2-2012
TRIBOLOGIA
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, 40-019 Katowice.
32
TRIBOLOGIA
2-2012
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 X20Cr13 (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 X20Cr13 ostatniego stopnia turbiny typu TC 1201 – widoczny ubytek
materiału w obszarze krawędzi natarcia
Fig. 1. X20Cr13 steel blade of the last stage of TC 1201 turbine - a visible material defect at the
edge
2-2012
TRIBOLOGIA
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. 7–10] 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. 10].
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
TRIBOLOGIA
2-2012
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 100% 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. 7–10] 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
powłoki
P1 (Stellit 6)
P2
P3
P4
Skład materiału powłokowego
Pierwiastki bazowe
Pozostałe pierwiastki
Co-Cr
Ni, Fe, Si, W, C
Ni-Cr-WC
Si, Fe, B, W, C
Ni-Cr
B, Fe, Si, C
Co-Ni-Cr
Mo, B, Si, Fe, C
Na pierwszym etapie badania prowadzono na próbkach płaskich ze stali
X20Cr13. W ich efekcie określono parametry napawania, przy których powłoki
były ciągłe, bez wad i pęknięć. W jednym przejściu głowicy uzyskiwano warstwę o grubości 0,6 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 = 10 min, prędkość erodentu
Al2O3 40 m/s – Rys. 5). Największą twardością odznaczała się powłoka P2 (Ni-
2-2012
TRIBOLOGIA
35
-Cr-WC) – jej twardość zwierała się w przedziale 600–800 HV0,3. Twardość
powłok P1 i P4 wynosiła 500–600 HV0,3, zaś najmniejszą miała warstwa P3
(400–500 HV0,3). 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 X20Cr13 po napawaniu laserowym materiałem P1 (SEM) – wzdłuż czerwonej linii zmierzono rozkład twardości
Fig. 3. The microstructure of surface layer of X20Cr13 steel after laser cladding with P1 material
(SEM) –along the red line measure the hardness distribution
Wykres twardoś ć i HV0,3 powłoki P 2
Twardoś ć HV0,3
Twardoś ć HV0,3
W ykres twardoś ć i HV 0,3 powłoki P 1
600
500
400
300
200
100
0
1000
500
0
-500
-1000
-1500
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
1500
µm]
Odleg łoś ć od g ranic y powłoka-rdz eń [µ
Wykres twardoś ć i HV0,3 powłoki P 3
500
0
-500
-1000
-1500
Wykres twardoś ć i HV0,3 powłoki P 4
600
Twardoś ć HV0,3
600
Twardoś ć HV0,3
1000
µm]
Odleg łoś ć od g ranic y powłoka-rdz eń [µ
500
400
300
200
100
0
1000
500
0
-500
µm]
O dleg łoś ć od g ranic y powłoka-rdz eń [µ
-1000
500
400
300
200
100
0
1000
500
0
-500
-1000
µm]
O dleg łoś ć od g ranic y powłoka-rdz eń [µ
Rys. 4. Rozkład twardości w warstwie wierzchniej poszczególnych powłok
Fig. 4. Hardness distribution in the surface layer of the selected coatings
-1500
36
TRIBOLOGIA
2-2012
Rys. 5. Wykres ubytku masy w próbie odporności erozyjnej napawanych laserowo powłok
(czas t = 10 min, erodent Al2O3 o średnicy ziarna 50 µm, prędkość padania erodentu
40 m/min)
Fig. 5. The diagram of mass decrement in the erosion resistance test of the lased cladded coatings
(time t = 10 min, erodent Al2O3 and grain size of 50 µm, velocity of the erodent falling
40 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 500 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 1201. Turbina została włączona do ruchu
z docelową szybkością pracy wynoszącą 7200 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
2-2012
TRIBOLOGIA
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.
coating
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)
b)
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
PODSUMOWANIE
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 napawa-
38
TRIBOLOGIA
2-2012
nej warstwy z metalicznym podłożem przy ograniczeniu rozmiarów strefy
wpływu ciepła poniżej 500 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.
2.
3.
Orłowski P.: Diagnostyka turbin, Wyd. PWN, Warszawa 2002.
Dobosiewicz J.: Korozja łopatek turbin parowych, Biul. Pronovum, Nr 1, 1998.
Hernas A., Dobrzański J.: Trwałość i niszczenie elementów kotłów i turbin parowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003.
4. Dobosiewicz J.: Niektóre przyczyny uszkodzeń łopatek roboczych turbin parowych,
Energetyka, Nr 1, 2003.
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, 2009.
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. 2005.
8. Mann B.S., Arya V.: HVOF coating and surface treatment for enhancing droplet
erosion resistance of steam turbine blades, Wear 254, 2003, 652.
9. Singh Sidhu H.S, Singh Sidhu B., Prakash S.: Solid particle erosion of HVOF sprayed NiCr
and Stellite6 coatings, Surface & Coatings Technology 202, 2007, 232.
10. 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 2000.
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
2-2012
TRIBOLOGIA
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.
40
TRIBOLOGIA
2-2012