванного изнашиванием стенок соплового отверстия, расширением тангениальных канавок распылителей механических форсунок, ухудшающих качество распыливания топлива; деформацией деталей воздухонаправляющих устройств, ухудшающих качество перемешивания топлива с воздухом.
Наиболее часто встречающимися неисправностями арматуры котлов являются пропуски рабочих сред при закрытом состоянии клапанов, разрушение или потеря прозрачности стёкол (слюдяных пакетов), водоуказательных приборов, заклинивание стопорных устройств, несрабатывание главных предохранительных клапанов при повышении давления пара в паровом коллекторе.

Отказы и повреждения паровых турбин, вызванные эксплуатационными причинами.

Опыт эксплуатации зарубежных и отечественных турбоходов показал, что главные турбозубчатые агрегаты (ГТЗА), особенно их турбины являются надёжными агрегатами. Однако, встречающиеся аварии турбин относятся к числу наиболее тяжёлых, так как они ведут к потере хода или скорости судна.
Переменные режимы нарушают тепловое равновесие деталей, что приводит к появлению температурных напряжений и деформаций корпусов и роторов турбин, что создаёт условия возникновения отказов.
Пусковые и остановочные, а также реверсивные режимы работы судовой паровой турбины в значительной степени определяет её надёжность, требуют наиболее трудоёмких и ответственных операций по управлению и обслуживанию.
В соответствии с существующими инструкциями по обслуживанию ГТЗА минимальная продолжительность нормального пуска из холодного состояния требуется 4часа. Длительные пуски отрицательно сказываются на эффективности эксплуатации. Однако и увеличение продолжительности пускового периода не всегда приводит к повышению надёжности.
Пусковые температурные процессы могут приводить к аварийным состояниям турбины по следующим трём основным причинам:
1) несогласованность тепловых деформаций ротора и корпуса;
2) недопустимая деформация отдельных деталей ротора и корпуса;
3) чрезмерные термические напряжения в деталях турбины.
Общей характеристикой указанных причин является температурная неоднородность. Однако состояние деталей, вследствие этих причин, характеризуется неодинаковой физической природой, различными внешними проявлениями и последствиями.
При пуске судовой паровой турбины скорости и величины прогрева её ротора и корпуса различны. Как правило, ротор прогревается сильнее и поэтому работает в «расширенном» состоянии по отношению к корпусу. Разность между температурными удлинениями ротора и корпуса увеличивается при плохой изоляции корпуса и наличии на нём массивных фланцев, а также при ухудшении вакуума в конденсаторе. Особую опасность представляет относительное укорачивание ротора при пуске, которое может являться следствием дросселирования пара в регулирующих органах турбины при малых нагрузках, а также остывания пара в более холодных паровпускных органах, например, в стопорных клапанах.
Осевые зазоры в проточной части проектируются такими, чтобы изменение разности тепловых расширений элементов ротора и корпуса на пусковых режимах соответствовало заданной скорости ввода турбины в действие.
Если изменение параметров при пусках не соответствует оптимальным, то происходит задевание вращающихся частей турбины о неподвижные, с вытекающими отсюда тяжёлыми аварийными последствиями. В практике эксплуатации подобные аварийные ситуации создаются при отклонениях от рекомендованной программы пуска установки. Например, при значительном затягивании пускового периода, когда к ожидаемому моменту времени не подаётся команда о принятии нагрузки и вахтенные механики вынуждены продолжать прогрев турбины, полагаясь только на интуицию.
Описанному явлению изменения осевых зазоров соответствуют, и нередко играют преобладающую роль в короблении корпуса, изменения радиальных зазоров. Простейшая причина этих изменений -разность диаметральных тепловых деформаций ротора и корпуса. Изменения радиальных зазоров могут происходить вследствие теплового коробления корпуса. Последнее возникает из-за температурной неоднородности во фланцах горизонтального разъёма, а также несимметричности прогрева корпуса при, часто применяемом, подводе пара только в верхнюю или нижнюю его половины.
Существующими инструкциями по обслуживанию ГТЗА налагаются определённые ограничения на процессы пуска, остановки и реверса. Эти ограничения влияют как на реверсивные качества судна, так и на температурно-прочностные состояния турбины заднего хода (ТЗХ), а в ряде случаев и турбины переднего хода.
Длительность полного заднего хода ГТЗА допускается не более 15 мин. Ограничения продолжительности работы полным задним ходом вводятся для предотвращения перегрева ступеней переднего хода вследствие большой величины вентиляционных потерь.
Конструкции ГТЗА предусматривают подачу в ТЗХ охлаждённого пара температурой не выше 400°С на режиме полного заднего хода.