Les turbines à vapeur sont des équipements de production d'énergie essentiels, et leurs performances stables et efficaces sont directement liées à l'efficacité opérationnelle et aux avantages économiques des centrales électriques. En tant que composant clé de la conversion d'énergie, la sélection, la conception et l'optimisation des matériaux des pales de turbine à vapeur sont encore plus importantes. Les pales doivent non seulement résister à des températures et des pressions élevées, à une rotation à grande vitesse et à des champs d'écoulement complexes, mais aussi avoir une bonne résistance à la corrosion, une résistance à la fatigue et une résistance suffisante pour assurer un fonctionnement stable dans des environnements difficiles. Cet article commencera par les problèmes courants et les solutions pour la sélection des pales et des matériaux, et introduira brièvement la sélection et l'optimisation des pales de turbine à vapeur.
1. Qu'est-ce qu'une turbine à vapeur?
La turbine à vapeur est un équipement clé dans les centrales thermiques. Elle entraîne le générateur à tourner et à produire de l'électricité en expandant la vapeur à haute température et haute pression. C'est un pont important pour convertir efficacement l'énergie thermique de la vapeur en énergie mécanique, ce qui détermine directement l'efficacité de conversion de l'énergie et la stabilité de fonctionnement des centrales électriques.
La turbine à vapeur est composée de pièces rotatives complexes et de pièces fixes. Les pièces rotatives comprennent principalement l'arbre principal, l'impulseur et les pales, qui ensemble convertissent le mouvement linéaire de la vapeur en mouvement rotatif. Les pièces fixes comprennent les cylindres, les buses, les joints de vapeur, les cloisons, etc., qui fournissent les canaux et les conditions nécessaires pour le flux de vapeur et la conversion d'énergie.
2. Importance des pales de turbine à vapeur
Composants de conversion de base : Les pales de turbine à vapeur sont les composants clés du processus de conversion de l'énergie. Leur forme, matériau et performance déterminent directement l'efficacité et la qualité de la conversion de l'énergie de la vapeur en énergie mécanique.
Environnement de fonctionnement complexe : L'environnement de fonctionnement des pales est difficile. Elles doivent supporter l'impact de la vapeur à haute température et haute pression, ainsi que l'érosion des impuretés, de l'humidité et des substances corrosives dans la vapeur. De plus, les pales doivent supporter la force centrifuge et les vibrations générées par la rotation à haute vitesse. Ces facteurs imposent des exigences élevées sur le matériau, la structure et le processus de fabrication des pales.
3. Quel est le problème commun des turbines à vapeur?
Les problèmes courants des pales de turbine à vapeur incluent les dommages et les fractures, la corrosion et la rouille, et l'érosion par l'eau. Ces problèmes affectent non seulement le fonctionnement normal de la turbine à vapeur, mais peuvent également sérieusement affecter la sécurité de l'équipement et le processus de production. Par conséquent, une série de mesures doivent être prises lors de la conception, de la fabrication, de l'installation, de l'exploitation et de la maintenance de la turbine à vapeur pour prévenir et traiter ces problèmes afin d'assurer le fonctionnement sûr et stable de la turbine à vapeur.
4. Analyse des causes de la corrosion ou de l'érosion des pales.
4.1 Corrosion acide
Dans la zone de condensation initiale du cylindre basse pression, les substances acides dans la vapeur (telles que le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre, etc.) sont enrichies dans le condensat, entraînant une diminution du pH et une corrosion des pièces métalliques. Cette corrosion réduira non seulement la résistance et la durée de vie des pales, mais affectera également les performances globales et la sécurité de l'unité.
4.2 Corrosion par l'oxygène
L'oxygène dissous est l'un des principaux facteurs causant la corrosion par l'oxygène. Si le film protecteur sur la surface de la pale (tel que le film d'oxyde de fer) est endommagé, l'oxygène dissous réagira électrochimiquement avec la matrice métallique, provoquant la précipitation des ions fer et la corrosion du matériau. De plus, des facteurs tels que le pH, la température, la charge et le débit affecteront également la vitesse et l'étendue de la corrosion par l'oxygène.
