Thanh Sơn biên dịch, bản quyền baoduongcokhi.com
INTEGRATED APPROACH TO GAS TURBINE ROTOR CONDITION ASSESSMENT AND LIFE MANAGEMENT
Tác giả:
John Scheibel / Viện Nghiên cứu Điện lực (EPRI)V. P. "Swami" Swaminathan / TurboMet International
GII J Dean / AccTTech, LLC
------------------------------------
TÓM TẮT
Các nhà sản xuất turbin (OEM) đặt
ra giới hạn về tuổi thọ sử dụng của các rotor/đĩa cánh turbin khí (GT) cũ dựa
trên số giờ hoạt động hoặc số chu kỳ khởi động. Những giới hạn này được dựa
trên các tính toán thiết kế và quy ước bảo trì, nhưng hiếm khi tính đến đầy đủ
lịch sử vận hành thực tế của từng tuabin khác nhau. Một số lượng đáng kể các
rotor turbin khí bị loại bỏ hoặc được lên kế hoạch thay thế trong các đợt bảo
trì tương lai. Một số turbin gặp phải hư hỏng sớm dẫn đến việc thay thế các bộ
phận. EPRI đã tiến hành đánh giá kim loại học trên các đĩa cánh đã loại bỏ để
hiểu cơ chế khởi phát và lan truyền vết nứt cũng như phân tích kỹ thuật cấu
trúc chi tiết để xác định nguyên nhân gốc rễ của hư hỏng. Các ví dụ về nghiên cứu
đánh giá tình trạng rotor và tuổi thọ còn lại được trình bày trong bài viết
này.
GIỚI THIỆU VÀ BỐI CẢNH
Trong lịch sử, tuổi thọ của rotor
GT được coi là kéo dài hàng thập kỷ, phù hợp với một bộ phận cấu trúc chính của
đơn vị. Không giống như chu kỳ sửa chữa và thay thế định kỳ cho các bộ phận đường
dẫn khí và buồng đốt, rotor gây ra các vấn đề bảo trì đáng kể cho chủ sở hữu
khi phải vận chuyển các rotor lớn, nặng đến các cơ sở hạn chế có khả năng tháo
rời.
Các OEM hiện nay đã xác định tuổi
thọ thiết kế ngắn hơn đáng kể so với kỳ vọng ban đầu hoặc bắt buộc kiểm tra
tháo rời định kỳ lớn đối với cấu trúc rotor. Hư hỏng rotor sớm có thể dẫn đến
chi phí lớn không kế hoạch liên quan đến các đợt ngừng hoạt động kéo dài khi
không có rotor dự phòng. Các OEM đã ban hành một số chỉ thị cho chủ sở hữu
turbin về những vấn đề này và đưa ra khuyến nghị. Chi phí đầy đủ của một hư hỏng
rotor nghiêm trọng bất ngờ có thể vượt quá 10 triệu USD cùng với việc gián đoạn
đáng kể đến khả năng hoạt động của nhà máy.
Do rotor chứa năng lượng động học đáng kể, sự cố đột ngột của các bộ phận quay có thể gây ra nhiều rủi ro an toàn cho nhân viên và thiết bị. Một ví dụ về sự thiếu hụt đáng kể trong tuổi thọ rotor kỳ vọng là nứt rãnh chốt ở vành đĩa cánh turbin cấp 1 và cấp 2 của GE F-Class, như thể hiện trong Hình 1. Những sự cố này có thể xảy ra trong chưa đầy 50.000 giờ và có thể gây thiệt hại hàng triệu đô la cho các bộ phận đường dẫn khí. Các ví dụ gần đây khác bao gồm nứt rãnh chốt rotor nén phía sau của GE trên cả turbin E-Class và F-Class, dẫn đến việc thay thế một số đĩa cánh nén Cấp 17. Các turbin Siemens V-X4.X Class cũng được xác định có tuổi thọ ngắn hơn đáng kể do sự giòn hóa sớm của đĩa cánh turbin $12Cr$. Một sự cố hỏng liên quan đến bu-lông nối nén trên Siemens-Westinghouse 501F đã gây ra thiệt hại lớn cho đường dẫn dòng chảy và rotor. Các turbin Alstom 11N cũng đang trải qua việc nghỉ hưu sớm hoặc tái chế tại xưởng do các vấn đề thiết kế giới hạn tuổi thọ rotor turbin, chẳng hạn như nứt ở kênh làm mát L-bore của turbin. Tuy nhiên, đến nay, hư hỏng rotor chưa dẫn đến sự cố thảm khốc hoàn toàn và ảnh hưởng đến an toàn.
Nhiều tiện ích nhận ra nhu cầu
hành động chủ động trong việc quản lý tuổi thọ đội turbin của họ với an toàn, độ
tin cậy và lợi ích chi phí là mối quan ngại chính. Việc cân bằng các khía cạnh
này trong quản lý nhà máy điện đòi hỏi xem xét các khuyến nghị của OEM cũng như
kiến thức, chuyên môn và công nghệ có sẵn từ các nhà cung cấp dịch vụ kỹ thuật
độc lập. Chương trình rotor của EPRI đã phát triển công nghệ và phương pháp để
cung cấp một cách tiếp cận tích hợp nhằm đánh giá tình trạng và quản lý tuổi thọ
rotor turbin khí. Các phương pháp này cung cấp cho chủ sở hữu turbin một đánh
giá độc lập về tuổi thọ còn lại với cơ sở kỹ thuật cụ thể cho rotor được xác định.
