UDK 621.311.22:621.165.5:620.18:620.179 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MTAEC 9, 36(6)411(2002) REVITALIZACIJA ZUNANJEGA OKROVA VISOKOTLAČNEGA DELA TURBINE 125 MW REVITALISATION OF THE HIGH-PRESSURE EXTERNAL CASING OF A 125-MW TURBINE Dimitrij Kmetič1, Vinko Kurent2, Ludvik Matko2, Jerzy Dobosiewicz3, Boris Arzenšek1, Roman Celin1 1Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija 2Termoelektrarna Trbovlje, Ob železnici 27, 1420, Trbovlje, Slovenija 3PRONOVUM, Ul. Czajek 41, Katowice, Poljska dimitrij.kmeticŽimt.si Prejem rokopisa - received: 2002-10-17; sprejem za objavo - accepted for publication: 2002-11-11 Turbina 125 MW, izdelana leta 1968, je bila v obratovanju 190 000 ur. Med dolgotrajnim obratovanjem pri povišanih temperaturah so nastale v mikrostrukturi okrova iz jeklene litine spremembe in mehanske lastnosti so se poslabšale. Zaradi cikličnega nihanja napetosti in spreminjajoče se temperature so nastale v okrovu turbine mikrorazpoke. Združevanje mikrorazpok je privedlo do večjih utrujenostnih poškodb. Med remontnimi deli so bile v letu 2001 opravljene obširnejše neporušitvene, metalografske in mehanske preiskave. Na osnovi preiskav je bila izvedena revitalizacija zunanjega okrova visokotlačnega dela turbine. Ključne besede: okrov turbine, mikrostruktura, žilavost, neporušitvene preiskave, degradacija mehanskih lastnosti, revitalizacija The operationof a 125-MW turbine beganin1968. After 190 000 hours inservice anextensive inspectionwas performed during the shutdown in 2001. After a long time of exploitation changes in the microstructure of the cast steel had occurred and degradation of the mechanical properties was confirmed. As a result of the fluctuating temperature and the dynamic cycling loading, microscopic cracks had developed. Because of the coalescence of these cracks fatigue can occur. The results of nondestructive testing, metallographic examinations and mechanical testing were the basis for the revitalisation of the casing. Key words: turbine casing, microstructure, toughness, nondestructive testing, degradation of mechanical properties, revitalisation 1 UVOD V Termoelektrarni Trbovlje smo v letu 2001 med remontom turbine z močjo 125 MW opravili na okrovu visokotlačnega dela obširnejše porušitvene in nepo-rušitvene preiskave. Turbina je bila izdelana v letu 1968 na Poljskem in je bila v obratovanju že 190 000 ur. Remontna dela je vodil ZRE (Zaklady Remontowe Ener-getyki, Katowice). Revitalizacijo okrova visokotlačnega dela so opravili v ZRE v sodelovanju z inštitutom PRONOVUM (Katowice). Zunanji okrov visokotlačnega dela turbine je izdelan iz jeklene litine vrste L21HMF (poljske norme) in je bil vgrajen v normaliziranem stanju. Temperatura pare je na vstopu v okrov 535 °C. Na okrovu visokotlačne dela turbine so bila opravljena naslednja dela: • na štirih vzorcih, izrezanih iz zgornjega in spodnjega dela okrova v območju vstopa inizstopa pare, smo naredili kemično analizo jeklene litine, preizkuse žilavosti, meritve trdote inmikrostrukturne preiskave • po peskanju smo okrov pregledali vizualno in po metodi magnetnih delcev ter poškodbe sanirali v ZRE • revitalizacija ohišja v ZRE in • preizkusi žilavosti, meritve trdote inmikrostrukturne preiskave vzorcev toplotno obdelanih skupaj z okrovom. 