4.3 Érosion par l'eau
Dans des conditions de faible charge, les gouttelettes d'eau liquide dans le flux de vapeur frapperont la surface de la pale, provoquant une érosion par l'eau. L'érosion par l'eau détruira non seulement la structure de surface de la pale, mais réduira également sa résistance à l'usure, accélérant ainsi le processus de détérioration de la pale.
5. Avantages des alliages de cobalt
5.1 Résistance à haute température et résistance à l'oxydation
Les alliages de cobalt ont une excellente résistance à haute température et une résistance à l'oxydation. Cette propriété permet aux pales en alliage de cobalt de résister aux effets de la vapeur à haute température et haute pression dans les turbines à vapeur sans déformation ni dommage. Cet avantage est crucial pour améliorer l'efficacité de fonctionnement et la stabilité opérationnelle des turbines à vapeur.
5.2 Résistance à la corrosion et à la fatigue
Les alliages de cobalt ont une bonne résistance à la corrosion et à la fatigue. Dans l'environnement de travail difficile des pales de turbine à vapeur, les alliages de cobalt peuvent résister efficacement à l'érosion des substances corrosives dans la vapeur et prolonger la durée de vie des pales. En même temps, leur haute résistance à la fatigue peut également garantir que les pales maintiennent des performances stables pendant une opération à long terme et à haute charge.
5.3 Excellentes performances de soudage
Les alliages de cobalt ont de bonnes performances de soudage, il est donc facile d'utiliser la technologie de soudage dans la fabrication et la maintenance des pales. La résistance et l'étanchéité du joint soudé peuvent être garanties, améliorant ainsi les performances globales et la durée de vie des pales.
5.4 Résistance à l'usure
Les alliages de cobalt ont également une excellente résistance à l'usure. Pendant le fonctionnement des pales de turbine à vapeur, elles doivent supporter l'abrasion et l'usure causées par les impuretés et les particules dans le flux de vapeur. La haute résistance à l'usure de l'alliage de cobalt peut réduire l'usure des pales et prolonger leur durée de vie.
6. Application spécifique de l'alliage de cobalt dans les pales de turbine
6.1 Matériau de la lame
L'alliage de cobalt peut être directement utilisé comme matériau de fabrication des pales et des manchons de turbine, particulièrement adapté à la fabrication de pales dans un environnement à haute température, haute pression et haute corrosion. Des pales en alliage de cobalt de formes complexes et de haute précision peuvent être fabriquées par coulée de précision, forgeage, usinage CNC et autres procédés.
Des feuilles ou des bandes solides d'alliage de cobalt sont brasées par induction sur des pales de turbine SUS410Cb pour améliorer la résistance à l'usure et à l'érosion des pales. Les bandes d'érosion sont généralement fabriquées en Co 6 et Co 6B.
6.2 Matériau de revêtement
En plus d'être utilisé comme lame solide, l'alliage de cobalt peut également être utilisé comme matériau de revêtement sur la surface des pales de turbine. Le revêtement d'une couche d'alliage de cobalt sur la surface de la pale améliorera sa résistance à l'usure et à la corrosion et prolongera sa durée de vie. Cette technologie de revêtement a été appliquée avec succès dans de nombreuses centrales électriques.
- STP 6 Compositions Chimiques
C : 0,9-1,4 %, Mn : ≤1,0 %, Si : ≤1,5 %, Cr : 27,0-31,0 %, Ni : ≤3,0 %, Mo : ≤1,5 %, W : 3,5-5,5 %, Co : Bal.
Densité : ≥8,35g/cm3
Dureté : 38-44HRC
- STP 6B Compositions Chimiques
C : 0,9-1,4 %, Mn : ≤2,0 %, Si : ≤2,0 %, Cr : 28,0-32,0 %, Ni : ≤3,0 %, Mo : ≤1,5 %, W : 3,5-5,5 %, Co : Bal.
