UTVRĐIVANJE UZROKA DEGRADACIJE OSNOVNOG MATERIJALA I ZAVARENIH SPOJEVA POKLOPCA TURBINE AGREGATA A4 NA HIROELEKTRANI ĐERDAP 1 DETERMINATION OF CAUSES OF DEGRADATION OF BASE MATERIAL AND WELDED JOINTS OF THE HYDROELECTRIC GENERATING SET A4 TURBINE COVER AT THE HYDRO POWER PLANT DJERDAP 1 Dr Miodrag Arsić 1, Dr Srđan Bošnjak 2, Ljubiša Jokić 3, dipl. inž., Radovan Miković 3, dipl. inž., Mladen Mladenović 1, dipl. inž., 1 Institut za ispitivanje materijala, Beograd 2 Mašinski fakultet univerziteta u Beogradu, Beograd 3 PD HE Đerdap 1, Kladovo Rezime U toku revitalizacije turbine agregata A4 na hiroelektrani Đerdap 1, za analizu stanja konstrukcije poklopca turbine izvršena su eksperimentalna ispitivanja osnovnog materijala i zavarenih spojeva metodama bez razaranja i ispitivanja sa razaranjem. U radu su dati rezultati ispitivanja zavarenih spojeva magnetnim česticama i ultrazvukom i ispitivanja zatezanih osobina i energije udara. Ispitivanja ultrazvukom su pokazala da postoji neprovarenost u korenima zavarenih spojeva i lamelarno cepanje u osnovnom materijalu. Sklonost materijala ka lamelarnim cepanju potvrđena je ispitivanjem zatezanjem u Z pravcu, jer su dobijene značajna manje vrednosti kontrakcije oprečnog preseka od minimalno propisanih. Na osnovu rezultata eksperimentalnih ispitivanja izvršena je analiza uzroka pojave degradacije osnovnog materijala i grešaka u zavarenim spojevima. Izvršena istraživanja su omogućila ocenu integriteta poklopca. Ključne reči: poklopac turbine, zavareni spoj, degradacija materijala, lamelarno cepanje UVOD Na šest hidro - generatorskih jedinica Đerdap 1 ugrađene su vertikalne turbine Kaplan, nominalne snage 200 MW, izrađene u Rusiji, slika 1. Projektujktovane su za radni vek od 40 godina, zbog konstrukcijskog rešenje, odnosno nemogučnosti periodičnog ispitivanja i analize stanja, [1]. Turbinska i hidromehanička oprema hidroelektrana izložena je naprezanjima koja nastaju u toku izrade delova i montaže opreme (zaostali naponi), u procesu obavljanja funkcionalnih zahteva (stacionarna i dinamička opterećenja) i u poremećenom procesu eksploatacije (nestacionarna dinamička opterećenja). Kada se ovome dodaju i uticaji radne sredine i eksploatacije (korozija, erozija, kavitacija) jasno je da naprezanje pojedinih delova i opreme u celini se ne može predstaviti modelom u kome se parametri ravnomerno menjaju u radnim uslovima. U toku revitalizacije turbine agregata A4 na hiroelektrani Đerdap 1, za analizu stanja konstrukcije poklopca turbine izvršena su eksperimentalna ispitivanja metodama bez razaranja i ispitivanja sa razaranjem osnovnog materijala i zavarenih spojeva, kao i proračun napona u najopterećenijem delu poklopca turbine. Poklopac tubine, mase 118636 kg, izrađen je zavarivanjem iz četiri segmenta (fabrička oznaka segmenata, zbog indentifikacije međusobnog spajanja, je 2-1, 3-2, 3-4, 4-1) od čelika St 3 (GOST 380-94), slika 1. Oslanja se na gornji prsten usmernog aparata i 80