CƠ CHẾ HƯ HỎNG ROTOR VÀ CUỐI VÒNG
ĐỜI (ROTOR DAMAGE MECHANISMS AND END OF LIFE)
Có sự biến thiên đáng kể về điều
kiện từ đầu vào máy nén đến đầu ra turbin. Các biến số quan trọng ảnh hưởng đến
cơ chế hư hỏng bao gồm nhiệt độ, ứng suất, độ ẩm, các biến số môi trường bên
ngoài khác như việc đưa hơi nước hoặc nước vào để kiểm soát NOx và tăng công suất,
phương pháp rửa, sử dụng hóa chất, biến đổi trong thành phần nhiên liệu, cấu
hình làm mát bên trong rotor, các vùng tập trung ứng suất như góc nhọn, mức độ
nghiêm trọng của phương pháp khởi động-dừng và các chuyến ngắt bất ngờ. Các cơ
chế hư hỏng tiềm năng và đã quan sát được trên rotor GT là rất nhiều. Có một số
loại hư hỏng. Bảng dưới đây xác định các loại hư hỏng leo thang trong rotor
turbin khí.
Bảng 1. Các loại hư hỏng trong
rotor
|
Hư hỏng |
Ví dụ |
Hậu quả |
Giai đoạn
nghiêm trọng |
|
Có thể sửa chữa |
Hư hỏng cục bộ/ ghép nối rabbet
thay đổi kích thước. |
Chi phí bảo trì thay đổi |
Sớm |
|
Không sửa chữa được |
Nứt sâu |
Chi phí thay thế sớm, trì hoãn
ngừng hoạt động |
Giữa vòng đời |
|
Bung ra/tách ra - Có kiểm soát |
Hỏng chốt rãnh |
Thiệt hại lan rộng, thời gian
ngừng hoạt động kéo dài |
Giữa vòng đời |
|
Bung ra/tách ra - Không kiểm
soát |
Vỡ đĩa cánh/vỏ máy |
Nhà máy và nhân viên bị thương,
mất mát CT, kiện tụng |
Đến muộn |
Ghi chú: Rabbet (hay còn gọi
là mộng lắp ghép rabbet) là một loại kết nối cơ học được sử dụng trong rotor
turbin khí để gắn các bộ phận khác nhau của rotor, chẳng hạn như các đĩa
(discs), đoạn nối (spacers), hoặc trục (shaft).
Các cơ chế hư hỏng khác nhau hoạt
động ở các phần khác nhau của turbin như liệt kê dưới đây:
- Biến đổi tính chất vật liệu và suy giảm do dịch vụ
- Khởi phát nứt mỏi chu kỳ thấp ở các vị trí quan trọng
- Hư hỏng do từ biến ở các vùng nhiệt độ cao
- Hư hỏng do mài mòn và mỏi mài mòn tại các vị trí
vành
- Mỏi chu kỳ cao tại vành do rung động bất thường
- Oxy hóa, mài mòn và ăn mòn của các phần và giao diện
chính
- Tăng trưởng nứt trong quá trình dịch vụ từ khởi
phát hoặc khuyết tật ban đầu
- Giảm khả năng chịu gãy do giòn hóa vật liệu
- Tải trọng bất thường vượt quá thông số thiết kế
- Các hiệu ứng khác như hư hỏng do cấu trúc lân cận
hoặc phương pháp bảo trì
- Hư hỏng cơ học tiến triển do sửa chữa và lắp ráp
không đúng
Một bản đồ tổng quát về một số cơ
chế hư hỏng phổ biến trong các bộ phận turbin khí được thể hiện trong Hình 2.
Tùy thuộc vào vị trí và điều kiện dịch vụ, cơ chế khởi phát và lan truyền nứt của
rotor và đĩa cánh có thể thay đổi. Trên các đĩa cánh máy nén, rỗ ăn mòn, nứt do
ứng suất ăn mòn, khởi phát và tăng trưởng nứt mỏi chu kỳ thấp (LCF), nứt mỏi
chu kỳ cao (HCF) của các điểm gắn lưỡi dao có thể giới hạn tuổi thọ sử dụng. Ở
phía turbin phần nóng, các cơ chế hư hỏng bao gồm khởi phát và tăng trưởng nứt
do từ biến, mỏi chu kỳ thấp và hư hỏng mỏi nhiệt (TMF), giòn hóa, v.v. Các cơ
chế hư hỏng khác bao gồm nứt rãnh chốt vành do đóng cọc quá mức, nứt mặt bích
do cả HCF và LCF, rung động do trượt mặt bích/đinh vít, nứt rãnh sớm, v.v.
Trong cùng một đĩa cánh, các cơ
chế hư hỏng khác nhau tùy thuộc vào vị trí. Ví dụ, ở đĩa cánh máy nén, khu vực
gần lỗ trục chịu ứng suất tiếp tuyến và chu vi cao. Ngay cả một khuyết tật nhỏ ở
khu vực gần lỗ trục (bore) về lý thuyết cũng có thể phát triển đến kích thước nứt
tới hạn dẫn đến gãy giòn nhanh trong điều kiện khởi động lạnh. Tại các vị trí gắn
lưỡi dao ở ngoại vi, cơ chế hỏng có thể là khởi phát và lan truyền nứt mỏi chu
kỳ cao, rỗ ăn mòn, ăn mòn khe và nứt do ứng suất ăn mòn. Ví dụ về rỗ ăn mòn trên
đĩa máy nén và nứt rãnh chốt được thể hiện trong Hình 3.
Nứt tại khe cấp khí đầu vào của
turbin Frame FA được thể hiện trong Hình 4.
Trong trường hợp đĩa turbin, các
cơ chế hỏng có thể là khởi phát và tăng trưởng nứt từ khu vực lỗ trục do ứng suất
mỏi nhiệt; khởi phát và tăng trưởng nứt do từ biến từ vành, cổ và vị trí rãnh
chốt (Hình 1). Các vị trí nơi các đĩa lắp ráp giao diện với thanh nối hoặc trục
liền kề, chẳng hạn như khớp nối rabbet, là những vị trí chính cho nứt do mỏi.