Densité : ≥8,38g/cm3
Dureté : 36-40HRC
7. Principes de sélection des pales de turbine
7.1 Sélection des matériaux
Selon les caractéristiques de l'environnement de travail de la pale, sélectionner des matériaux avec une excellente résistance à la corrosion et à l'usure. Par exemple, le brasage par induction de bandes d'alliage de cobalt sur des pales SUS410Cb peut améliorer considérablement la résistance à l'usure et à l'érosion des pales. En même temps, des facteurs tels que la résistance du matériau, la ténacité, la stabilité thermique et les performances de traitement doivent être pris en compte.
7.2 Conception Structurelle
Optimiser la conception de la forme et de la taille des pales pour réduire la concentration de contraintes et les vibrations. Les performances aérodynamiques et la résistance à la fatigue des pales peuvent être améliorées grâce à une conception profilée appropriée et à une répartition de l'épaisseur. De plus, des facteurs tels que la méthode de connexion et la méthode de fixation entre les pales et le disque de roue doivent être pris en compte.
7.3 Processus de fabrication
Utiliser des procédés de fabrication avancés et des moyens techniques pour garantir la précision de fabrication et la qualité des pales. Par exemple, la coulée de précision, le forgeage ou l'usinage CNC peuvent être utilisés pour produire des pales de formes complexes et de haute précision. En même temps, les liens d'inspection et de contrôle de la qualité doivent être renforcés pour garantir que chaque pale répond aux exigences de conception et aux normes d'utilisation.
8. Stratégie de maintenance et d'optimisation des pales
8.1 Inspection et maintenance régulières
Établir un système d'inspection et de maintenance régulières pour effectuer une inspection et une évaluation complètes des pales. Découvrir et traiter en temps opportun des problèmes tels que l'accumulation de sel, la saleté et les dommages sur la surface de la pale pour empêcher le problème de s'étendre. En même temps, l'usure et la corrosion des pales doivent être enregistrées et analysées pour fournir une référence pour les travaux de maintenance et de remplacement ultérieurs.
8.2 Gestion des opérations
Optimiser les conditions de fonctionnement de l'unité et les paramètres de réglage pour réduire le temps et la fréquence de fonctionnement à faible charge. Réduire le risque de corrosion et d'usure des pales grâce à une répartition et des méthodes de réglage appropriées de la charge. En même temps, il est nécessaire de renforcer la surveillance et le diagnostic de l'équipement pour détecter et traiter rapidement les conditions anormales.
8.3 Innovation technologique
Introduire et appliquer activement de nouveaux matériaux, de nouvelles technologies et de nouvelles méthodes de processus pour améliorer continuellement la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion et la qualité de fabrication des pales. Par exemple, développer de nouveaux matériaux avec une résistance à la corrosion et à l'usure plus élevée ; utiliser des technologies de traitement de surface avancées (telles que la pulvérisation, le placage électrolytique, etc.) pour améliorer les performances de protection des pales ; utiliser la technologie numérique et les moyens intelligents pour réaliser la surveillance en temps réel et l'alerte précoce de l'état des pales, etc.
9. Conclusion
En tant que composant clé d'une centrale électrique, la sélection des matériaux des pales de turbine est cruciale pour garantir l'efficacité de la production d'électricité et la sécurité de l'usine. Parmi les matériaux pour les pales de turbine à vapeur, les alliages de cobalt ont une excellente résistance à haute température, une résistance à l'oxydation, une résistance à la corrosion, une résistance à la fatigue, une bonne plasticité et ténacité, d'excellentes performances de soudage et une haute résistance à l'usure. En utilisant des matériaux de haute qualité tels que les alliages de cobalt, des procédés de fabrication avancés et des stratégies de gestion opérationnelle, les performances et la durée de vie des pales sont améliorées, jetant une base solide pour le fonctionnement stable à long terme et la production d'électricité efficace des centrales électriques. Par conséquent, lors de la sélection des matériaux pour les pales de turbine à vapeur, il est préférable de considérer les avantages des alliages de cobalt pour maximiser l'efficacité de la production d'électricité et la sécurité de l'usine.