predviđen je da primi aksijalnu hidrauličku silu, koja pri normalnom radu, ima intenzitet Pu = 16,9 MN i nosi pokretne delove generatora, tj. rotor glavnog i pomoćnog generatora i nastavak vratila turbine (8 MN), pokretne delove turbine, tj. vratilo turbine i radno kolo (5 MN), konstrukciju aksijalnog ležaja i njegovog nosača i delove usmernog aparata i vrat turbine. Ako se zanemare ostale težine pozicija oslonjenih na poklopac turbine i pritisak vode, ukupno statičko opterećenje poklopca u aksijalnom pravcu pri normalnom radu turbine iznosi 29,9 MN, a pri havarijskim režimima i do 35 MN. Dinamičke komponente aksijalne sile uzimaju se da su na nivou 5% aksijalne hidrauličke sile (Pu), pri svakom obrtaju. Takođe, na zamor utiče i broj pokretanja i zaustavljanja agregata, kada dinamička komponenta ima vrednost u rasponu od 0 do Pu. Učestanost pokretanja i zaustavljanja na godišnjem nivou iznosi najviše 2000 puta. Istraživanja u svetu, koja razmatraju pouzdanost turbinske i hidromehaničke opreme hidroelektrana uglavnom su vezana za zamornu koroziju, kavitaciju i vibracioje turbine kao celine. Za realizaciju ispitivanja datih u radu korišćena je literatura [2]. Slika 1 Turbina Kaplan, nominalne snage 200 MW 81
EKSPERIMENTALNA PROCEDURA U cilju utvrđivanja trenutnog stanja poklopca turbine agregata A4 na hidroelektrani Đerdap 1, izrađenog od čelika St 3, izvršene su ispitivanja stanja osnovnog materijala i zavarenih spojeva metodama bez razaranja i sa razaranjem. Eksperimentalna ispitivanja metodama bez razaranja Ispitivanja zavarenih spojeva (ZS), odnosno metala šava (MŠ), zone uticaja toplote (ZUT) i osnovnog materijala (OM) poklopca turbine, izvršena su magnetnim česticama (MT) na površinske greške i ultrazvukom (UT) na unutrašnje greške. Modeli poklopca turbine i jednog od segmenata prikazani su na slici 2. Slika 2 Model poklopca turbine i segmenta 4-1 Eksperimentalna ispitivanja metodama sa razaranjem U cilju utvrđivanja kvaliteta materijala lima poklopca turbine agregata A4 izvtršna su ispitivanja hemijskog sastava, zateznih osobina i energije udara u uzdužnom i poprečnom pravcu sa površine i iz sredine lima i zateznih osobina u Z pravcu za određivanje sklonosti ka lamelarnom cepanju. Za izradu epruveta korišćen je uzorak lima dimenzija Ø300x50 mm, uzet iz unutrašnjeg zida (unutrašnje obloge) poklopca turbine A4, segmenta 1-4. Uzorak je prikazan na slici 3. Slika 3 Uzorak lima za ispitivanja sa razaranjem 82
Ispitivanje hemijskog sastava Ispitivanje hemijskog sastava čelika St 3, prema GOST 380-94 [3], izvršena je na uzorku pripremljenom iz poprečnog preseka dostavljenog uzorka lima poklopca turbine A4 u laboratoriji podizvođača Livnica Ljig" (kvantitativna spektrofotometrijska metoda). Ispitivanje zatezanjem Za ispitivanja zateznih osobina u uzdužnom i poprečnom pravcu lima, iz površinskog i srednjeg sloja uzorka, gledano po debljini lima, izrađene su po dve standardne epruvete prečnika mernog dela 8 mm, SRPS EN 6892 (zamenjen SRPS EN 10002-1:1996) [4], slika 4. Za utvrđivanja uzroka pojave lamelarnih prsilina, odnosno lamelarnog cepanja u zonama zavarenih spojeva poklopca turbine