Do đó, một nghiên cứu đánh giá tình trạng và tuổi thọ còn lại của rotor turbin
khí cần tính đến các vị trí và cơ chế hỏng tương ứng này. Các phương pháp kiểm
tra không phá hủy (NDE), các bước đánh giá tình trạng tại chỗ, lấy mẫu vật liệu,
chọn tính chất và mô hình đánh giá tuổi thọ, phân tích cấu trúc đòi hỏi phải
xem xét cẩn thận các cơ chế hỏng khác nhau để đảm bảo tính toàn vẹn và đánh giá
tuổi thọ còn lại. Tất nhiên, lịch sử vận hành trong quá khứ và chu kỳ nhiệm vụ
tương lai của turbin là cần thiết trong quy trình đánh giá tuổi thọ tích hợp
này.
ĐỊNH NGHĨA "CUỐI TUỔI THỌ
HỮU ÍCH"
Định nghĩa về "cuối tuổi thọ
hữu ích" thay đổi tùy thuộc vào quan điểm và ưu tiên của người dùng trong
triết lý quản lý tuổi thọ rotor tổng thể của họ. Ba yếu tố chính được xem xét để
xác định cuối tuổi thọ là lịch sử nhà máy, hiệu suất và kiểm tra. Phân tích kỹ
thuật (NDE, vật liệu và phân tích cấu trúc), các biến số vận hành turbin, mối
quan ngại an toàn, phân tích kinh tế và biện minh, v.v., đóng vai trò quan trọng
trong việc quyết định cuối tuổi thọ hữu ích. Một cuộc thảo luận chi tiết về chủ
đề này nằm ngoài phạm vi của bài báo này. Người đọc được tham khảo Tài liệu
tham khảo 1 để biết các định nghĩa khác nhau về hỏng và tiêu chí cuối tuổi thọ.
TIÊU CHÍ CUỐI TUỔI THỌ DỰA
TRÊN THIẾT KẾ CỦA OEM
Tuổi thọ thiết kế rotor là cụ thể
cho từng mẫu turbin và OEM như thể hiện trong Bảng 2. Ví dụ, TIL 1576 của GE
tuyên bố rằng cuối tuổi thọ của rotor E-class là khi đạt 5000 lần khởi động được
tính toán hoặc 200.000 giờ được tính toán. Các OEM khác không thực sự tuyên bố
trước về cuối tuổi thọ, để lại việc xác định đó cho các cuộc kiểm tra định kỳ
theo lịch trình. Cuối tuổi thọ có thể chỉ giới hạn ở một số bộ phận rotor nhất
định như bu-lông hoặc đĩa, đặc biệt ở những nơi thiết kế đã được nâng cấp. Sự
không chắc chắn trong thiết kế và phân bố thống kê của các tính toán tuổi thọ
thường bị đánh giá thấp. Giới hạn tuổi thọ dựa trên thông tin thiết kế độc quyền,
dữ liệu vật liệu và lịch sử đội turbin do OEM giữ và không được chia sẻ công
khai với người dùng turbin.
Bảng 2. Tiêu chí cuối vòng đời
(End of life) được sử dụng bởi các OEM lớn
|
GE - E và F
Class: |
Siemens dòng V
Machines E và F Class: |
Siemens -
(Westinghouse 501) D/E và F: |
MHI G-Class: |
|
(lần khởi động
/ giờ) E-Class:
5.000 / 200.000 F-Class:
5.000 / 144.000 Không kéo dài:
GE không cho phép kéo dài tuổi thọ vượt quá các giới hạn này. |
Kiểm tra lớn
lần thứ 2: 3000 lần khởi động / 100.000 giờ Có thể kéo
dài thêm: 3000 / 100.000 giờ |
Kiểm tra lớn
(Major Inspection): 3600 lần khởi động / 100.000 giờ Có thể kéo
dài thêm: 3600 lần khởi động / 100.000 giờ |
Major
Inspection lần thứ 2: 3200 lần khởi động / 100.000 giờ Có thể kéo
dài thêm: 3200 lần khởi
động / 100.000 giờ |
Một cách tiếp cận điển hình của
OEM là áp dụng các giá trị tối thiểu cho toàn bộ kích thước đội turbin và do đó
bảo vệ đơn vị trường hợp xấu nhất. Dựa trên sự phân tán dự kiến cho các biến số
kỹ thuật, đơn vị trung bình nên kỳ vọng tuổi thọ hữu ích dài hơn đáng kể. Điều
này được thể hiện bởi Hình 5 và là cơ sở cho hầu hết các chương trình kéo dài
tuổi thọ được thiết kế.
Ví dụ, đối với turbin khí công
nghiệp GE MS5001 class, tuổi thọ hữu ích được tuyên bố là 5.000 lần khởi động
được tính toán và 200.000 giờ được tính toán với tối đa một khoảng thời gian bổ
sung 50.000 giờ được tính toán dựa trên tháo rời và kiểm tra. Những tiêu chí
này được thiết lập cho rotor E-class bởi GER-3620, TIL-1576 và ETC-068. GE
không cung cấp thêm tuổi thọ dịch vụ nào ngoài 5.000 lần khởi động được tính
toán. Các hạn chế áp dụng cho cả rotor máy nén và turbin. Hơn nữa, không có yếu
tố bảo trì dựa trên lần khởi động được cung cấp cho rotor ngoài F-Class. Tình
huống này khiến chủ sở hữu turbin không thể tính toán các lần khởi động được
tính toán. Do đó, một số chủ sở hữu turbin GT của E-class đối mặt với giới hạn
tuổi thọ 5.000 lần khởi động đã tự mình tái xác nhận rotor cho dịch vụ kéo dài
bằng cách sử dụng các nguồn lực độc lập.
