Choosing the optimal method of protection against cavitation destruction of structures of the flow path of hydropower plants

Full Text

Как известно из практики эксплуатации гидравлических турбин, проточная часть гидротурбин подвергается кавитационным разрушениям. Износ деталей проточной части приводит к значительному снижению КПД турбины, резкому увеличению объема и стоимости ремонтных работ. Условия эксплуатации рабочих колес гидротурбин зависят от режима работы, конструкции турбин, устройства проточной части и наличия в воде абразивных частиц. В процессе эксплуатации необходимо периодически производить капитальный ремонт деталей проточной части гидротурбины. Обычно на действующих ГЭС ремонт производится без демонтажа существующего оборудования. Ранее использованная облицовка листовой нержавеющей сталью деталей проточной части гидротурбин не дает существенного положительного результата, поэтому на ряде ГЭС стали применять электродуговую наплавку лопастей рабочего колеса штучными электродами. Большой объем ремонтных работ, малая производительность и низкое качество ручной наплавки увеличивают продолжительность ремонта, а агрегаты, как правило, простаивают длительное время. Поэтому вполне актуальным и перспективным является разработка новой технологии и нового способа, обеспечивающего увеличение производительности наплавки и повышение ее качества, а также разработка соответствующего наплавочного материала [1].

На сегодняшний день разработано несколько способов, один из них – это высокопроизводительный способ механизированной наплавки электронной лентой под флюсом. Сущность данного способа заключается в том, что в качестве электрода вместо проволоки применяется широкая лента малой толщины. При этом наплавка лопастей рабочего колеса производится на специальной установке, обеспечивающей поворот лопасти в положение, при котором наплавляемый участок лопасти располагается горизонтально. Однако этот способ невозможно применить при ремонте деталей проточной части гидротурбин, так как наплавку необходимо производить во всех пространственных положениях.

На ряде ГЭС проводилось опробование полуавтоматической наплавки в среде углекислого газа для ремонта камеры рабочего колеса гидротурбины. При этом применялась проволока IXI8HI0T диаметром 1,2 мм, а также Св-02×19H9 диаметром 1,6 мм и Св-04×19H9 диаметром 2,0 мм. Однако и этот способ не нашел широкого применения из-за неудобства производить наплавку в условиях камеры рабочего колеса гидротурбины и из-за сравнительно малой производительности. Позже была опробована наплавка полуавтоматом А-765 порошковой проволокой ПП-1Х14Т-0 диаметром 2,8 мм. Однако опыт показал, что в этом случае получить в первом слое наплавленного металла больше 10 % хрома невозможно. Поэтому при данном способе не обеспечивается требуемая коррозионная и кавитационная стойкость наплавленного метала [2, 3].

Наилучшим образом показал себя способ наплавки порошковой проволоки на кавитационные участки с учетом коррозии, апробированный, к примеру, на Жигулевской ГЭС. При разработке состава наплавленного металла для этого способа был учтен многолетний опыт эксплуатации лопастей турбины, изготовленных из различных сталей. Хорошие результаты при работе в этих условиях показали высокохромистые стали. Так, лопасти гидротурбин, отлитые из стали типа 2Х13(20Х14НЛ), после 6‒8 лет работы на Жигулевской ГЭС были в хорошем состоянии, кавитационных и коррозионных разрушений практически не было обнаружено. Опыт эксплуатации также подтвердил, что кавитационное разрушение деталей гидротурбин практически отсутствует, если материал содержит не менее 12 % хрома [4, 5].

Более подробно остановимся на рассмотрении данного способа. Для упрощения задачи по выбору состава наплавленного металла вначале были изготовлены опытные порошковые проволоки для наплавки под флюсом. Было изготовлено 6 составов проволок: 10Х14; 20Х14; 30Х14; 10Х14Н1; 20Х14Н2; 30Х14Н3 с диаметром 2,8 мм. На лабораторной установке производили наплавки на пластины размером 350×350×14 из стали. Из наплавленных пластин одномеханическим способом вырезали заготовки, из которых затем изготавливали образцы для использования на кавитацию, металлографические исследования и спектральный анализ. В табл. 1 приведены результаты спектрального анализа наплавленного металла.

 

Таблица 1. Результаты спектрального анализа наплавленного металла

Table 1. Results of spectral analysis of deposited metal

Маркировка проволоки	Наплавленный металл, 3-й слой, %
	C	Cr	Ni
10Х14	0,12	16,0	-
20Х14	0,30	13,5	-
30Х14	0,32	13,0	-
10Х14 H1	0,15	16,0	1,5
20Х14 H2	0,17	15,0	2,5
30Х14 H3	0,36	16,0	3,2

 

Из табл. 1 видно, что состав наплавленного металла в третьем слое близок к заданному значению. Далее были изготовлены шлифы и определена твердость наплавленного и основного металла. Результаты замеров твердости представлены в табл. 2.