2 PREISKAVA VZORCEV, IZREZANIH IZ OKROVA Kemično analizo, preizkuse žilavosti Charpy ISO-V pri temperaturi 20 °C, meritve trdote inmikrostrukturne preiskave smo naredili pri štirih vzorcih, izrezanih iz spodnje in zgornje polovice okrova, izdelanega iz jeklene litine. Vzorci so bili izrezani ob notranji površini v območju vstopa pare, kjer je temperaturna obremenitev okrova najvišja, in na področju izstopa pare, kjer je temperatura pare nižja. Vzorci imajo naslednje oznake: • vzorec 1 - zgornji okrov, vstop pare • vzorec 2 - zgornji okrov, izstop pare • vzorec 3 - spodnji okrov, izstop pare • vzorec 4 - spodnji okrov, vstop pare. Kemična analiza jeklene litine je za vse štiri preiskovane vzorce v tabeli 1, kjer je tudi analiza, navedena v standardu. Kemična sestava ustreza jekleni litini vrste L21HMF. Iz vsebnosti silicija, fosforja, žvepla in niklja je razvidno, da zgornja in spodnja polovica okrova nista izdelani iz iste taline. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 411 D. KMETIČ ET AL.: REVITALIZACIJA ZUNANJEGA OKROVA VISOKOTLAČNEGA DELA TURBINE 125 MW Tabela 1: Kemična sestava vzorcev v masnih odstotkih Table 1: Chemical compositionof specimen(weight %) Vzorec C Si MnP S Cr Mo Ni V 1 0,22 0,28 0,62 0,023 0,021 1,08 0,59 0,047 0,23 2 0,23 0,28 0,62 0,021 0,020 1,08 0,59 0,045 0,24 3 0,23 0,38 0,59 0,017 0,027 1,10 0,60 0,058 0,23 4 0,23 0,39 0,60 0,018 0,024 1,10 0,61 0,058 0,25 Standard PN 83157 0,18-0,25 0,17-0,37 0,40-0,70 < 0,030 < 0,030 0,90-1,20 0,50-0,70 <0,30 0,20-0,35 Preizkuse žilavost Charpy ISO-V smo naredili pri temperaturi 20 °C. Trdoto smo izmerili po Vickersu. V tabeli 2 so podani rezultati meritev žilavosti, trdote HV in trdoti ustrezne natezne trdnosti. Iz rezultatov meritev je razvidno, da je žilavost ustrezna le pri enem vzorcu. Žilavost ostalih treh vzorcev je bistveno nižja od (v standardu) predpisane vrednosti 27 J pri temperaturi 20 °C. Prelomne površine so krhke cepilne, duktilni z jamicami pa so le posamezni grebeni (slika 1). Tabela 2: Mehanske lastnosti vzorcev jeklene litine Table 2: Mechanical properties of the cast steel Slika 1: Prelomna površina žilavostnega preizkušanca; krhki prelom s cepljenjem (zgoraj) in krhki prelom s cepljenjem ter jamičasti duktilni prelom (spodaj) - vzorec 2 Figure 1: Fracture surface of Charpy V notch specimen; cleavage rupture (upper micrograph) and cleavage rupture and ductile rupture with dimples (lower micrograph) - sample 2 Vzorec Žilavost ISO-V (J, 20 °C) Trdota HV 5 Rm (N/mm2) 1 32 167 570 2 10 150 520 3 8 154 530 4 8 153 530 Jeklena litina zgornje polovice okrova ima mikro-strukturo iz ferita, perlita in bainita. Med dolgotrajnim obratovanjem je nastala delna sferoidizacija cementita v perlitu inbainitu, v feritu pa smo opazili precipitate. Jeklena litina spodnje polovice okrova ima podobno Slika 2: Mikrostruktura jeklene litine zgornje in spodnje polovice okrova; delna (zgoraj) in popolna (spodaj) sferoidizacija karbidov Figure 2: Microstructure of cast steel onupper and lower part of external casing: partial (upper micrograph) and complete spheroidized carbides (lower micrograph) 412 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 D. KMETIC ET AL.: REVITALIZACIJA ZUNANJEGA OKROVA VISOKOTLAČNEGA DELA TURBINE 125 MW Slika 3: SEM posnetka delno (zgoraj) in popolnoma (spodaj) sferoidizirane mikrostrukture jeklene litine zgornje in spodnje polovice okrova Figure 3: SEM image of partial (upper micrograph) and complete spheroidized carbides (lower micrograph) of cast steel onupper and lower part of external casing mikrostrukturo, le delež bainita v mikrostrukturi je bistveni večji in sferoidizirani karbidi so enakomerneje porazdeljeni po matici. Ulitka, zlasti spodnja polovica okrova, nista bila ustrezno normalizirana. Pri transformaciji se je manjši delež avstenita transformiral v ferit in perlit, večina avstenita pa se je transformirala v bainit (sliki 2 in 3). Mikrostruktura obeh polovic okrovov ni homogena, saj so posamezna zrna lahko zelo velika. Po klasifikaciji ASTM (ASTM E 112) je velikost kristalnih zrn litine zgornjega okrova 4 - 7, spodnjega pa 4 - 6. Karbidov, izločenih po kristalnih mejah, nismo opazili. 