Analisis kegagalan keletihan korosi pada bilah rotor utama turbin gas 30MW

Bilah turbin adalah komponen yang amat kritikal dan penting dalam unit turbin gas, yang beroperasi dalam persekitaran suhu tinggi, tekanan tinggi dan beban tinggi. Kemerosotan atau kegagalan prestasi bilah akan memberi kesan ketara terhadap integriti dan kebolehpercayaan unit turbin gas. Punca utama bilah turbin Kegagalan adalah keletihan enjin terma, keletihan kakisan, keletihan kitaran tinggi, keletihan merayap, suhu melebihi had, atau gabungan mod kegagalan di atas. Pada masa yang sama, disebabkan perbezaan suhu operasi, kelajuan, mod operasi, masa perkhidmatan keseluruhan dan proses pembuatan, tahap kerosakan atau kegagalan bilah-bilah yang berbeza adalah sangat berbeza.

Pada masa ini, pelbagai teknik canggih telah digunakan untuk mengkaji punca kerosakan bilah turbin: spektrum bacaan langsung EDM boleh digunakan untuk mengukur komposisi kimia bilah; teknik difraksi sinar-X membantu menentukan metalurgi bahan bilah; Mikroskopi elektronimbas (SEM) boleh digunakan untuk mengkaji morfologi retakan bilah, retakan dan penyebarannya. Pada masa yang sama, pelbagai teknik simulasi numerik telah muncul, dan dinamik cecair komputasi telah meluas digunakan untuk mengira medan suhu bilah dan medan aerodinamik bagi menilai lokasi kerosakan bilah. Analisis elemen hingga digunakan untuk mengira medan tegasan, deformasi dan pemanjangan bilah.

Objek kajian kertas ini ialah bilah turbin peringkat pertama bagi unit turbin gas. Kuasa unit ini ialah 30 MW, bahan api ialah minyak berat, suhu masuk turbin adalah kira-kira 1 050 ℃, jam operasi setara (EOH) unit telah melebihi 5 000 jam, dan mod operasinya ialah sekali setiap 3 hari. Semasa pemeriksaan pembaikan menyeluruh, didapati fenomena pengelupasan salutan muncul pada permukaan bilah rotor turbin peringkat pertama apabila masa perkhidmatan jauh di bawah jangka hayat yang dibenarkan. Untuk mengelakkan situasi serupa pada masa hadapan, kertas ini menggunakan pelbagai kaedah teknikal untuk menjalankan analisis fizikal dan kimia terhadap bilah yang rosak, dan menggunakan kaedah simulasi numerikal untuk menghasilkan semula medan suhu dan medan tegasan bilah semasa operasi, bagi menganalisis punca kerosakan bilah tersebut.

1. Analisis ujian

Bilah rotor peringkat pertama turbin dituang daripada kristal eksoaksial, diperbuat daripada aloi IN738. Permukaan luar bilah dilapisi dengan salutan penghalang terma (TBC), dan bilah dalam mempunyai struktur penyejukan yang kompleks. Dalam kertas ini, dua bilah turbin dengan salutan yang mengelupas dipilih untuk pemeriksaan fizikal dan kimia, analisis komposisi kimia dan analisis mikrostruktur.

1.1 Pemeriksaan Penampilan

Pertama, gunakan aseton untuk membersihkan minyak, kemudian gunakan alkohol untuk membersihkan. Pada masa yang sama, bagi menjalankan pemeriksaan rupa yang lebih terperinci, permukaan bilah diampelas pasir dan dibersihkan, dengan diameter zarah pasir 20–50 μm.

Hasil pemeriksaan penampilan bilah ditunjukkan dalam Rajah 1. Seperti yang dapat dilihat dalam Rajah 1, kebanyakan lapisan seramik pada permukaan luar bilah turbin telah terkelupas, dan hanya sebahagian lapisan seramik masih kekal pada permukaan tekanan dan bahagian tengah permukaan isapan berhampiran sisi inlet badan bilah. Kebanyakan lapisan pengikat logam berhampiran sisi inlet permukaan tekanan juga telah terhakis (Rajah 1a). Pada masa yang sama, permukaan bilah jelas berubah warna, yang mungkin berkaitan dengan endapan dan produk kakisan yang tertinggal oleh unit semasa operasi. Beberapa retakan wujud pada permukaan tekanan bilah dan R peralihan di hujung belakang (RAJAH 1b).

1.2 Analisis komposisi kimia

Giling sehingga kedalaman 4 mm pada permukaan bilah, dan ukur komposisi kimia bahan bilah dengan spektrometer percikan elektrik bacaan langsung. Komposisi aloi ditunjukkan dalam Jadual 1. Keputusan menunjukkan bahawa bahan daun konsisten dengan IN738.