CƠ CHẾ SUY GIẢM VẬT LIỆU VÀ ẢNH
HƯỞNG ĐẾN TUỔI THỌ ROTOR
Có một số hợp kim được sử dụng
trong sản xuất turbin khí. Tùy thuộc vào nhiệt độ vận hành và môi trường, các
thành phần hóa học, xử lý nhiệt và độ bền khác nhau được lựa chọn. Thép hợp kim
thấp như 2-3.5NiCrMoV và thép 1CrMoV thường được áp dụng cho đĩa máy nén. Đối với
đĩa turbin phần nóng và rotor lắp ráp, các hợp kim 1CrMoV, 12Cr và trong một số
trường hợp hợp kim INCO (IN-706 và IN-718) với thành phần khác nhau được sử dụng
bởi các nhà sản xuất Mỹ và châu Âu. Khi rotor tiếp xúc với môi trường vận hành
và nhiệt độ cao trong thời gian dài, tính chất vật liệu rotor cuối cùng sẽ suy
giảm. Điều quan trọng là phải tính đến sự suy giảm tính chất này trong việc thực
hiện các tính toán đánh giá tuổi thọ còn lại. Độ cũ của vật liệu và độ sạch có
thể ảnh hưởng đến tính chất vật liệu và đặc tính lão hóa. Mức độ các nguyên tố
dư như phốt pho, lưu huỳnh, antimon và thiếc đóng vai trò quan trọng trong khả
năng giòn hóa của thép. Các hợp kim cũ (trước năm 1980) dễ bị ảnh hưởng hơn do
hàm lượng tạp chất cao hơn. Vật liệu rotor thế hệ gần đây sạch hơn và ít nhạy cảm
với vấn đề này hơn. Một số cơ chế suy giảm vật liệu do tiếp xúc với dịch vụ được
liệt kê dưới đây:
- Thay đổi cấu trúc vi mô kim loại
- Mềm hóa vật liệu và giảm độ cứng
- Giảm cường độ chảy và cường độ kéo
- Giảm độ bền từ biến
- Giảm độ bền mỏi chu kỳ thấp
- Tăng tốc độ tăng trưởng nứt dẫn đến tuổi thọ thấp
hơn
- Tăng nhiệt độ chuyển tiếp từ dẻo sang giòn (nhiệt độ
chuyển đổi hình dạng gãy, FATT)
- Giảm độ dai gãy dẫn đến tăng nguy cơ gãy giòn
Một trong những phương pháp đáng
tin cậy nhất để thu thập tính chất vật liệu là tiến hành cắt phá hủy các rotor
và đĩa đã nghỉ hưu và thực hiện các thử nghiệm kim loại học và cơ học khác nhau
để thu thập các tính chất quan trọng. EPRI đã thu thập nhiều đĩa rotor như vậy
sau khi nghỉ hưu và đang tiến hành các thử nghiệm kim loại học và cơ học khác
nhau để thu thập dữ liệu cần thiết nhằm áp dụng trong các chương trình đánh giá
tuổi thọ của chúng tôi. Các tính chất thu được bao gồm độ bền kéo, va đập
Charpy (FATT), độ dai gãy, tăng trưởng nứt, tính chất mỏi chu kỳ thấp và từ biến.
Các thử nghiệm vật liệu từ các vị trí chịu ứng suất cao như các trụ rãnh hình
cây thông được tiến hành để điều tra sự hiện diện hoặc vắng mặt của hư hỏng cục
bộ do dịch vụ dài hạn. Các vật liệu đĩa bao phủ toàn bộ phạm vi chế độ vận hành
dịch vụ từ số giờ/lần khởi động thấp đến số giờ cao (vượt quá 300.000 giờ) và số
lần khởi động cao (vượt quá 5.000 lần khởi động) được đánh giá và thử nghiệm để
thu thập tính chất vật liệu.
ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG VÀ TUỔI THỌ
ROTOR TÍCH HỢP
Một cách tiếp cận tích hợp kết hợp
các ngành kỹ thuật quan trọng và lịch sử vận hành nhà máy là cần thiết để tiến
hành đánh giá tình trạng và tuổi thọ còn lại thực dụng của rotor. Bốn lĩnh vực
này được minh họa trong Hình 6. Tất cả bốn thành phần này đều quan trọng và
đóng vai trò quan trọng như nhau trong bất kỳ chương trình đánh giá tuổi thọ
rotor nào.
Kích thước và Kiểm tra Không
Phá hủy
Kích thước của các bộ phận rotor
thay đổi trong suốt vòng đời của turbin. Có nhiều lý do cả về mặt kim loại học
và cơ học góp phần vào những thay đổi này theo thời gian. Các đặc điểm kích thước
của từng bộ phận được đặc trưng và mô hình được chuẩn bị bằng thiết kế hỗ trợ
máy tính (CAD). Các đặc điểm kích thước đo được giúp xác minh liệu các dung sai
kích thước quan trọng có bị lệch theo thời gian do ứng suất nhiệt của turbin
khí hoạt động trong tải chu kỳ hay không. Các phép đo kích thước được thực hiện
bằng máy đo tọa độ (CMM) và sau đó được chuyển đổi thành mô hình CAD. Độ chính
xác mà hoạt động này được thực hiện sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của các đánh
giá tính toàn vẹn cấu trúc và tuổi thọ còn lại tiếp theo. Một số kích thước
quan trọng này được liệt kê dưới đây:
A. Đĩa cánh turbin - tất cả
các cấp - đường kính, độ lệch và độ phẳng là các kích thước quan trọng
- Khớp nối rabbet
- Lỗ trục
- Mặt vòng bu-lông
- Bu-lông và lỗ bu-lông
- Khớp nối rãnh chốt lưỡi dao - đo và đánh giá mất
mát vật liệu do mài mòn/ăn mòn
B. Bộ phận đệm turbin
- Mộng ghép nối rabbet
- Lỗ trục
- Mặt vòng bu-lông
- Lỗ bu-lông
- Đặc điểm vòng đệm đường kính ngoài
Công cụ thích hợp với độ chính
xác và độ nhạy cao được sử dụng để đo các kích thước này tại hiện trường hoặc tại
cơ sở đại tu. Cả hệ thống tiếp xúc và không tiếp xúc đều được sử dụng cho mục
đích này.