3 NEPORUŠITVENE PREISKAVE Okrov turbine smo po peskanju pregledali vizualno in po metodi magnetnih delcev. Vse poškodbe so bile po velikosti in legi dokumentirane. Na sliki 4 se na makro-posnetku notranje površine spodnjega okrova vidijo označena mesta poškodb. Poškodb je veliko, na kritičnih mestih, kot so področja priključkov (vstop inizstop pare, ventili, izvrtine za pritrdilne vijake), ni bilo. Po MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 Slika 4: Makroposnetek notranje površine spodnje polovice okrova z označenimi poškodbami Figure 4: Macro image of internal surface of lower part casing with marked failures morfoloških značilnostih so poškodbe razpoke, ki so nastale zaradi termomehanskih obremenitev (termična utrujenost), zlepljena mesta na reparaturnih zvarih in napake, ki so nastale že pri litju ohišja (manjši lunkerji in porozna mesta) in pri pregledu po izdelavi okrova niso bila odkrita. Poškodb je več in so večje na spodnjem delu ohišja, predvsem na notranji površini. Najgloblja poškodba je bila po izbrušenju razpoke globoka 35 mm. Geometrijske meritve so pokazale, da je ohišje deformirano v taki meri, da je potrebna toplotna obdelava ob ustrezni mehanski obremenitvi, da se zagotovi zahtevana geometrija in dimenzijske tolerance ohišja za mehansko obdelavo. 4 SANACIJA OKROVA Stena ohišja je debela od 70 do 120 mm. Praviloma se reparaturno zavarijo izbrušena mesta, če so poškodbe globoke več kot 20 % debeline stene. Na makroposnetku je na sliki 5 prikazano izbrušeno področje večje utruje-nostne razpoke. Ker je bila zaradi degradacije mehanskih lastnosti zaradi mikrostrukturnih sprememb in zaradi dimenzijskih sprememb nujna revitalizacija, smo se odločili, da se zavarijo vsa izbrušena področja, katerih globina je bila večja od 10 % debeline stene. Reparaturno varjenje je poslovna tajnost ZRE, zato podatki o pogojih varjenja v prispevku niso podani. Prav tako je poslovna tajnost tudi toplotna obdelava ohišja za revitalizacijo. 413 D. KMETIČ ET AL.: REVITALIZACIJA ZUNANJEGA OKROVA VISOKOTLAČNEGA DELA TURBINE 125 MW Slika 5: Makroposnetek področja izbrušene večje razpoke Figure 5: Macro image of ground area at larger failure Slika 7: Mikrostruktura jeklene litine po toplotni obdelavi iz lamelarnega perlita in ferita s karbidnimi precipitati Figure 7: Microstructure of cast steel after heat treatment consists of lamellar pearlite and ferrite with carbide precipitates 5 PREISKAVE VZORCEV, TOPLOTNO OBDELANIH Z OKROVOM Po en vzorec, toplotno obdelan skupno z zgornjo polovico okrova (vzorec 21), inenvzorec, toplotno obdelan s spodnjo polovico (vzorec 22), smo preiskali na našem inštitutu. Kot na vzorcih, izrezanih iz ohišja po eksploataciji, smo tudi pri teh naredili kemično analizo, preizkuse žilavosti pri temperaturi 20 °C, meritve trdote inmikrostrukturne preiskave. Vsebnosti analiziranih elementov so praktično enake tistim, ki so podane v tabeli 1, za vzorce izrezane iz okrova po eksploataciji. Odstopanja so v mejah merilne napake. Rezultati preizkusov žilavosti Charpy ISO-V pri temperaturi 20 °C inmeritev trdote po Vickersu HV so podani v tabeli 3. Vzorca imata po toplotni obdelavi bistveno boljšo žilavost kot tisti, izrezani iz ohišja po eksploataciji. Jeklena litina ima višjo žilavost od zahtevane v standardu. Tudi izmerjene trdote so večje v primerjavi z izmerjenimi po eksploataciji. Tabela 3: Žilavost in povprečna trdota toplotno obdelanih vzorcev Table 3: Toughness and