Jadual 1 Komposisi aloi bahan bilah

Sampel diambil dari empat kawasan pada permukaan bilah, dan prob spektrum tenaga mikroskop elektronimbas pelepasan medan Quanta FEG-450 (FE-SEM) digunakan untuk menganalisis spektrum tenaga ke atas keempat-empat sampel tersebut. Keempat-empat kawasan tersebut masing-masing terletak pada sambungan antara bahagian bawah permukaan sedutan bilah dan platform, bahagian bawah permukaan tekanan bilah berhampiran tepi belakang, bahagian tengah permukaan tekanan bilah berhampiran tepi hadapan, dan bahagian bawah permukaan tekanan bilah berhampiran tepi hadapan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

Hasil analisis spektrum tenaga ditunjukkan dalam Rajah 3. Seperti yang dapat dilihat daripada Rajah 3: 1) kandungan Zr di kawasan 1 adalah sangat tinggi, dan terdapat sejumlah kandungan Y di kawasan 1; 2) Kandungan Zr di kawasan 2 adalah sangat tinggi, dan terdapat sejumlah Mg, Al, Si, S, V, Fe; 3) Kandungan Zr di kawasan 3 adalah sangat tinggi, dan terdapat sejumlah Mg, Al, Si, S, V; 4) Terdapat sejumlah Mg, Al, Zr, S, Ti dan V di kawasan 4.

Menurut komposisi kimia bahan daun, lapisan seramik, lapisan pengikat dan minyak berat, kesimpulan berikut dapat diperoleh: 1) terdapat lapisan seramik permukaan di kawasan 1, 2 dan 3, komponen utamanya ialah Zr; 2) Terdapat lapisan pengikatan logam di kawasan 2, 3 dan 4, komponen utamanya ialah Al; 3) Terdapat produk pembakaran minyak berat di zon 2, 3 dan 4, dan minyak berat mengandungi V dan S, yang membentuk sebatian yang melekat pada permukaan bilah selepas pembakaran; 4) Mg ditambah ke dalam minyak berat, yang terutamanya digunakan untuk menghalang kakisan unsur V dan S pada bahan salutan dan matriks.

1.3 Analisis mikrostruktur

Bahagian hadapan dan belakang bilah turbin dipotong untuk menyediakan sampel, dan mikrostruktur salutan pada permukaan bilah diperhatikan menggunakan mikroskop elektronimbas (SEM), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. Seperti yang dapat dilihat dalam Rajah 4, tiada lapisan seramik yang tinggal pada permukaan bilah, tetapi lapisan pengikat logam masih agak utuh. Ketebalan lapisan pengikat logam yang diukur adalah kira-kira 159.73 μm, dan ketebalan lapisan pengagihan adalah kira-kira 10~15 μm, yang memenuhi keperluan salutan penghalang terma (Rajah 4c). FIG. 4d) ialah pembesaran tempatan bagi FIG. 4c), dan keputusan menunjukkan bahawa kakisan telah berlaku pada permukaan lapisan pengikat logam (kawasan A), yang menunjukkan bahawa lapisan oksida padat α-Al2O3 pada permukaan lapisan pengikat logam telah hilang. Pada masa yang sama, disebabkan kehilangan besar unsur Al, fasa β-NiAl yang tinggal dalam lapisan pengikat logam akan berubah menjadi fasa γ‘ (Ni3Al), yang selanjutnya mengurangkan ketahanan kakisan pengoksidaan lapisan pengikat logam (Rajah 4d kawasan B).

2. Analisis medan suhu

2.1 Pengiraan medan suhu

Perisian komersial CFX digunakan untuk mensimulasikan medan aliran di luar bilah. Semasa pengiraan, laluan aliran bilah dipilih untuk analisis keadaan pegun, dan celah hujung diambil kira. Permukaan bilah ditetapkan sebagai dinding berputar adiabatik yang tidak licin, permukaan pelindung laluan aliran gas ditetapkan sebagai dinding pegun, fungsi pengagihan jejari bagi tekanan mutlak keseluruhan dan suhu mutlak keseluruhan pada inlet gas serta fungsi pengagihan jejari bagi tekanan statik pada outlet gas telah diberikan. Apabila perisian CFX digunakan, model turbulen dua persamaan pemindahan tegasan ricih (SST) dipilih, simulasi peralihan turbulen diperiksa, dan pengaruh terma kerja viskos terhadap medan aliran diambil kira. Kaedah penyelesaian ketepatan tinggi dipilih untuk mensimulasikan terma konveksi dan turbulen lapisan sempadan.