 

Таблица 2. Результаты замеров твердости наплавленного и основного металла

Table 2. Results of hardness measurements of deposited and base metal

Состав наплавленного металла, 3-й слой, %
0,12 C	0,30 C	0,32 C	0,15 C	0,17 C	0,36 C
16,0 Cr	13,5 Cr	13,0 Cr	15,0 Cr	15,0 Cr	16,0 Cr
			1,5 Ni	2,5 Ni	3,2 Ni
Твердость HB
85,5	101,5	113,2	76,5	104,0	100,0
91,5	105,5	115,0	97,6	106,6	102,5
92,3	108,0	114,0	99,3	106,6	103,7
97,7	115,0	114,4	100,0	104,0	100,0
108,0	111,5	115,5	100,0	103,3	111,0
95,0	90,5	114,5	76,0	105,7	106,0
91,7	72,0	78,5	77,5	74,3	84,0
77,5	78,5	78,5	83,2	70,6	76,2
84,5	83,5	73,0	-	70,0	73,0

 

Из табл. 2 видно, что с увеличением содержания углерода в наплавленном металле твердость значительно повышается. Так, при содержании 0,12 % C, средняя твердость составляет HRB90, а при 0,32 % C – HRB104. Тенденция роста твердости больше у металла, легированного хромом, чем совместно легированного хромом и никелем. Лабораторные испытания показали, что чем выше твердость металла, тем более высокая его кавитационная скорость. Если основываться на этих исследованиях, то следует вводить в наплавленный металл максимально возможное содержание углерода. Однако известно, что с увеличением содержания в металле углерода коррозионные свойства его резко снижаются. Поэтому содержание углерода должно быть ограничено. Для улучшения пластических свойств в наплавленный металл вводят 1,5‒2,2 % Ni.

В результате исследования был выбран оптимальный состав металла для порошковой проволоки: 13–16 % Cr; 1,5–2,2 % Ni; 0,1–0,3 % Ti; 0,10‒0,12 % C. При разработке на Жигулевской ГЭС данного состава порошковой проволоки учитывался многолетний опыт разработки и изготовления порошковой проволоки других составов. Задача состояла в том, чтобы разработать состав порошковой проволоки, которая обеспечила бы получение заданного состава металла в первом слое. Кроме того, должна обеспечиваться наплавка во всех пространственных положениях, так как детали проточного тракта гидротурбин наплавляются без монтажа. Таким образом, было установлено, что в порошковую проволоку надо вводить хрома не менее 17 %, а никеля ‒ порядка 2 %. Шлако- и газообразующая часть сердечника проволоки состояла из рутила, мрамора и пластикового шпата. Наплавка опытных образцов показала, что при суммарном содержании их в проволоке менее 10 % в наплавленном металле образуются поры. В качестве раскислителей применялся титан и алюминий. В сердечник проволоки вводился ферротитан из расчета содержания титана в проволоке не более 0,5 %, тогда как при большом содержании титана ухудшалось формирование наплавленного металла и отделимость шлаковой корки [6‒9].

Данные металлографических исследований наплавленного металла с разным содержанием никеля приведены в табл. 3.

 

Таблица 3. Данные металлографических исследований наплавленного металла

Table 3. Metallographic data of deposited metal

Маркировка образцов	Состав наплавленного металла, %	Микротвердость Uµ	Твердость HB
X15	16 Cr	124,149 – 248,234	187,197
X15H	15 Cr; 1,5 Ni	162,149 – 344,366,288	207,197
X15H2T	13 Cr; 2,1 Ni; 0,28 Ti	212,222,222.212	285,277
AH3+X15H2T	15 Cr; 2,4 Ni; 0,38 Ti	184,162,170	‒
X15H6T	14,9 Cr; 7,0 Ni; 0,1 Ti	272,248,272	363,352
X13H10	11,5 Cr; 9,0 Ni	184 – 194	143,143
X15H12	13,4 Cr; 11,3 Ni	155 – 184	137,143
X15H15	15,2 Cr; 16,0 Ni	149 – 155	126,121

 

Из табл. 3 видно, что наиболее высокую твердость HB 352–363 имеют образцы X15H6T, на втором месте по твердости образцы X15H2T – HB 277–285. Наиболее низкую твердость HB 121–142 показали образцы с однофазной структурой.

В итоге это позволило установить оптимальный состав порошковой проволоки, обеспечивающий наплавку на вертикальной плоскости заданного состава металла в первом наплавленном слое. После обработки состава порошковой проволоки в наплавленном металле не наблюдалось пор и других дефектов.

Особое внимание следует уделить технике полуавтоматической наплавки порошковой проволоки во всех пространственных положениях, которая осуществлялась шланговым полуавтоматом. Это позволит устранить стекание жидкого металла и другие трудности наплавки на вертикальную поверхность при ремонте камер рабочего колеса гидротурбины. Хорошие результаты были получены при наплавке проволоки диаметром 2,0 мм. Для увеличения производительности необходимо было отработать технику наплавки проволокой большего диаметра, в результате наиболее оптимальным был выбран диаметр 2,8 мм. Известно, что наплавка в потолочном положении сопряжена с большими трудностями, чем наплавка на вертикальную поверхность. В этом случае требуется осуществлять перенос расплавленного металла проволоки снизу вверх, тем самым получать надежное сплавление с основным металлом.

Выводы. 1. Представленный состав кавитационно-коррозионного металла для порошковой проволоки для наплавки на сооружениях прочной части гидротурбины является оптимальным по составу.

2. Технология и техника механизированной наплавки порошковой проволоки на вертикальной плоскости обеспечивает хорошую производительность и улучшение качества восстановительной наплавки.
3. Данный способ является оптимальным в практике эксплуатации гидравлических турбин, поскольку минимизированы риски возникновения кавитационных разрушений в проточной части турбины.

About the authors

Sergey V. Evdokimov

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: sali5@mail.ru

PhD of Engineering Sciences, Associate Professor, Head of the Nature Protection and Hydrotechnical Construction Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Alla Al. Orlova

Samara State Technical University

Email: allaorlova5@mail.ru

Senior Lecturer of the Nature Protection and Hydrotechnical Construction Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

References

Supplementary files