Đánh giá Không Phá hủy (NDE)
NDE là một phần không thể thiếu của
bất kỳ chương trình đánh giá tình trạng và tuổi thọ còn lại nào. Chúng tôi tuân
theo phác thảo chung dưới đây:
A. Đĩa cánh turbin (wheel)
- Kiểm tra trực quan và hạt từ huỳnh quang (MT) trên
tất cả các bề mặt
- Kiểm tra siêu âm (UT) của khu vực lỗ trục, mạng và
vành
- Kiểm tra dòng điện xoáy (ET) của lỗ bu-lông xuyên
qua và rãnh chốt vành
B. Bộ phận đệm turbin
- Kiểm tra trực quan và hạt từ huỳnh quang (MT) trên
tất cả các bề mặt
- Kiểm tra siêu âm (UT) của lỗ trục
- Kiểm tra dòng điện xoáy (ET) của lỗ bu-lông xuyên
qua
Đánh giá Kim loại học
A. Đĩa cánh turbin
- Khu vực lỗ trục - bản sao cho đánh giá cấu trúc vi
mô, thử nghiệm độ cứng
- Khu vực vành/rãnh chốt - bản sao cho thay đổi cấu
trúc vi mô và đánh giá hư hỏng vật liệu và thử nghiệm độ cứng
B. Bộ phận đệm turbin
- Khu vực lỗ trục - bản sao cho đánh giá cấu trúc vi
mô, thử nghiệm độ cứng
- Khu vực vành/vòng đệm - bản sao cho đánh giá cấu
trúc vi mô, thử nghiệm độ cứng
Việc chỉ sử dụng kết quả của NDE
để đưa ra quyết định về đĩa cánh/rotor là không thận trọng vì một số điều kiện
chất lượng bên trong và khuyết tật có thể bị bỏ sót trong quá trình kiểm tra sẽ
ảnh hưởng bất lợi đến tính toàn vẹn và tuổi thọ còn lại của rotor.
Tính chất Vật liệu Quan trọng
và Thử nghiệm
Một số tính chất vật liệu và
phương pháp đánh giá tuổi thọ được phát triển cho rotor turbin hơi trong nhiều
thập kỷ dưới các chương trình EPRI khác nhau cũng áp dụng được cho rotor turbin
khí GT. Những hợp kim này tương tự nhưng cũng có sự khác biệt về thành phần hóa
học và xử lý nhiệt được áp dụng để sản xuất đĩa rotor GT. Do đó, người ta phải
thận trọng trong việc lựa chọn các tính chất phù hợp để áp dụng trong các mô
hình dự đoán tuổi thọ. TurboMet International có kinh nghiệm sâu rộng trong các
hợp kim turbin hơi và khí - sản xuất, thành phần hóa học, xử lý nhiệt, suy giảm
tính chất, v.v.
Các tính chất vật liệu quan trọng
được sử dụng trong đánh giá tính toàn vẹn và tuổi thọ còn lại của rotor bao gồm:
- Hóa học
- Biến đổi độ cứng tại các vùng khác nhau
- Độ bền kéo (Cường độ chảy & Cường độ kéo, %EI
và %RA)
- Tính chất va đập Charpy (thay đổi FATT)
- Độ dai gãy, KIc và JIc
- Tăng trưởng nứt (da/dN và da/dt)
- Mỏi chu kỳ thấp (có và không có thời gian giữ)
- Biến dạng từ biến, độ bền từ biến và Độ dẻo
Một cơ sở dữ liệu vật liệu tốt là
cần thiết để thực hiện các dự án như vậy và đang được phát triển trong chương
trình này từ các đĩa đã nghỉ hưu cũng như sử dụng các mẫu nhỏ thu thập từ các
đĩa đang hoạt động.
Trong trường hợp không có dữ liệu
như vậy, người ta giả định các tính chất rất bảo thủ có thể dẫn đến các khuyến
nghị sai lầm. Nhiều tính chất này là hàm mạnh của nhiệt độ. Các mối tương quan
tính chất giữa mẫu nhỏ và mẫu lớn đang được thiết lập để hỗ trợ việc chiết xuất
và sử dụng mẫu nhỏ nhằm thu thập các tính chất vật liệu cần thiết từ rotor thực
tế đang được đánh giá.
Phương pháp Dự đoán Tuổi thọ
và Thuật toán
Do rotor và đĩa cánh có kích thước
phần tương đối lớn, tổng tuổi thọ của các bộ phận này được xác định bởi cả tuổi
thọ khởi phát nứt và tuổi thọ lan truyền nứt. Như đã thảo luận trước đó, nứt có
thể khởi phát dưới điều kiện từ biến hoặc từ biến-mỏi, mỏi chu kỳ thấp hoặc mỏi
chu kỳ cao trong các đĩa cánh turbin. Rỗ ăn mòn, ứng suất ăn mòn, mỏi chu kỳ thấp
và mỏi chu kỳ cao có thể hoạt động trong rotor và đĩa cánh máy nén. Mặc dù có tất
cả các tiến bộ công nghệ, rất khó để dự đoán chính xác khi nào một vết nứt sẽ
khởi phát và lan truyền thành một vết nứt có kích thước kỹ thuật trước khi nó
có thể được phát hiện bởi các phương pháp NDE. Một yếu tố quan trọng cần xem
xét là khả năng của các hệ thống kiểm tra được sử dụng. Độ nhạy phát hiện nứt/khuyết
tật và khả năng định cỡ khuyết tật của các hệ thống kiểm tra này rất khác nhau.
