закаленная легированная сталь

Когда говорят ?закаленная легированная сталь? для энергетики, многие сразу представляют себе некий абстрактный ?суперматериал?, который просто обязан выдерживать всё. На деле же, особенно в турбостроении, это всегда компромисс и десятки ?но?. Та же сталь марки 25Х1М1Ф, что идёт на валы ЦВД, — классика, но каждый новый слиток, каждая новая парция поковки — это лотерея. Да, химия по ГОСТу, но макро- и микронеоднородность, наследственная ликвация... Всё это потом вылезает при механической обработке или, что хуже, уже в работе под нагрузкой. У нас на заводе был случай, кажется, в 2018 году, когда для одного из проектов по модернизации турбины К-160 пришлось заказывать поковку вала. Вроде бы всё по ТУ, но после черновой обточки и УЗК нашли зону с недопустимыми включениями. Пришлось срочно искать замену, а сроки горели. Вот тогда и понимаешь, что ?закаленная легированная сталь? — это не просто слова в спецификации, а целая история, которая начинается в сталеплавильном цеху и заканчивается только после выхода агрегата на номинальную мощность.

Не только марка, но и история обработки

Возьмём, к примеру, лопатки последних ступеней. Там нужна и прочность, и стойкость к эрозии. Материал — часто сталь 20Х13, легированная хромом, нержавеющая, закалённая. Но если неправильно выдержать режимы термообработки — отпуск, в частности, — получишь излишнюю хрупкость. Бывало, при вибрационных испытаниях опытных образцов лопатка давала трещину не в теле пера, а в хвостовике, как раз в зоне перехода. Анализ показал — не тот график отпуска, остаточные напряжения не сняты как следует. Пришлось переделывать всю партию.

Или другой аспект — сварка. Когда мы в ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование занимаемся капитальным ремонтом или модернизацией корпусов цилиндров, часто приходится наваривать изношенные посадочные места под бандажи. Основной металл — литая легированная сталь. Подобрать сварочные материалы и режимы — это отдельная наука. Сварил слишком ?жестко? — пошли трещины в околошовной зоне после остывания. Сделал многослойный шов с неправильным межпроходным подогревом — возникли зоны с непредсказуемой структурой, которые потом под действием термоциклирования могут стать очагом усталости. Тут не по учебнику, тут на ощупь, с опытом прошлых косяков.

Кстати, о модернизации. Часто старые советские турбины, те же ПТ-60/75, проектировались под определённые марки сталей, которые сейчас или не выпускаются, или их аналоги имеют немного другие свойства. Замена материала ?один в один? не всегда проходит гладко. Мы на https://www.chinaturbine.ru как раз часто сталкиваемся с такими задачами — не просто сделать деталь, а интегрировать её в существующую, часто усталую, конструкцию. Новая закаленная легированная сталь может иметь другой коэффициент линейного расширения или модуль упругости. Мелочь? На бумаге — да. А в собранном роторе под центрифужными нагрузками эта мелочь может привести к изменению зазоров или картины напряжений. Поэтому любая замена требует пересчёта, а лучше — натурных испытаний на стенде.

Контроль — это не только УЗК

Многие думают, что раз материал прошёл ультразвуковой контроль, то он идеален. УЗК — великая вещь, но он ищет относительно крупные дефекты. А как быть с микропластичностью или с остаточным аустенитом в структуре после закалки? Это уже под микроскопом, на металлографических шлифах, с травлением. Или контроль твёрдости по Бринеллю и Роквеллу. Бывает, что по всему объёму поковки твёрдость в норме, а в каком-то локальном месте ?просела?. Для ответственной детали, такой как диск турбины, это критично. Такой диск под нагрузкой может начать неравномерно деформироваться.

У нас был проект по поставке комплекта роторов для промышленного привода. Заказчик требовал повышенный ресурс. Поковки для дисков мы заказали у проверенного поставщика, но свой входной контроль ужесточили. Помимо стандартных проверок, выборочно делали рентгеноструктурный анализ для оценки уровня остаточных напряжений. В одной из поковок нашли аномалию. Пришлось вести переговоры с металлургами, выяснять причину — оказалось, сбой в системе охлаждения при ковке. Деталь забраковали. Зато тот ротор, который в итоге поставили, работает уже пятый год без намёка на проблемы. Это та самая ?рутина?, которая и определяет надёжность.

Ещё один момент, о котором редко пишут в статьях, — это следы механической обработки. Острая кромка резца, неправильная подача, плохая СОЖ — и на поверхности детали из высокопрочной легированной стали возникают микронадрывы, зоны наклёпа. Они становятся концентраторами напряжений. Особенно важно это для галтелей (радиусных переходов) в местах изменения сечения вала. Там напряжения и так высокие. Поэтому техпроцесс обработки, выбор инструмента, режимы резания — это продолжение контроля качества материала. Нельзя разделять металлургию и механику.