Selepas keputusan pengiraan medan aliran diperoleh, pekali pemindahan haba pada permukaan luar bilah boleh dianalisis dan diekstrak. Koefisien pemindahan haba pada permukaan luar bilah boleh diperoleh dengan merujuk kepada teori lapisan klasik dan aliran turbulen serta pemindahan haba pada sempadan aliran keluar plat. Perubahan koefisien pemindahan haba luaran profil bilah dalam bahagian tengah mengikut panjang lengkung mutlak ditunjukkan dalam Rajah 6. Dalam kertas ini, pekali pemindahan haba luaran bagi empat bahagian bilah, iaitu bahagian 10%, 50%, 75% dan 95%, telah dikira.

Pembahagian mesh bilah telah dijalankan, dan ciri-ciri halus struktur penyejukan di dalam bilah telah disulitkan. Saiz mesh tempatan minimum ialah 0.02 mm. Akhirnya, jumlah keseluruhan mesh yang dijana ialah 14 juta dan bilangan nod ialah 2.8 juta. Koefisien pemindahan haba saluran penyejukan di dalam bilah dikira menggunakan formula berkaitan dan merujuk kepada literatur berkaitan.

2.2 Analisis Keputusan

Muatkan pekali pemindahan haba yang diperoleh bagi permukaan dalaman dan luaran bilah ke permukaan yang sepadan, dan gunakan CFX untuk menyelesaikan masalah kekonduksian haba bilah, medan suhu tiga dimensi bilah boleh diperoleh, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7. Seperti yang dapat dilihat daripada Rajah 7, agihan suhu pada permukaan tekanan badan bilah dibahagikan mengikut arah paksi, dan suhu tertinggi badan bilah terletak di tepi hadapan (Rajah 7a) di kawasan 1, mencecah 858.4 ℃, yang disebabkan oleh pekali pemindahan haba luaran yang tinggi. Suhu di hadapan daya mampat bilah pada panjang lengkung 2/3 adalah rendah (kawasan 2 dalam Rajah 7a), kerana pekali pemindahan haba di luar adalah kecil; Selepas 1/3 permukaan tekanan, pekali pemindahan haba gas secara beransur-ansur meningkat ke arah hujung belakang bilah, manakala pekali pemindahan haba udara sejuk dalaman hampir tidak berubah, mengakibatkan peningkatan beransur-ansur dalam suhu logam (Wilayah 3 dalam Rajah 7a).

Koefisien pemindahan haba yang tinggi di kawasan peralihan permukaan isapan badan bilah menyebabkan suhu bilah yang lebih tinggi (kawasan 5 dalam Rajah 7b), tetapi suhu berhampiran kawasan peralihan permukaan isapan adalah lebih rendah (kawasan 8 dalam Rajah 7b), yang terutamanya berkaitan dengan saluran penyejukan berasingan di dalam bilah yang lebih hampir dengan permukaan isapan dan aliran udara sejuk yang banyak daripadanya. Siri pemindahan haba yang lebih rendah di hilir zon peralihan mengakibatkan suhu bilah yang lebih rendah (Kawasan 6 dalam Rajah 7b). Pemalar pemindahan haba yang tinggi, jejari tepi belakang yang kecil dan hampir tiada penyejukan di tepi belakang bilah mengakibatkan suhu kawasan tepi belakang yang lebih tinggi (kawasan 7 dalam Rajah 7b). Permukaan isap mempunyai segitiga suhu yang ketara (kawasan 9 dalam Rajah 7b), kerana pengiraan aerodinamik dan pengiraan pemindahan haba pada bahagian 75% dan 95% menunjukkan bahawa cecair membentuk pusaran kebocoran hujung yang kuat dan pemindahan haba berlaku di situ. Ini selari dengan pengagihan warna pada permukaan luar bilah.

3. Analisis medan tegasan

3.1 Pengiraan medan tegasan

Salah satu model sektor bilah/cakera telah diintercept untuk pengiraan elemen hingga bukan linear. Pengagihan tegasan pada bilah dan roda di bawah keadaan pegun dianalisis, dan model elemen hingga ditunjukkan dalam Rajah 8.

Bahan asas bilah ialah IN738 dan bahan salutan ialah TBC. Lapisan pelekat juga merupakan bahan logam dengan ketebalan hanya 0.1 mm. Oleh itu, lapisan pelekat dan substrat digabungkan dalam pengiraan. Salutan permukaan digunakan untuk mensimulasikan lapisan seramik dengan ketebalan 0.3mm. Model konstitutif BKIN telah digunakan untuk matriks bilah semasa pengiraan, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 2.