Một trong những mục tiêu chính của việc tiến hành đánh giá tính toàn vẹn và tuổi
thọ còn lại của rotor và đĩa cánh là thiết lập các khoảng thời gian kiểm tra lại
an toàn để ngăn ngừa các sự cố thảm khốc tiềm ẩn. Các khoảng thời gian kiểm tra
lại cần được thiết lập để phát hiện các vết nứt có thể hình thành và phát triển
trong quá trình dịch vụ trước khi đạt đến kích thước nứt tới hạn nơi sự cố thảm
khốc có thể sắp xảy ra. Hình 9 minh họa khái niệm này dưới dạng biểu đồ kích
thước nứt so với thời gian hoặc chu kỳ vận hành.
Một sơ đồ logic tổng quát cho
phân tích tuổi thọ còn lại của rotor và đĩa cánh, sử dụng cơ học gãy đàn hồi
tuyến tính (LEFM) và cơ học gãy phụ thuộc thời gian (điều kiện từ biến) (TDFM)
cho rotor GT được thể hiện trong Hình 10. Phương pháp này đã được phát triển tốt
dưới một số chương trình EPRI và đã được sử dụng hơn ba thập kỷ trong ngành
công nghiệp turbin hơi.
Mô tả đầy đủ về cách tiếp cận của
EPRI đối với đánh giá tuổi thọ rotor được đề cập trong Tài liệu tham khảo 2. Một
số dự án đánh giá tình trạng và tuổi thọ đĩa cánh GT đã được thực hiện dưới các
dự án hợp đồng của EPRI trên các mẫu turbin như 7FA/9FA (Tài liệu tham khảo 3),
Frame 7EA, W501B, Frame 5001, Siemens V 84.2, Frame 6B, SW501F. Chi tiết của một
nghiên cứu trường hợp cụ thể trên đĩa cánh MS 5001 được trình bày trong phần tiếp
theo.
NGHIÊN CỨU TRƯỜNG HỢP - ĐÁNH
GIÁ TUỔI THỌ ROTOR FRAME 5001
Một ví dụ về việc áp dụng các
phương pháp được mô tả là cuộc điều tra về tuổi thọ rotor GE Frame 5. Dự án này
liên quan đến việc EPRI mua lại một rotor turbin phế liệu có số giờ phục vụ cao
(312.000 giờ hoạt động tải cơ bản) từ một nhà máy lọc dầu. Mẫu turbin khí trục
đơn GE Frame 5 (MS5001) đã được sản xuất liên tục từ cuối những năm 1950 với
hàng nghìn đơn vị được bán bởi cả GE và nhiều nhà cấp phép quốc tế. Cả thay đổi
vật liệu và thiết kế đã được giới thiệu qua vài thập kỷ. Đơn vị này bao gồm một
hệ thống gắn cơ bản, truyền động trục sau, máy nén 17 cấp (16 cấp ở các đơn vị
ban đầu) với turbin hai cấp và tốc độ đồng bộ 5100 RPM (4860 RPM ở các đơn vị
ban đầu). Các đơn vị này đã phục vụ nhiều ứng dụng công nghiệp từ phát điện, xử
lý hóa chất, bơm dầu mỏ và nén đường ống. Frame 5 thường được lắp đặt với hệ thống
bánh răng giảm tốc khớp nối tải để phù hợp với yêu cầu tốc độ truyền động dự kiến.
Frame 5 có lịch sử mở rộng về các sửa đổi mẫu và nâng cấp cung cấp từ 10.750 kW
đến 26.820 kW.
Tháo rời Rotor và NDE
Rotor được tháo ra khỏi nhà máy
điện và vận chuyển đến một cơ sở ở Texas. Quy trình tháo rời rotor được chuẩn bị
và việc tháo rời rotor được thực hiện như thể hiện bởi Hình 11. Các phương pháp
tách nhiệt tiêu chuẩn được áp dụng với dụng cụ tại hiện trường được sử dụng để
hỗ trợ tháo rời rotor.
Chương trình bao gồm kiểm tra NDE
rộng rãi để thiết lập điều kiện chất lượng bề mặt và bên trong của đĩa cánh
turbin. Như đã thảo luận trước đó, các khuyết tật có thể cả khởi phát trong quá
trình dịch vụ và có thể bắt nguồn từ các vật rèn ban đầu tại thời điểm sản xuất.
Những khuyết tật này có thể phát triển trong quá trình dịch vụ và trở thành một
khía cạnh quan trọng trong việc xác định giới hạn tuổi thọ còn lại của đĩa cánh.
Điều quan trọng cần lưu ý rằng ngay cả khi các khuyết tật dưới độ nhạy kiểm tra
được báo cáo, chúng vẫn có thể phát triển trong quá trình dịch vụ và nên được
xem xét trong nghiên cứu đánh giá tuổi thọ còn lại.
Các phương pháp kiểm tra được mô
tả trước đó được sử dụng để kiểm tra đĩa cánh. Kiểm tra siêu âm sử dụng chùm thẳng
và chùm góc và các đơn vị mảng pha được thực hiện. Hình 12 cho thấy việc kiểm
tra đĩa cánh cấp 1 MS5001.
