Коррозия паровых турбин — причины и последствия
Металлы и сплавы, из которых изготавливаются компоненты оборудования в теплоэнергетике, во время хранения подвержены действию внешних факторов — пар, вода и воздух в машинном зале содержат частицы, вызывающие коррозию. В результате поверхностное окисление легких сплавов постепенно переходит вглубь кристаллической решетки, разрушая их структуру и снижая прочность.
Возникающие вследствие этого коррозионные повреждения представляют серьёзную опасность для механизмов, работающих на высоких оборотах, поскольку становятся концентраторами напряжений в металле, приводящими к деструктивным процессам.
Это может привести к катастрофическим последствиям, вплоть до дисбаланса/разрушения ротора и выхода из строя всей турбины.
Коррозия угрожает как вращающимся, так и неподвижным элементам турбины. Рабочие лопатки, втулки и диски под воздействием центробежных сил и высоких температур испытывают колоссальные динамические нагрузки, а окислы способствуют снижению упругости и разбалансировке. Статорные детали, сопловые лопатки, диафрагмы, направляющие ламели и обоймы при окислении теряют прочность.
Учитывая сложность конструкции и высокую стоимость ремонта или замены поврежденных деталей, проблема консервации для предотвращения коррозии приобретает первостепенное значение, особенно при наличии на поверхностях агрессивного налёта, который при увлажнении увеличивает скорость коррозионных процессов.
Современные методы консервации паровых турбин
Согласно техдокументации по консервации теплоэнергетического оборудования, для защиты от коррозии во время простоя применяются три основных способа консервации паровых турбин:
- предотвращение прямого контакта металлических деталей с воздухом при помощи инертного газа;
- химическое замедление коррозионных процессов введением контактных/летучих ингибиторов коррозии;
- уменьшение нагревом/осушением влажности воздуха до 30-60 % внутри турбоагрегатов по методическим указаниям РД 153-34.1-30.502-00 и 34-70-078-84.
Независимо от выбранного метода, при подготовительных работах необходимо тщательное дренирование внутренних полостей и трубопроводов оборудования. Если по прошествии времени простоя выходящие кромки направляющих лопаток нижних частей диафрагм повреждены сильнее верхних — это свидетельствует о наличии жидкости, т.е. недостаточном дренаже.
Что влияет на выбор метода консервации турбины:
- обеспечение простой и надёжной защиты от возникновения коррозии на протяжении всего времени бездействия — как на короткий срок, так и на длительный;
- снижение трудоёмкости и стоимости работ по консервации;
- свободный доступ для проведения работ по ремонту/обслуживанию законсервированного агрегата;
- минимум действий для последующей расконсервации и ввода в эксплуатацию;
- возможность быстрой и при необходимости многократной консервации/расконсервации силами персонала объекта без привлечения специалистов внешних подрядчиков;
- минимизация вредного воздействия процесса консервации на окружающую среду.
Хим. способ консервации паровой турбины ингибиторами коррозии
Использование ингибиторов коррозии — химических веществ, замедляющих или полностью прекращающих коррозионные процессы — один из наиболее распространенных способов защиты. Ингибиторы наносятся равномерным тонким слоем на все поверхности в виде тумана либо распылением, образуя тонкую защитную плёнку. Выбор конкретного ингибитора зависит от материала деталей и условий эксплуатации.
Во время подготовительных работ внутренние полости продуваются разогретым воздухом с растворенными в нём летучими парами веществ-ингибиторов атмосферной коррозии, которые конденсируются на прохладных металлических поверхностях. В результате кристаллы консервирующего состава создают равномерное покрытие. При этом оставшийся в турбине воздух также препятствует окислению, поскольку содержит в себе реагент.
Некоторые современные ингибиторы коррозии не требуют нагрева воздуха для приготовления смеси, поскольку возгоняются при невысокой температуре.
Отрицательная сторона данной методики — необходимость тщательной герметизации консервируемого пространства во избежание выброса в окружающую среду химических компонентов. В результате образуются зоны застоя продувки, и как следствие — неравномерное оседание ингибитора на различные участки турбины, что приводит к возникновению в недоступных местах очагов коррозии.
Также требуются дополнительные действия — по окончании консервационного периода все узлы необходимо промыть от антикоррозионного состава.
Помимо этого, некоторые антикоррозийные средства, защищая алюминий и его сплавы, приводят к окислению медных и медьсодержащих деталей. Поэтому применение ингибиторов избирательного действия (например, КЦА и НДА), имеет ограничения по использованию в теплоэнергетических установках.