Реальность эксплуатации против лабораторных данных

Все сертификаты и паспорта дают свойства при нормальных условиях. А в реальной паровой турбине условия далеки от нормальных. Высокие температуры (до 565°С для современных установок), давление, влажный пар на последних ступенях, пусковые режимы с их термическими ударами. Закаленная сталь в таких условиях ?живёт? и постепенно меняется. Идёт процесс старения, ползучести, может развиваться термическая усталость.

При капитальном ремонте, который является одним из ключевых направлений нашей деятельности в ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование, мы постоянно видим эти последствия. Разбираешь турбину, которая отработала 100+ тысяч часов, и видишь, как микроползучесть изменила геометрию некоторых пазов в дисках под лопатки. Или обнаруживаешь сетку микротрещин на поверхности корпуса ЦВД от термоциклирования. Задача ремонтника — не просто заменить деталь, а оценить, исчерпала ли она ресурс, можно ли её восстановить и как новая деталь (из, возможно, улучшенной марки стали) поведёт себя в соседстве со старыми, уже ?уставшими? элементами конструкции.

Поэтому наша работа как интегрированного предприятия, занимающегося и производством, и ремонтом, даёт уникальный опыт. Мы видим полный жизненный цикл материала: от чертежа и заказа металла до его деградации через десятилетия службы. Это позволяет давать более обоснованные рекомендации по модернизации. Например, при замене рабочих лопаток в старом цилиндре иногда имеет смысл пойти на более дорогую сталь с добавлением ванадия или молибдена для повышения стойкости к ползучести, даже если оригинальный проект этого не предусматривал. Расчёт показывает, что это окупится увеличением межремонтного пробега.

Специфика для разных компонентов

Нельзя говорить о ?закаленной легированной стали? для турбины в целом. Для каждого узла — свои требования. Вал — это одно. Он работает в основном на кручение и изгиб, для него ключевы прочностные характеристики и сопротивление усталости. Диски — другое. Здесь огромные центробежные нагрузки, плюс температурный градиент от центра к ободу. Материал диска должен иметь высокий предел текучести и хорошую вязкость. А, например, для болтовых соединений фланцев корпусов нужна сталь, менее склонная к релаксации напряжений при высокой температуре, иначе стык потечёт.

В производстве парового турбинного оборудования для наших проектов мы часто используем стали типа 34ХН1М, 25Х2М1Ф, 15Х11МФ для разных деталей. Выбор зависит не только от нагрузки, но и от технологии изготовления. Та же 34ХН1М хорошо поддаётся ковке и последующей обработке, но требует очень внимательной термообработки. Малейшее отклонение — и вместо требуемой мелкозернистой сорбитной структуры получишь что-то с избытком феррита или, наоборот, с грубым зерном.

И здесь снова вспоминается практика. Однажды при монтаже турбоагрегата на одной из ТЭЦ возникла проблема с посадкой диска на вал. Диск после окончательной обработки и динамической балансировки был идеален. Но при прогреве перед насадкой (делали нагрев индуктором) что-то пошло не так. После остывания посадка оказалась слабее расчётной. Разбирались — виноват не сам материал, а локальный перегрев выше допустимого при монтаже, который привёл к отпуску и снижению предела текучести в зоне посадочной поверхности. Пришлось диск снимать, проверять, и, к счастью, обошлось без необратимых последствий — после повторной термообработки (правда, уже у нас в цеху) деталь пошла в работу. Этот случай теперь у нас в монтажном отделе как хрестоматийный — нельзя относиться к материалу как к чему-то статичному, он реагирует на каждое технологическое воздействие.

Вместо заключения: сталь как живой организм

Так что, возвращаясь к началу. Закаленная легированная сталь — это не панацея и не гарантия. Это основа, с которой нужно уметь работать. Её поведение определяется не только химическим составом из сертификата, а всей цепочкой: выплавка, разливка, ковка или прокатка, термообработка, механическая обработка и, наконец, условия эксплуатации. Пропустишь из виду один этап — получишь проблему, которая может проявиться через годы.

Наш опыт на площадке chinaturbine.ru, охватывающий и проектирование, и производство, и особенно капитальный ремонт и обслуживание, как раз и строится на этом понимании. Мы видим не просто детали, мы видим историю металла в каждой трещине, в каждом изменении микроструктуры, в каждом измеренном зазоре. Поэтому, когда мы предлагаем решение по модернизации или ремонту, мы опираемся не только на каталоги и стандарты, но и на этот практический, иногда горький, опыт. И следующий вал или диск мы сделаем уже с учётом всех тех ?но?, которые встретили раньше. В этом, наверное, и есть главная ценность — способность материала и людей, которые с ним работают, учиться на собственных следах.