Không có dấu hiệu nào được phát
hiện được báo cáo bởi các kỹ thuật kiểm tra khác nhau được sử dụng để kiểm tra đĩa
cánh này. Tuy nhiên, kích thước nứt tối thiểu có thể phát hiện được đã được sử
dụng trong đánh giá tuổi thọ của đĩa cánh (wheel) bằng phương pháp cơ học gãy
được mô tả ở trên.
Đánh giá Kim loại học và Tính
chất Vật liệu
Ban đầu, các tính chất vật liệu
có sẵn từ thử nghiệm vật liệu đĩa cánh CrMoV tương tự khác và cơ sở dữ liệu
tính chất vật liệu được phát triển cho dự án đánh giá rotor GT đã được sử dụng
trong phân tích này. Đánh giá kim loại học của các mẫu rãnh vành không cho thấy
sự hiện diện của hư hỏng từ biến cục bộ. Do đó, khởi phát nứt do từ biến không
phải là mối quan ngại trong trường hợp này.
Thử nghiệm hóa học cho thấy lượng
phốt pho và lưu huỳnh tương đối cao trong đĩa cánh cấp 1. Với thép cổ điển trước
năm 1980 và lịch sử vận hành dài, những tạp chất này làm dấy lên mối quan ngại
rằng vật liệu đã bị giòn hóa. Các đĩa cánh rotor sau đó được cắt và thử nghiệm
phá hủy. Hình 13 chỉ ra kết quả FATT tổng thể dựa trên các mẫu thử va đập
Charpy và xác nhận sự giòn hóa. FATT cơ bản là 66C (150F) được
thiết lập bằng cách thử nghiệm vật liệu xử lý nhiệt khử giòn và vật liệu cuối
trục rotor lạnh hơn. Thử nghiệm đấm nhỏ được thực hiện độc lập. Hình 14 cho thấy
kết quả mẫu lớn tiêu chuẩn tương quan rất tốt với các mẫu đấm nhỏ mini. Sự khác
biệt trong FATT ((ΔFATT) từ điều kiện khử giòn là (365 - 150 = 215F [119C]). Dữ liệu này cho thấy một mức độ giòn hóa đáng kể đã xảy ra
trong quá trình tiếp xúc dịch vụ trong đĩa cánh này và dẫn đến mất độ dai (Tài
liệu tham khảo 4, 5).
Đặc trưng Kích thước
Đặc trưng kích thước là một phần
quan trọng của quá trình đánh giá tuổi thọ. Bước này cung cấp định nghĩa hình học
cho phân tích, cũng như mô tả mài mòn bất thường, ăn mòn hoặc các khuyết tật
kích thước khác của các bộ phận rotor. Đặc trưng kích thước được thực hiện bởi
AccTTech bằng máy đo tọa độ quét laser (CMM) và các kỹ thuật khác. Những kết quả
này được sử dụng để tạo ra một mô hình CAD 3-D chi tiết của turbin, được thể hiện
bởi Hình 15.
DỮ LIỆU VẬN HÀNH NHÀ MÁY
Lịch sử vận hành turbin được nhà
máy cung cấp và là một đầu vào quan trọng cho phân tích này. Các thông số khác
nhau được ghi lại trong một lần khởi động điển hình được thể hiện trong Hình
16. Một kịch bản trường hợp xấu nhất cho một lần khởi động lạnh điển hình được
sử dụng để thiết lập tiêu chí gãy cuối cùng. Có một mối quan ngại đáng kể rằng
một gãy đĩa cánh đột ngột sẽ xảy ra khi ứng suất thoáng qua cao nhất và độ dai
gãy của vật liệu tương đối thấp hơn.
Phân tích Cấu trúc
Một phân tích phần tử hữu hạn được
thực hiện để đánh giá khả năng cấu trúc của rotor turbin. Phân tích xác định
các vùng quan trọng để kiểm tra và là cơ sở cho đánh giá tuổi thọ và định nghĩa
khoảng thời gian kiểm tra lại. Một phân tích ANSYS được thực hiện trên rotor
turbin Frame 5 và được thể hiện bởi Hình 17. Một phân tích đối xứng trục 2-D được
sử dụng để đánh giá các phần đồng nhất của rotor như vùng lỗ trục và cổ. Các
vùng phức tạp hơn như lỗ bu-lông và trụ rãnh chốt vành đòi hỏi các phương pháp
xử lý phân tích nâng cao như phương pháp đối xứng chu kỳ. Các phân tích ANSYS
hiện đại bao gồm khả năng mô hình hóa các vùng tiếp xúc như gắn lưỡi dao và đĩa
cánh, ma sát, khớp nối chèn ép rabbet và các điều kiện tải cục bộ quan trọng
khác. Những tiến bộ trong phương pháp phân tích đã cải thiện đáng kể độ chính
xác của các ước tính đánh giá tuổi thọ từ các tính toán thiết kế ban đầu của
OEM. Những cải tiến này, khi được áp dụng đúng cách, có thể góp phần tăng tuổi
thọ của rotor bằng cách giảm bớt các bất định thiết kế ban đầu và các biên độ
thiết kế quá bảo thủ.
Cấu trúc rotor là một môi trường
phức tạp với các hiệu ứng làm mát và gia nhiệt khác nhau thúc đẩy phản ứng nhiệt
của đĩa cánh. Các đĩa cánh lớn, nặng chịu ứng suất thoáng qua nhiệt có thể vượt
xa các giá trị tính toán trạng thái ổn định.