Другой способ переноса консерванта — продувка через насыщенный ингибитором силикагель. Для этого на входе остывшей до 50 °С после просушки турбины устанавливают патроны с силикагелем, пропитанным летучим ингибитором. А на выходе — ёмкости с чистым силикагелем. Для просасывания воздуха используют пусковой или уплотнительный эжектор. После насыщения до концентрации 15 г/м³ эжекционный насос отключают, и устанавливают заглушки на входную и выходную части турбины.
Консервация летучим ингибитором применяется для остановки оборудования на период от недели до года. Летучие составы (например, ИФХАН) адсорбируются на предварительно очищенные поверхности и успешно защищают различные виды стали, латунь и медь от атмосферной и электрохимической коррозии, замедляя разрушающие процессы.
Консервация турбины азотом
Газовая изоляция металла от контакта с кислородом воздуха также является надёжным и эффективным методом. Это достигается путем заполнения полостей турбины инертным газом из баллонной рампы — например, азотом под избыточным давлением.
Такой подход наиболее эффективно предотвращает окисление металла, однако реализация этого метода может быть сложной и дорогостоящей, особенно для крупногабаритных турбин. Это связано с большим количеством мест потенциальной утечки и необходимостью их герметизации, что существенно увеличивает объём работ по консервации и последующей расконсервации.
Для исключения поступления кислородосодержащего воздуха снаружи, во время хранения нужно поддерживать давление выше атмосферного (как правило, 5-10 кПа). Поскольку обеспечить полную герметичность невозможно — необходима непрерывная подпитка, контроль и своевременное устранение свищей. В зависимости от состояния контурных уплотнений, трубопроводов, предохранительной и запорной арматуры утечки могут составлять от 2 до 10 кубометров в час — для обеспечения такого объёма подачи требуется собственное производство азота.
Рекомендуемые технологии борьбы с утечками, такие как использование различных герметиков, требуют значительных усилий по выявлению и устранению мест разуплотнения. Эти работы увеличивают время резервирования турбины, что в свою очередь создает дополнительные трудозатраты и негативное влияние на здоровье работников.
Если консервировать этим способом без герметизации концевых уплотнений, то, несмотря на нетоксичность азота, он вытесняет кислород из воздуха, что представляет опасность для технического персонала объекта.
Качество азотной консервации турбоустановки зависит от надёжности уплотнений и чистоты консервирующего азота. Поэтому этот метод оправдан при наличии кислородных установок, производящих концентрированный (> 99 %) азот. Его подводят после остановки турбины и вакуумного просушивания промежуточного пароперегревателя к тем же местам подключения, что и воздух.
Метод консервации с использованием нейтрального газа (азота), является достаточно экологичным, универсальным (может также применяться для бойлеров), эффективным и надёжным, но требует тщательной организации и значительных затрат.
Непрерывный контроль и поддержание герметичности системы — это важные аспекты, которые необходимо учитывать при планировании процесса консервации. Без должного внимания к этим вопросам эффективность консервации может оказаться значительно сниженной, что приведет к нежелательным последствиям для состояния оборудования в долгосрочной перспективе — например, коррозии концевых уплотнений.
Консервация турбины осушенным воздухом
Для защиты газовых турбин от стояночной коррозии достаточно обеспечить относительную влажность воздуха от 40 до 60 %. В случае наличия на элементах оборудования следов окисления или отложения солей нужно осушать до 35-45 %.
Снизить влажность воздуха до 40 % и ниже возможно несколькими способами.
Статическая сушка воздуха происходит внутри турбины. Гидрофильный сорбент помещают внутрь в специальных контейнерах. Главные минусы — отсутствие циркуляции осушенного воздуха в замкнутом пространстве, в проточной части турбины невозможно равномерно распределить адсорбент (силикагель, хлористый кальций, негашеную известь), требуется обслуживание (регулярная замена наполнителя).
Динамическая адсорбционная сушка предусматривает непрерывную подачу предварительно осушенного атмосферного воздуха в защищаемое оборудование с помощью воздухоосушительной установки. В качестве адсорбента используются кассеты с химическим сорбентом или ротор с ячейками, наполненными силикагелем. Недостатком является необходимость регулярной замены или регенерации влагопоглотителей, что усложняет обслуживание.
Вымораживание влаги в конденсационных осушителях-рефрижераторах потребляет меньше энергии, чем воздухонагреватели, но удельное потребление больше — около 2,5 Вт/м³. Осушитель охлаждает воздух ниже точки росы, происходит конденсация влаги — вентилятор забирает из машинного отделения влажный воздух, фильтрует его, и подает на охлаждающий испаритель. Затем воздух нагревается в конденсаторе — количественное влагосодержание остается неизменным, а относительная влажность снижается. При прохождении полного цикла охлаждение-подогрев температура воздуха незначительно повышается относительно исходной.
