РЕМОНТ ОБОРУДОВАНИЯ СВАРКОЙ

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ГИДРОТУРБИН, РАЗРУШЕНННЫХ КАВИТАЦИЕЙ

Явления кавитации имеют место в рабочих колесах и каме­рах гидравлических турбин на участках, в которых скорости движения струи жидкости достигают критических. Такие скоро­сти чаще всего наблюдаются там, где кромка рабочего колеса близко подходит к камере. Кавитация наблюдается как у тихо­ходных турбин низкого давления, так и в рабочих колесах и камерах турбин высокого давления, работающих с большими скоростями.

Кавитационные разрушения характеризуются уносом частиц металла быстродвижущейся струей воды, имеющей большую кинетическую энергию и оказывающей большое ударное дейст­вие на металл.

В результате длительного воздействия струи воды металл на участках, подверженных кавитации, приобретает губчатое строе­ние. Такое поражение металла может распространяться на достаточно большую глубину (15—20 мм). Такой металл теряет прочность, и его пластичность резко уменьшается. Появляется реальная опасность разрушения участка детали, подверженного действию кавитации.

Восстановление участков турбин и рабочих колес, повреж­денных кавитацией, обычно выполняется по следующей техно­логической схеме: если глубина слоя не превышает половину
толщины стенки, то можно рекомендовать полное удаление слоя металла, пораженного кавитацией. При большей глубине н боль­ших площадях повреждения целесообразно удалить весь участок, изготовив на это место новую вставку. Удаление металла можно выполнять или механически (рубкой пневматическим зубилом, сверлением, шлифовкой камнем), или газовым резаком для поверхностной резки н воздушно-дуговой строжкой. Схема воз­душно-дуговой строжки дана на рис. 57.

Рис. 58. Схема облицовки камеры гид­ротурбины приваренными пластинами с прорезями:

/ — приваренные пластины из нержавеющей стали толщиной 5—6 мм, 2 — прорези в пла­стинах для приварки к телу корпуса, 3 — швы. соединяющие пластины между собой и крепящие их к телу корпуса, 4 — пластина, подготовленная для приварки

По окончании огневой или воздушной резки осуществляют поверхностную механическую зачистку металла в данном месте.

Восстановление поврежденных участков производится ручной дуговой наплавкой электродами, которые дают наплавленный металл, стойкий к кавитационным разрушениям.

Можно применять следующие электроды:

1. Аустенитные хромоннкелевые электроды, дающне в на­плавке хромоннкелевую сталь типа 19-10. Для многослойной наплавки пригодны все электроды этого типа для сварки нержа­веющих сталей. Для однослойной наплавки необходимо выби­рать электроды с повышенным содержанием хрома и никеля, чтобы компенсировать разбавление металла шва основным металлом. Используя эти электроды для устранения поврежде­ний больших площадей, весьма целесообразно применять наплавку в сочетании с вваркой накладок, изготовленных из аустенитных сталей. Такие накладки особенно удобны для вос­становления стенок камер мощных малооборотных гидротурбин. Схема установки накладок с прорезями дана на рис. 58.

Накладки свариваются между собой и привариваются к телу стенки камеры одновременно одним швом. Дополнительное кре­пление осуществляется проваркой прорезей. Восстановленные этим способом рабочие камеры гидротурбин на одной из волж­ских станций работают уже несколько лет. Наплавке подвер­гался пояс рабочей камеры высотой около 600 мм, расположен­ный по всей длине окружности камеры. Одновременно с этим была произведена наплавка гребней рабочего колеса турбины.

2. Специальные электроды, дающие в наплавке металл типа 30Х10Г10, который устойчив против кавитационного разрушения. Для этих работ разработаны специальные электроды УПИ-30Х10Г10-2, которые дают наплавленный металл со сле­дующими механическими свойствами: предел прочности

50—65 кГ/мм2, ударная вязкость 5—8 кГм/см2. Химический состав наплавленного металла: 0,22—0,28% С; 9—11% Сг; 9—11% Мп; 0,10—0,25% Ті; не более 0,5% Si; 0,003% S н 0,003% Р. Наплавка должна выполняться с соблюдением задан­ного теплового режима, обеспечивающего минимальную глубину проплавления основного металла и замедленную скорость осты­вания. При быстром отводе теплоты в наплавленном слое воз­можно появление трещин.