Một ví dụ về phản ứng thoáng qua
của đĩa cánh turbin trong quá trình khởi động lạnh thoáng qua được thể hiện bởi
Hình 18. Sự tăng đột biến ứng suất, khi kết hợp với nhiệt độ kim loại lạnh, có
thể tạo ra một tổ hợp giới hạn tuổi thọ. Ứng suất nhiệt đỉnh xảy ra bên trong tại
khoảng cách khoảng 3 inch từ bề mặt lỗ trục. Độ dai gãy của vật liệu là một hàm
mạnh của nhiệt độ, với nhiệt độ thấp hơn dẫn đến độ dai gãy thấp hơn. Vật liệu
rotor turbin già hóa có thể làm giảm thêm độ dai gãy do hiện tượng giòn hóa, nếu
có. Phân tích tuổi thọ đánh giá ứng suất và nhiệt độ phụ thuộc thời gian để thiết
lập phân bố thể tích của các kích thước khuyết tật cho phép.
Sự giòn hóa được tìm thấy trong đĩa
cánh được tính vào phân tích tuổi thọ bằng cách liên hệ sự giảm độ dai gãy với
kích thước nứt tới hạn bằng mối quan hệ sau:
Trong đó:
KIc = độ dai gãy tới hạn
σ = ứng suất danh nghĩa
ac = kích thước nứt tới hạn
Do đó, kích thước nứt tới hạn tỷ
lệ với bình phương của KIc.
ac ~ {KIc/σ }2
KIc được phát hiện giảm khoảng một nửa
trong vật liệu đã lão hóa. Do đó, kích thước nứt tới hạn kết quả giảm đáng kể
xuống còn 1/4 trong điều kiện vận hành lạnh.
Đánh giá tuổi thọ cuối cùng cung
cấp các ước tính về tuổi thọ từ biến, tuổi thọ LCF và tăng trưởng nứt và tuổi
thọ gãy cuối cùng của rotor turbin dựa trên đánh giá tình trạng của các bộ phận.
Tất cả các vị trí giới hạn của mỗi bộ phận được đánh giá để thiết lập biên độ
và giá trị tuổi thọ so với các tiêu chí thiết kế hợp lý. Quá trình này bao gồm
việc thiết lập lượng tuổi thọ đã tiêu thụ và quan trọng nhất, lượng tuổi thọ
còn lại. Những giá trị này được xem xét với chủ sở hữu turbin, cùng với các mục
tiêu vận hành và bảo trì và mức độ chấp nhận rủi ro để thiết lập các mục tiêu
tuổi thọ rotor hợp lý. Một lịch trình chương trình kiểm tra lại thường được thiết
lập trừ khi việc kéo dài tuổi thọ rotor được dự định như một biện pháp tạm thời
một lần. Một ví dụ về đánh giá lan truyền nứt được sử dụng như một phần của chiến
lược đánh giá tuổi thọ này được thể hiện trong Hình 19.
Giới hạn tuổi thọ giả định dựa
trên sự hình thành kích thước nứt tới hạn tại vị trí giới hạn tuổi thọ nhất của
đĩa cánh dựa trên kết quả phân tích cấu trúc. Những đường cong này phụ thuộc mạnh
vào vị trí và định hướng nứt/khuyết tật và trường ứng suất cục bộ.
TÓM TẮT
Tính toàn vẹn cấu trúc và đánh
giá tuổi thọ còn lại của rotor GT đòi hỏi một cách tiếp cận đa ngành và tích hợp
để tiến hành phân tích kỹ thuật thực dụng bởi các chuyên gia có kinh nghiệm sâu
rộng trong lĩnh vực này. Các phương pháp NDE đủ tiêu chuẩn và đáng tin cậy, các
tính chất vật liệu phù hợp đại diện cho hóa học vật liệu và độ tuổi, các mô
hình dự đoán tuổi thọ để giải quyết các cơ chế hỏng vận hành cụ thể, dữ liệu vận
hành turbin chi tiết và một phân tích cấu trúc toàn diện là cần thiết để đạt được
ước tính tuổi thọ còn lại đáng tin cậy và an toàn của rotor và đĩa cánh. Việc
hiểu các điểm yếu trong thiết kế rotor cụ thể của một mẫu và liên hệ với lịch sử
vận hành và kiểm tra cụ thể tại chỗ là chìa khóa để vượt qua các tiêu chí tuổi
thọ chung của OEM. EPRI đang phát triển Thử nghiệm cơ tính vật liệu Small Punch
Test và tiếp tục phát triển tính chất vật liệu bằng cách thu thập và thử nghiệm
các đĩa cánh GT đã thành phế liệu và nghỉ hưu. Các mô hình phân tích cấu trúc
đang được phát triển cho một số đĩa cánh turbin và cấu hình rotor để giải quyết
các hình học phức tạp và sơ đồ làm mát khác nhau được sử dụng trong các turbin.
Các khuyến nghị từ các dự án đánh giá tuổi thọ này được áp dụng bởi người dùng
turbin để quản lý hiệu quả tuổi thọ của turbin của họ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Sách: Damage Mechanisms and Life Assessment of
High Temperature Components, Biên tập bởi R. Viswanathan, Xuất bản bởi
ASM International 1989, trang 13-14.
- 102208, " Gas Turbine Rotor Life Assessment Guideline
", EPRI, Palo Alto, Tháng 12 năm 2011.
- 1024486, " Gas Turbne Rotor Life Evaluation: GE 7FA and
9FA ", EPRI, Palo Alto, Tháng 12 năm 2011.
- 3002001067, " Gas Turbine Rotor Life: CrMoV Testing
", EPRI, Palo Alto, Tháng 12 năm 2013.
- 3002001468, " Small Punch Toughness Evaluation of
Combustion Turbine Materials: Validation and Analysis", EPRI, Palo
Alto, Tháng 12 năm 2013.
Nhận xét
Đăng nhận xét
Các bạn có câu hỏi gì, cứ mạnh dạn trao đổi nhé, baoduongcokhi sẵn sàng giải đáp trong khả năng của mình.