2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ГИДРОТУРБИН, РАЗРУШЕННЫХ 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 и 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 и воздушно-дуговой строжкой. Схема воздушно-дуговой строжки 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 хромоникелевые электроды, дающие в наплавке хромоникелевую сталь типа 19-10. Для многослойной наплавки пригодны гее 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% Ст; 9—11% Мп; 0,10—0,25% Ti; не более 0,5% Si; 0,003% S и 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 трешин.

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 вертикально в специально изготовленный кондуктор, позволяюнгий 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 завитовки 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 последующей 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 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 °C 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 многоковшовую 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% Ст. Толщина диска колеса 250 мм, минимальная толщина стенки ковша 20 мм. После 3090 ч эксплуатации в рабочих колесах турбин были обнаружены трещины, расположенные 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. 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 центральной 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 операциями, 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°C индукционным током (рис. 63), после чего все обнаруженные трещины выплавлялись дугой постоянного тока 220—250 а электродами ЦМ-7 диаметром 4 лм/. Чтобы полностью гарантировать удаление трещин, выплавку производили на глубину, превышающую глубину трещин на 6—10 льи.

После выплавки трещин место разделки зачищали — проверяли, нет ли трещин, путем местного подмагничивания с нанесением на этот участок железного порошка. Подготовленное к заварке колесо турбины нагревали индукционными токами до температуры 250—280 °C. 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 а, 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 °C 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.