Мобильные консервационные воздухоосушительные установки JUVTEK Tornado DRY работают автоматически, поддерживая заданную влажность в консервируемом пространстве. Все компоненты — фильтр, вентилятор, испаритель, конденсатор, компрессор, ШУ (шкаф управления с контрольной панелью) и вспомогательные элементы смонтированы одним блоком на раме с колесами.
Управление осуществляется с фронтальной панели шкафа. Предусмотрена защита от короткого замыкания, перегрева компрессора, перегрузки электродвигателя вентилятора, разгерметизации контура циркуляции хладагента. Имеется сигнализация об обмерзании испарителя и загрязнении фильтра.
Продувка турбины нагретым воздухом от электрокалориферной установки — наиболее простой и быстрый способ консервации. Подходит для защиты от коррозии любых материалов (в т.ч. медь, бронза, латунь, сталь, алюминий, чугун).
В основе — свойство снижения относительной влажности воздуха при повышении его температуры, нагретый воздух хорошо впитывает влагу. Степень нагревания определяется влажностью воздуха на входе в нагреватель и на выходе из проточной части.
Данный метод обеспечивает быструю консервацию и последующий ввод в работу турбинного оборудования, поскольку не требует использования реагентов, полной герметизации и высокой квалификации персонала. Что особенно актуально при необходимости проведения испытаний во время ремонта или краткосрочного консервирования.
Из недостатков — повышенное энергопотребление нагревателя на начальном этапе, поддержание оборудования в нагретом состоянии (около 60 °C) требует значительных затрат энергии, необходим большой расход подогретого воздуха для исключения конденсирования влаги на внутренних холодных поверхностях.
Поскольку равномерный нагрев воздуха во всем объеме турбоустановки затруднен, и воздух, проходя через турбину, остывает и увлажняется, то для предотвращения коррозии на выходной части, на вход требуется подавать сильно пересушенный воздух в большом количестве — иначе существует риск переноса избыточной влаги из прогретых зон в холодные, где она конденсируется.
Помимо этого, необходимо правильно организовать схему продувки во избежание возникновения застойных участков и охлаждения воздуха до точки росы в плохо проветриваемых зонах, что может вызывать образование конденсата и, как следствие, усиление коррозии.
Современные воздухонагревательные консервационные установки ЮВТЕК просты в использовании, энергоэффективны, и лишены большинства недостатков «тепловых пушек». Грамотно спроектированная схема продувки, высокая производительность и быстрый нагрев обеспечивают влажность воздуха 15-20 % на входе турбины и 25-30 % на выходной части конденсатора.
В автоматизированных консервационных воздухонагревательных установках JUVTEK Tornado энергопотребление снижено благодаря многоступенчатому нагреву, интеллектуальному контролю влажности и автоматическому регулированию подогрева. Удельное потребление электроэнергии установками составляет всего 1,3-1,5 Вт на кубический метр нагреваемого воздуха.
В начале консервации, в режиме сушки, энергопотребление максимально. По мере снижения влажности воздуха на выходе турбины до 30-35 %, установка автоматически переходит в режим консервации с меньшим энергопотреблением и постоянной продувкой внутренних полостей турбины и конденсатора.
Ключевыми преимуществами консервационных воздухонагревательных установок, использующих большой объем воздуха для продувки, являются:
- быстрый выход на режим консервации — менее чем за сутки;
- высокая эффективность удаления влаги, в пять раз превышающая адсорбционные и морозильные осушители;
- способность эффективно осушать не только проточную часть цилиндров, но и конденсаторы.
Консервация воздухом — современный и экологичный метод консервации паровых турбин
Воздушная консервация является простым, эффективным и доступным методом для газовых турбин. Потому что использование воздуха позволяет отказаться от химических реагентов, упрощая подготовку оборудования к пуску и уменьшая сброс сточных вод.
Как нагретый, так и осушенный воздух позволяет:
- контролировать влажность и поддерживать ее в диапазоне 35-45 %, снижая скорость коррозии;
- начинать консервацию сразу после остановки, предотвращая окисление;
- защищать внутренние поверхности от коррозии без химикатов на полгода и более;
- проводить ремонтные работы на законсервированном оборудовании без расконсервации;
- при необходимости быстро вводить в эксплуатацию законсервированный агрегат.
Поэтому консервация осушенным воздухом широко применяется в мировой практике, в том числе на предприятиях энергетической отрасли в России и странах СНГ.