izvršena su ispitivanja žilavosti i kontrakcije poprečnog preseka u Z pravcu. Izrađene su tri epruvete prečnika mernog dela 6 mm, slika 4. Sva ispitivanja zatezanjem su izvršena na univerzalnoj mašini za ispitivanje materijala zatezanjem, pritiskanjem i savijanjem Alferd Amsler, maksimalnog opsega 98,1 kn. Slika 4 Uzorkovanje epruveta za ispitivanje zatezanjem Ispitivanja energije udara Ispitivanja energije udara (žilavosti) u uzdužnom i poprečnom pravcu dostavljenog uzorka izvršena su na epruvetama sa zarezom oblika U 2 i V 2 dubine 2 mm, prema zahtevima standarda SRPS EN ISO 148-1 (zamenjen SRPS EN 10045-1:1993) [5]. REZULTATI I DISKUSIJA Rezultati ispitivanja metodama bez razaranja Mesta gde su u ZS segmenta 4-1 poklopca turbine ispitivanjima magnetnim čestica (MT) utvrđene površinske i ultrazvukom (UT) unutrašnje greške prikazana su na slici 5 i slici 6. Primeri ehograma ultrazvučnih ispitivanja nehomogenosti u OM i lamelarnog cepanja u zoni ZS prikazani su na slici 7 i slici 8. Šematski prikaz neprovara u korenu ZS i lamelarnog cepanja u OM dat je na slici 9. 83
Slika 5 Ispitivanja magnetnim česticama ZS na segmentu 1-4 poklopca turbine Slika 6 Ispitivanja ultrazvukom ZS na segmentu 1-4 poklopca turbine 84
Slika 7 Prikaz ehograma sa indikacijama nehomogenosti u OM Slika 8 Prikaz ehograma sa indikacijama tipa lamelarnog cepanja u zoni ZS 85
Slika 9 Prikaz neprovara u korenu ZS i lamelarnog cepanja u OM Rezultati ispitivanja metodama sa razaranjem Ispitivanja hemijskog sastava Rezultati analize hemijskog sastava dostavljenog uzorka od čelika St 3 pokazuju da hemijski sastav odgovarara zahtevima standarda GOST 380-94, tabela 1. Tabela 1 Rezultati hemijske analize dostavljenog uzorka, % mas. Uzorak C Si Mn S P Ni Cr Mo Al 1-4 0,190 0,269 0,557 0,035 0,012 0,276 0,158 0,027 0,012 GOST 380-94 0,14-0,22 0,1-0,30 0,40-0,65 max 0,050 max 0,040 Ispitivanja zatezanjem Rezultati ispitivanja zatezanjem u uzdužnim i poprečnim pravcima pokazuju da zatezne osobine materijala uzorka zadovoljavaju zahteve standarda SRPS EN 6892-1 i GOST 14637-89 [6], za čelik St 3, tabela 2. 86
Tabela 2. Srednja vrednosti ispitivanja zatezanjem na T = +20 o C, SRPS EN 6892-1 R Pozicija uzorkovanja p0,2 R m A 5,65 Z (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (%) (%) Uzdužni pravac - površinski sloj 247 418 40.40 60.05 Uzdužni pravac - srednji sloj po debljini uzorka 222 400 35.75 60.94 Poprečni pravac - površinski sloj 251 414 37.25 60.92 Poprečni pravac - srednji sloj po debljini uzorka 221 402 32.25 50.03 Za poprečni pravac čelika St 3, GOST 14637-89 min. 225 370-480 min. 25 - Ispitivanjem zateznih osobina u Z pravcu dobijene su značajna manje vrednosti kontrakcije-suženja poprečnog preseka od minimalno propisanih standardom SRPS EN 10164 [7], tabela 3. Prema standardima GOST 14637, DIN 50180, SEL 096 i DAST 014, čelični limovi koji se koriste za izradu konstrukcija sa povećanom sposobnošću za deformaciju u pravcu upravnom na površinu proizvoda potrebno je da imaju kontrakciju min. 25 %. Prelomne površine ispitanih