average hardness of the heat-treated speci- Vzorec Žilavost ISO-V (J, 20 °C) Trdota HV 5 21 (zg, okrov) 45 160 22 (sp. okrov) 32 167 Slika 6: Pretežno duktilni prelom z jamicami žilavostnega preiz-kušanca toplotno obdelanega z okrovom Figure 6: Ductile fracture surface of Charpy V notch specimen heat treated with casing Prelomne površine žilavostnih preizkušancev smo pregledali v SEM. Prelom obeh vzorcev je podoben, prelomne površine so deloma cepilne krhke in deloma žilave (slika 6). Žilavih površinje več kot na vzorcih, izrezanih iz ohišja po eksploataciji, zato je tudi žilavost toplotno obdelane jeklene litine večja. Mikrostruktura obeh vzorcev je drobnozrnata feritno perlitna z enakomerno velikostjo kristalnih zrn. Velikost kristalnih zrn je po ASTM - klasifikaciji 7. V perlitu se opazi, da so cementitne lamele sorazmerno grobe, v feritu pa se opazijo drobni precipitati. Karbidov, izločenih po kristalnih mejah, nismo opazili (sliki 7 in 8). Vse te značilnosti izhajajo iz toplotne obdelave in so ustrezne za normalizacijo velikih debelostenskih ulitkov. 414 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 mens D. KMETIČ ET AL.: REVITALIZACIJA ZUNANJEGA OKROVA VISOKOTLAČNEGA DELA TURBINE 125 MW Slika 8: SEM posnetek mikrostruktura jeklene litine po toplotni obdelavi iz lamelarnega perlita in ferita s karbidnimi precipitati Figure 8: SEM image of lamellar pearlite and ferrite with carbide precipitates of cast steel after heat treatment 6 SKLEP IMT je sodeloval pri remontnih delih turbine 125 MW, ki jih je vodil ZRE, inpri revitalizaciji okrova, ki je bila izvedena v sodelovanju z inštitutom PRONO-VUM. V sklopu preiskav smo na našem inštitutu na vzorcih, izrezanih iz zunanjega okrova visokotlačnega dela turbine, opravili preizkuse žilavosti, mikrostruk-turne preiskave, meritve trdote in kemično analizo jeklene litine L21HMF. Preiskave smo naredili pri vzorcih, izrezanih iz okrova po eksploataciji in pri vzorcih po revitalizaciji, ki so bili toplotno obdelani skupaj z okrovom. Prisotni smo bili pri neporušitvenih preiskavah po metodi magnetnih delcev, izbrušenju poškodb in reparaturnem varjenju ter pri razgovorih o revitalizaciji okrova. Zaradi grobe feritno perlitno bainitne mikrostrukture, v kateri je med dolgotrajnim obratovanjem prišlo do sferoidizacije cementita in izločanja karbidnih precipi-tatov, je imela jeklena litina neustrezno žilavost. Razlik med vzorci, izrezanimi s področja vstopa in izstopa pare, nismo opazili. Z neporušitvenimi preiskavami po metodi magnetnih delcev smo v ZRE odkrili številne utruje-nostne razpoke, zlepljena mesta na reparaturnih zvarih in porozna področja. Poškodbe so bile po izbrušenju zavarjene in okrov napetostno odžarjen. Zaradi degradacije materiala, ki se kaže v zmanjšanju mehanskih lastnosti, predvsem žilavosti, in številnih poškodb ter zagotovitve ustreznih dimenzijskih toleranc, so v ZRE okrov toplotno obdelali. Po revitalizaciji je imela jeklena litina drobnozrnato feritno perlitno mikrostrukturo inustrezno žilavost. 7 LITERATURA 1 Wykonanie prac w zakresie rewitalizacji kadluba zewnetrznego WP dla Elektrowni Trbovlje, PRONOVUM, Katowice, 21. 02. 2001 2 David N. French: Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers, Wiley-Interscience publication, New York, 1992 3 Plan ubytkow korpusow zewnetrznych WP turbiny TK 120 z El. Trbovlje, ZRE, Katowice, 08. 07. 2001 4 Measurement of TK120 turbine HP external casing, ZRE, Katowice, 2001 5 D. Kmetič, B. Arzenšek: Preiskava in revitalizacija zunanjega ohišja visokotlačnega dela turbine TK 120, Poročilo IMT, Ljubljana, 2001 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 415