Восстановление рабочих колес гидротурбин фирмы Нохаб - Гидротурбина радиально осевая мощностью 18 тыс. л. с., скорость вращения вала 187 об/мин. Рабочее колесо имеет 16 лопастей, вес 20 т. Материал колеса — стальное литье с содержанием углерода 0,46%. За 5 лет работы колесо турбины подверглось значительным кавитационным разрушениям и при дальнейшей эксплуатации могло окончательно выйти из строя. Места кави­тационных разрушений можно было разбить на три группы:

1) повреждения в верхнем диске; эти повреждения имели длину 200—300 мм, ширину 100—150 мм, глубину до 40 мм и располагались между лопастями. Общее число повреждений составляло 16. Так как толщина верхнего диска большая, то разрушения такого рода большой опасности не представляли;

2) разрушения торцовых сторон рабочих поверхностей лопас­тей. Эти разрушения располагались узкой полосой в виде сплош­ной губки длиной 200—250 мм, шириной до 20—30 мм

3) разрушения с тыльной стороны лопастей. В результате этих разрушений сечение лопастей местами было полностью разрушено. Дефекты имели форму полумесяцев длиной 200—300 мм и шириной 30—40 мм. Наиболее опасными были раз­рушения, расположенные около сопряжения лопастей с нижним кольцом. Линия этих повреждений проходила почти по всей ширине лопастей, а в отдельных местах — с полным разруше­нием всего сечения.

При дальнейшей эксплуатации был возможен отрыв нижнего кольца, что привело бы к выходу турбины из строя.

Для выполнения подготовительных работ и сварки гидротур - бина была демонтирована, а рабочее колесо установлено верти - кально в специально изготовленный кондуктор, позволяющий вращать колесо вокруг его оси и устанавливать его в нужное положение (рис. 59). Вращение и поворот колеса осуществлялись со скоростью 1,5 об! мин от электропривода. Качество восстанов­ленного колеса во многом зави­село от тщательности подго-

Рис. 60 Восстановленные наплав­кой места кавитационных разру - Рис. 59. Рабочее колесо турбины, , шений лопастей турбины в мес-

установленное в приспособлении тах сопряжения их с нижним-

для выполнения сварочных работ поясом

товки поврежденного участка, так как необходимо было уда­лить весь пористый металл. Применяли комбинированную вы­плавку дефектных участков ацетилено-кислородным резаком РВП-49, воздушно-дуговой резкой, дуговой выплавкой и после-- дующей зачисткой поверхности металла абразивными кругами.

Качество подготовки осуществляли наружным осмотром и простейшим магнитным способом: подготовленное место замы­кали в сварочную цепь, а по расположению посыпанных на это место железных опилок выявляли оставшиеся дефекты.

На тыльной водосливной части лопастей замена разрушен­ного металла производилась следующим способом: сначала уда­ляли дефектные места, затем по конфигурации полученной поло­сти подгоняли вставки из стали МСт. 3. Вставки выбивали по кривизне лопастей и прижимали струбцинами к медной под­кладке, также выбитой по ее кривизне. Так как толщина металла

на.

•в разрушенных сечениях была неодинакова, то новый металл подбирали по наименьшей толщине — 6 мм. Зазор между встав­ками и телом лопасти составлял 4—6 мм.

Подготовленные под сварку места заваривали электродами УОНИ-13/55. Последний слой наплавляли аустенитными элект­родами (проволока 08Х20Н10Г6 с покрытием НИИ-48Г). Этими электродами наплавляли также и участки, граничащие с восста­навливаемыми. Особое внимание обращалось на заварку мест ■сопряжений лопастей с нижним кольцом рабочего колеса, обо­значенных на рис. 60 буквой А.

Вследствие значительного количества наплавленного металла, расположенного почти на всей ширине лопастей, и недостаточной жесткости конструкции сопряжений возникала опасность ■поводки кольца, что недопустимо по условиям эксплуатации. Поэтому эти места сваривали у лопастей диаметрально противо­положных, т. е. порядок сварки был такой: 1—8; 2—9:

3—10 и т. д.

Сварку выполняли двух - и трехслойным обратноступенчатым - способом (при сквозных разрушениях сварку выполняли также и с обратной стороны) с предварительным подогревом металла до 250—300 °С двумя специально изготовленными керосиновыми форсунками, расположенными на диаметрально противополож­ных сторонах вращающегося колеса. Пламя форсунок обеспечи­вало равномерный нагрев нижнего кольца и мест сварки, рас­положенных около мест сопряжений всех 16 лопастей с кольцом. Контроль за температурой подогрева осуществлялся при помощи термических карандашей. Термообработку колеса после сварки в условиях гидроэлектростанции осуществить не удалось. После окончания всех работ места сварки зачищали абразивными кру­гами по плоскостям первоначальной конфигурации колеса.

Таким методом были восстановлены рабочие колеса трех гидротурбин. Восстановленные рабочие колеса находятся в эксплуатации уже более пяти лет. При осмотре этого колеса со стороны рабочей камеры (без демонтажа турбины) никаких раз­рушений восстановленных участков и граничащих с ними мест не обнаружено.

Заварка рабочего колеса гидротурбины высокого давления.

