Разрушение диска из-за металлургических дефектов
Описанную ниже аварию можно отнести к разряду уникальных по тому резонансу, который она вызвала. Перед аварией блок с турбиной К-300-240 ХТЗ работал нормально: активная электрическая нагрузка 288 МВт, давление свежего пара перед стопорными клапанами 23.3—23,7 МПа (мегапаскалей) и температура по четырем ниткам паропроводов соответственно 545, 545. 553 и 545°С.
Вибрация была в пределах нормы и только у пятого подшипника (рядом с аварийным диском) вертикальная ее составляющая равнялась 48, а поперечная — 64 мкм. До момента аварии турбина проработала 2542 ч. За это время было произведено 27 пусков и остановов турбины. Диск все время работал с укороченными лопатками.
В день аварии был ошибочно включен воздушный выключатель генератора и вслед за этим произошел взрыв и последовал сильный удар в ЦНД (цилиндр низкого давления). Позднее при разборе аварии комиссия пришла к выводу, что в момент аварии турбогенератор имел завышенные обороты, но не более 3450 об/мин.
В результате увеличения оборотов разорвался диск 5-й ступени III потока ЦНД. Четыре его куска пробили крышку корпуса турбины (рис. а,б), а самый большой (пятый) кусок влетел в конденсатор. Два куска диска были найдены на территории электростанции (рис. в), один, весом около 1400 кг, найден в степи на расстоянии 1 км от электростанции на глубине около 1,5 м от поверхности земли (рис. г), и один на берегу сбросного канала (рис. д).
В результате аварии оказались, перебиты в ряде мест перекрытия и стены машинного зала (рис.е). При восстановлении турбины пришлось заменить весь ЦНД.
Комиссия пришла к выводу, что причиной аварии явилось пониженное качество металла диска, так как разрушение диска, изготовленного из качественного материала, произошло бы, как показали ориентировочные расчеты, при частоте вращения ротора не менее 4300 об/мин.
Ультразвуковой контроль наклонными искателями позволил выявить в одном из кусков разрушенного диска нарушение сплошности эквивалентной площадью 100 X 60 мм2, расположенное на расстоянии 170—250 мм от торца со стороны паровпуска и 50 мм от расточки под углом 30° к оси.
В изломах диска были обнаружены участки металла с гладкой ровной поверхностью, которые были классифицированы как возможные очаги разрушения.
Диск был изготовлен из слитка весом 13.3 т невакуумированной стали 34ХНЗМ. Сталь выплавлялась в кислой питидесятитонной мартеновской печи.
Химический состав и механические свойства металла поковки в исходном состоянии удовлетворяли требованиям технических условий, за исключением результатов испытания одного образца на загиб, который дал трещину при угле загиба 55°. Но проведенное согласно техническим условиям повторное испытание на удвоенном числе образцов дало удовлетворительные результаты.
Контроль за качеством материала диска путем травления показал удовлетворительное его состояние: дефектов в виде трещин и флокенов не было обнаружено.
Серные отпечатки*, снятые с торца обода диска, были оценены 2 баллом шкалы Ново-Краматорского металлургического завода (НКМЗ). а снятые на поверхности внутреннего отверстия ступицы — 3 баллом, что удовлетворяло требованиям действующих в то время технических условий.
Чтобы выявить подлинную причину разрушения диска, потребовалось скрупулезно исследовать металл. В НПО ЦНИИТМАШ, ПОАТ ХТЗ, ВТИ и НПО ЦКТИ проведены комплексное исследование металла разрушенного диска, а также разгонные испытания двух аналогичных дисков, один из которых был диском 5-й ступени II потока той же турбины, а второй был изготовлен из стали той же плавки, что и разрушившийся, и подготовлен к установке в турбину.
При ультразвуковом контроле я первом диске выявлено несколько дефектов эквивалентным диаметром менее 2 мм, равномерно расположенных в поковке, во втором обнаружено около 70 дефектов эквивалентным диаметром 2 — 3 мм, неблагоприятно ориентированных (в радиально-осевой плоскости).
Разгонные испытания первого диска не привели к его разрушению даже при выдержке 20 мни при частоте вращения 3900 об/мин, второй диск разрушился при наборе оборотов примерно 3300 в минуту на пять основных частей (рис.и).
Осмотр кусков показал, что излом между двумя из них прошел через дефект, выявленный при УЗК и расположенный в радиально-осевой плоскости. Максимальная ширина дефекта (в направлении радиуса) 45 мм.
Поверхность излома в районе дефекта относительно гладкая с четкой границей, остальная часть — грубая с радиальными рубцами, расходящимися от очага. С приближением к поверхности диска рубцы становятся более регулярными, прямыми. Металл диска этих зон лучше прокован и прокален.
На других изломах этого диска также были обнаружены подобные дефекты, только меньшего размера. Характер разрушения диска, испытанного на установке для проведения разгонных испытаний, и аварийного — идентичен.
Серные отпечатки, снятые с поперечных сечений разрушенных дисков, также идентичны и выявили ликвидационные полосы протяженностью от 10 до 190 мм, шириной от 1 до 6 мм, тогда как в неразрушенном диске полос такого размера нет (максимальная ширина до 2 мм). Расположение дефектов в этих дисках совпадало с выходами ликвидационных полос на втулочное отверстие.
Металл разрушенных дисков характеризуется кроме этого общей сильной загрязненностью неметаллическими включениями, в основном сульфидами и силикатами. Сульфиды вытянуты в направлении деформации (ковки), их количество соответствует 3 — 5 баллам шкалы ГОСТ 1778-62 на сульфиды. Сульфиды и силикаты крупных размеров.
Ликвационная** неоднородность металла послужила основной причиной разрушения дисков. Традиционные виды испытаний металла не позволили отбраковать диски на заводе.
После описанной аварии были внесены существенные ИЗМЕНЕНИЯ В ТЕХНИЧЕСКИЕ условия на изготовление дисков по нормам загрязненности металла серой и фосфором, по механическим свойствам стали. Изменены режимы термической обработки дисков и введены дополнительные виды испытаний и контроля за металлом.
*Серный отпечаток — макрографический метод проверки распределения сульфидных включений путем наложения специальной бумаги, смоченной в кислоте, на полированную поверхность листа, предназначенного для проверки.
**Ликвацией называется возникающее при неравновесной кристаллизации неравномерное распределение элементов, химических соединений и других составляющих в металле.
По материалам: «Исследование изломов. Методические рекомендации и атлас повреждений деталей проточной части турбин». В.Ф. Резинских, Э.С. Гинзбург, А.М. Клыпина, М.М. Меламед, А.В. Качанов, В.А. Харчевников. Министерство топлива и энергетики РФ. Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт. М., 1993 г.