Jadual 2 Model In738-BKIN

Kondisi sempadan adalah seperti berikut: 1) medan suhu yang diterapkan oleh bilah; 2) medan suhu yang diterapkan oleh roda; 3) Kelajuan yang dikenakan pada bilah dan roda; 4) Satu pasang sentuhan diatur antara akar bilah dan alur bilah; 5) Terapkan sekatan pemindahan paksi dan sekatan pemindahan keliling pada gigi hujung roda, serta sekatan pemindahan jejari pada pusat cakera. Kitaran suhu dan beban ditunjukkan dalam Rajah 9.

3.2 Analisis Keputusan

Sebaran tegasan keseluruhan matriks bilah ditunjukkan dalam Rajah 10. Seperti yang dapat dilihat daripada Rajah 10, tegasan bilah maksimum terletak pada peralihan tepi belakang R, nilai tegasan ialah 690 MPa, dan suhunya ialah 775 ℃. Posisi tegasan maksimum ini selari dengan kedudukan kerosakan pada tepi belakang dalam Rajah 1b. Pada masa yang sama, arah tegasan utama pertama adalah radial sepanjang bilah dan tegak lurus dengan arah retakan di titik kerosakan bilah. Disebabkan unit sering dihidupkan dan dimatikan, tegasan bergilir yang besar terhasil di sini, dan retakan disebabkan oleh keletihan. Tahap tegasan di kawasan rehat badan bilah tidak tinggi.

4 Analisis Kegagalan

Berdasarkan keputusan analisis fizikal dan kimia serta simulasi numerikal, mekanisme kerosakan bilah turbin dianalisis, dan kesimpulan berikut diperoleh.

1) Bahan api unit turbin gas ialah minyak berat yang mengandungi sejumlah besar S dan V dalam komposisinya. Apabila minyak berat memasuki ruang pembakaran, ia bertindak balas untuk membentuk sulfat pada suhu tinggi. Sulfat yang lebur pada suhu tinggi mempunyai kelancaran dan boleh melalui ruang kosong atau retakan dalam lapisan penebat seramik untuk sampai ke permukaan substrat yang disambung dan bertindak balas, menyebabkan salutan terkelupas. Persamaan tindak balas ditunjukkan dalam persamaan (1) – (5). V yang terkandung dalam minyak berat akan bertindak balas untuk membentuk vanadat logam pada suhu tinggi. Banyak keputusan penyelidikan menunjukkan bahawa apabila ia wujud bersama sulfat, kesan kakisan akan dipertingkatkan lagi, dan kecekapan kakisan selepas pencampuran boleh meningkat lebih daripada 10 kali ganda berbanding keadaan biasa. Akibatnya, lapisan atas pada kebanyakan permukaan bilah terkelupas jauh sebelum hayat perkhidmatan yang dibenarkan.

2) Keputusan pengiraan medan suhu bilah menunjukkan bahawa pengagihan suhu badan bilah dibahagikan mengikut arah paksi. Di kawasan 1, pekali pemindahan haba luaran adalah tinggi, menyebabkan suhu bilah tinggi, yang meningkatkan kebolehlancaran sulfat, sekali gus mempercepat kakisan lapisan seramik, menyebabkan salutan lapisan seramik berhampiran hujung hadapan terkelupas teruk; Di zon 2, suhu logam yang lebih rendah dan kadar hakisan gas yang lebih rendah membolehkan salutan lapisan seramik di kawasan ini terpelihara; di kawasan 6, permukaan hisap badan bilah meninggalkan hilir zon peralihan dengan lebar tertentu, suhu logam rendah, dan salutan lapisan seramik di kawasan ini juga terpelihara.

3) Keputusan simulasi medan tegasan bilah menunjukkan bahawa tegasan maksimum pada R pemindahan matriks tepi belakang bilah ialah 690 MPa dan suhunya ialah 775 ℃. Disebabkan permulaan dan pemberhentian yang kerap, kerosakan keletihan berlaku, yang membawa kepada permulaan retakan keletihan.

Dalam kertas ini, analisis fizikal dan kimia serta simulasi numerik dijalankan untuk mengkaji pengelupasan salutan dan retakan keletihan pada peralihan tepi belakang R bilah kipas bergerak, dan mekanisme kerosakan bilah diperoleh.

Hubungi kami

Terima kasih atas minat anda terhadap syarikat kami! Sebagai sebuah syarikat pembuatan bahagian turbin gas profesional, kami akan terus komited kepada inovasi teknologi dan penambahbaikan perkhidmatan untuk menyediakan lebih banyak penyelesaian berkualiti tinggi kepada pelanggan di seluruh dunia. Jika anda mempunyai sebarang pertanyaan, cadangan atau hasrat kerjasama, kami dengan senang hati akan membantu anda. Sila hubungi kami melalui cara berikut:

• WhatsApp:+86 135 4409 5201
• E-mel:peter@turbineblade.net