На одной из гидростанций установлены турбины высокого дав­ления фирмы Сан-Джорджио (Италия) с напором 540 м вод. ст., мощностью 10 тыс. кет, 600 об/мин. Рабочее колесо турбины ве­сит 2200 кг. Оно расположено в камере горизонтально и пред­ставляет собой мнсгоковшоЕую конструкцию с 22 ковшами (рис. 61). Колесо изготовлено из стального литья следующего химического состава: 0,25% С; 0,63% Мп; 0,25% Si; 0,039%_S, 0,035% Р; 0,1% Сг. Толщина диска колеса 250 мм, минимальная толщина стенки ковша 20 мм. После 3090 ч эксплуатации в ра­бочих колесах турбин были обнаружены трещины, расположен­
ные в местах сопряжения ковшей между собой и в местах сопря­жения ковшей с диском (рис. 62). Местами трещины первого и второго типов соединялись между собой, создавая угрозу полного отрыва ковша от диска. Причины появления трещин:

1) сложная форма рабочего колеса, выполненного из литой стали, с резкими переходами от массивных сечений к тонким. Такие переходы неизбежно вызывают появление значительных внутренних напряжений при отливке колеса и его остывании.

1 — наиболее напряженные участки переходного сечення ковша с трещинами, 2 — места кавитаци­онных разрушений после наплавки слоем нержаве­ющей стали

Наличие крупного зерна в некоторых участках позволяло пред­полагать, что колесо после литья не подвергалось полному циклу термообработки;

2) наличие на поверхности литья дефектов в виде пор и ра­ковин. Обнаружены также дефектные участки, которые были заварены еще при изготовлении колеса;

3) знакопеременные напряжения, возникающие при ударе струи воды под давлением 54 кГ/см2, направленной по централр ной линии ковша. Эти напряжения возникают в одном и том же сечении, а именно — в сопряжении ковшей между собой по внутренней части. Такие знакопеременные нагрузки с большим циклом нагружений, безусловно, могут способствовать появлению трещин. При тщательном осмотре рабочего колеса были обна­ружены трещины во всех 22 перемычках между ковшами. Длина трещин колебалась от 60 до 180 мм, глубина их составляла от 25 до 35 мм.

При подготовке трещин к заварке удаление дефектного ме­талла и вырубка трещин оказались чрезвычайно трудными опе­
рациями, так как расположение трещин между ковшами не по­зволяло применить какой-либо из механических способов их удаления. Вырубка зубилом вручную также не могла быть осу­ществлена.

Единственно возможным способом являлась выплавка метал­ла. Применение газовой резки исключалось, так как конфигура­ция ковшей не позволяла направить режущую струю кислорода вдоль трещины. Поэтому было принято решение выплавить

трещины электродуговым спо­собом.

Рабочее колесо турбины предварительно нагревалось до 200—250 °С индукционным током (рис. 63), после чего все обнаруженные трещины выплавлялись дугой постоян­ного тока 220—250 а электро­дами ЦМ-7 диаметром 4 мм. Чтобы полностью гарантиро­вать удаление трещин, вы­плавку производили на глуби­ну, превышающую глубину трещин на 6—10 мм.

После выплавки трещин место разделки зачищали — проверяли, нет ли трещин, пу­тем местного подмагничива - нпя с нанесением на этот уча­сток железного порошка. Подготовленное к заварке колесо турбины нагревали индукционными токами до температуры 250—280 °С. Заварку выполняли электродами УОНИ-13/55 на постоянном токе обратной полярности. Диаметр электрода 4—

■ 5 мм, режимы тока — обычные. При проведении сварочных ра­бот требовалось создать условия, которые обеспечивали бы полное отсутствие поводки, а также минимум остаточных внут­ренних напряжений.

В процессе заварки применяли тщательную послойную про­ковку швов зубилом специальной формы, позволяющим проковы­вать швы, расположенные в труднодоступных местах. При за­варке вели тщательное наблюдение за поверхностью швов (не появились ли трещины и надрывы в швах, главным образом в кратерах). Если какой-либо участок шва вызывал сомнение, то производили выплавку этого участка с последующей заваркой.

Особенно тщательно выполнялись последние швы на поверх­ности сопряжения ковша с диском. На этих участках швы были выполнены с плавным переходом к основному металлу, без под­резов и неровностей.

Отдельные участки ковшей и рабочего колеса, получившие поверхностные разрушения от кавитации, были зачищены и вос­становлены наплавкой. Наплавку выполняли электродами ЦТ-1, диаметром 4 мм, током 120—130 о, чтобы не создавать глубокого проплавления и в возможно меньшей степени изменять состав электродного металла. Наложение нержавеющего слоя гаранти­ровало эти участки от возможных разрушений вследствие кави­тации. Во всех случаях, когда это было возможно, наплавку вели в два слоя для того, чтобы обеспечить аустенитную структуру металла верхнего (рабочего) слоя. Среднее количество наплав­ленного металла при заварке одного ковша составляло 3,4 кг.

По окончании всех сварочных работ колесо подвергали высо­кому температурному отпуску при 650 °С с выдержкой в течение 3 ч и остыванию вместе с печью для снятия внутренних напряже­ний, возникших в процессе сварки. При проверке рабочего коле­са на валу машины биения и смещения осей ковшей не было обнаружено. По указанной технологии были восстановлены три рабочих колеса двух турбин, которые работают в настоящее время с нормальной нагрузкой.