epruveta su svetle sa grubom strukturom, bez izrazitog suženja poprečnog preseka i bez vidljivog izduženja, slika 10. Tabela 3 Rezultati ispitivanja, SRPS EN 10164 Pozicija uzorkovanja Epruveta d 0 (mm) d 1 (mm 2 ) Z (%) Zsr (%) 1 10.0 9.7 5.91 Z pravac 2 10.0 9.2 15.36 7.75 3 10.0 9.9 1.99 Z15 min. 10 min. 15 Propisane vrednosti Z25 min. 15 min. 25 Z35 min. 25 min. 35 Slika 10 Izgled prelomnih površina epruvete za ispitivanje kontrakcije Z pravac Ispitivanja energije udara Ispitivanjem utvrđene vrednosti energije udara su veće od minimalno propisanih standardom GOST 14637-89, s tim da se energije udara kod epruveta uzetih sa površinog sloja i iz sredine po dubini uzorka razlikuju i do 50%, tabela 4 i tabela 5. Tabela 4 Srednja vrednosti rezultata određivanja energije udara sa zarezom oblika U 2 T KU Pozicija uzorkovanja 2/300 KU 2/300 (KCU) [ 0 C] [J] [J/cm 2 ] Uzdužni pravac - površinski sloj +20 80.8 100.9 Uzdužni pravac - srednji sloj po debljini uzorka +20 85.3 106.7 Poprečni pravac - površinski sloj +20 62.3 77.7 Poprečni pravac - srednji sloj po debljini uzorka +20 71.9 89.90 Za poprečni pravac čelika St 3, GOST 14637-89 +20 min. 49 87
Tabela 5 Srednja vrednosti rezultata određivanja energije udara sa zarezom oblika V 2 T KV Pozicija uzorkovanja 2/300 KV 2/300 (KCU) [ 0 C] [J] [J/cm 2 ] Uzdužni pravac - površinski sloj +20 35.3 44.1 Uzdužni pravac - srednji sloj po debljini uzorka +20 32.4 40.5 Poprečni pravac - površinski sloj +20 25.8 32.3 Poprečni pravac - srednji sloj po debljini uzorka +20 40.2 50.3 Za konstrukcione čelike, SRPS EN 10164 +20 min. 27 ZAKLJUČAK Rezultati ispitivanja su pokazala da postoje dva podjednako značajna uzroka degradacije osnovnog materijala i zavarenih spojeva poklopca turbine agregata A4 na hidroelektrani Đerdap 1 : degradacija izazvana greškom u tehnologiji dobijanja čelika, degradacija izazvana greškom u tehnologiji izrade zavarene konstrukcije. ZAHVALNOST Zahvaljujemo se Ministarstvu za prosvetu i nauku Republike Srbije za finansiranje rada u okviru projekta EVB: 35002-TR Razvoj novih metodologija revitalizacije turbinske i hidromehaničke opreme hidroelektrana u zavisnosti od uzroka degradacije materijala. LITERATURA [1] Dokumentacija proizvođača poklopca turbine agregata 4, LMZ, Sankt Peterburg, [2] The Guide to Hydropower Mechanical Design, ASME Hydro Power Technical Committee, HCI Publications, New edition planned, 2009. [3] ГСТ 380: Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки, 1994. [4] SRPS EN 6892-1 (zamenjen SRPS EN 10002-1:1996): Metalni materijali Ispitivanje zatezanjem Deo 1: Metoda ispitivanja na sobnoj temperaturi, 2012. [5] SRPS EN ISO 148-1 (zamenjen SRPS EN 10045-1:1993): Metalni materijali Ispitivanje udarom Šarpijevim klatnom Deo 1: Metoda ispitivanja, 2012. [6] ГОСТ 14637-89: Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкнновеного качества. Технические условия, 1989. [7] SRPS EN 10164: Konstrukcioni čelici sa povećanom sposobnošću za deformaciju u pravcu upravnom na površinu proizvoda - Tehnički zahtevi za isporuku, 2003. 88