Gázturbinák diagnosztikai eljárásai

Átírás

1 JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTERÜLETEK Gázturbinák diagnosztikai eljárásai Tárgyszavak: energetikai berendezés; gázturbina; kompresszor; roncsolásmentes vizsgálat; rezgéselemzés; hatásfok; hibadiagnosztizálás. Roncsolásmentes vizsgálati módszerek A gázturbinák jó hatásfokú, viszonylag kis beruházási költségű, kis környezetszennyezést okozó, nagy igénybevételű és viszonylag gyakori karbantartást igénylő energetikai berendezések. A gázturbinák roncsolásmentes vizsgálatainak célja gyártási és karbantartási hibák felismerése, turbinalapátok, terelőelemek működés közben kialakuló és növekvő hibáinak, repedéseinek felderítése, folytonossági hiányok, kopás, korrózió, túlzott igénybevételi feszültség, hűtőcsatornák elzáródása vagy nem megfelelő helyzete által okozott hibák minél pontosabb azonosítása. Kapilláris hatáson alapuló vizsgálat Hozzáférhető külső felületig terjedő hajszálrepedések, pórusok felismerésére alkalmas a folyadékok kapilláris behatolásán alapuló eljárás, amely a hibák hosszának, alakjának, sűrűségének megítélését teszi lehetővé, a hibák mélységéről azonban nem tájékoztat. A megtisztított felületre felvitt, megfelelő folyadék a hajszálrepedésekbe behatol, majd a felesleges folyadék eltávolítása után a kontrasztot növelő előhívó anyaggal kezelve a felületi hibák felismerhetők. Fluoreszkáló folyadékot használva, a kezelt felületet 10 W/cm 2 -nél nagyobb intenzitású UI-A fénnyel megvilágítva nagyobb érzékenység érhető el. A gyakorlatban vízzel vagy oldószerrel lemosható vagy emulziós típusú festékanyagokat használnak. Az eljárás alkalmazásának előfeltétele a tiszta felület, mert zsír, olaj vagy más szennyezés esetén a folyadék nem hatolhat be a repedések-

2 be, pórusokba. A vizsgált anyag felülete nem lehet porózus, és egyes felületkezelési eljárások (pl. sörétszórás) is kizárják az eljárás alkalmazását, mert lezárják a repedéseket, pórusokat. Örvényáramos vizsgálat A vizsgálandó fémben tekerccsel mágneses teret indukálnak. Az anyag erre adott válasza ellentétes polaritású mágneses tér, amely az anyagban örvényáramokat kelt. Ezek az örvényáramok, valamint fázisuk és amplitúdójuk érzékelőtekerccsel mérhető. Az örvényáramok jellemzői az érzékelőtekercs távolságától, az anyag vezetőképességétől és permeabilitásától, a felületi hibáktól és a bemeneti frekvenciától függenek. A mérés érzékenysége függ az érzékelő abszolút vagy differenciális típusú szerkezetétől is. Az egy tekercset alkalmazó abszolút eljárást főleg az anyag tulajdonságainak meghatározására, például korróziós károsodás felismerésére alkalmazzák. A differenciális mérési módszert helyi diszkontinuitások, repedések, kipattogzás, pontkorrózió észlelésére használják. Az örvényáramos eljárás gondos kalibrálást igényel, azonban nem túlságosan nagy hibasűrűség esetén a hibák mélységéről is tájékoztat. Az eljárás érzékenyebb a csak felületi méréseknél, és így a bevonat nélküli alkatrészek várható élettartamának pontosabb meghatározását teszi lehetővé. Ultrahangos vizsgálat A gázturbinák alkatrészeinek ultrahangos vizsgálata kevéssé terjedt el, bár alkalmas a repedések mélységének meghatározására is. Alkalmazását nehezítik az érzékelőkkel való nehézkes hozzáférés, a méretek és a geometriai viszonyok, valamint az összetett szerkezeti anyagok. A fókuszáló érzékelőkkel végzett, immerziós ultrahangos mérések során a vizsgált felületről visszavert jelek optimálásával (defókuszálásával) kaphatók a legjobb eredmények. Az érzékelőt a vizsgált felülethez közelítve a fókuszpont a mélyebb rétegek felé mozdul el. Ezzel egyidejűleg szivárgó Rayleigh-hullámok indukálódnak az anyag felszínén. Ezekkel a hullámokkal nagyon érzékenyen mutathatók ki a felülettől kb. egy hullámhossznyi tartományban folytonossági hiányok, így repedések, porozitás, rétegleválások. Széles sávú mérőátalakítót és a frekvenciák szekvenciális szűrését alkalmazva, az érzékelés effektív mélységét változtatva a felületre merőleges irányban vizsgálható a hiba szerkezete. A

3 vett jel közvetlenül megtört longitudinális hullámot, transzverzálisból longitudinálissá alakult hullámot, szivárgó Rayleigh-hullámot és felületről visszavert hullámot tartalmaz. E jelek idő/amplitúdó diagrambeli megjelenési helyei az anyag akusztikai tulajdonságaitól függenek. A defókuszálás mértékét megfelelően megválasztva a szivárgó Rayleigh-hullám úgy helyezhető át, hogy az egyéb jelek által okozott zavarok elkerülhetők. Az immerziós eljárás helyett közvetlen érintkezéses módszert alkalmazva a mérés egyszerűbb, azonban az érzékelő meghatározott defókuszálási fokú, ami 50 µm mélységű hibák kimutatására alkalmas érzékenység elérését teszi lehetővé. Az általában használatos, szemrevételezéses ellenőrzési módszerek ugyan gyorsabbak és egyszerűbbek a műszeres vizsgálatoknál, legnagyobb hiányosságuk azonban az, hogy az észlelt hibák mélységéről nem adnak tájékoztatást. A korszerű gázturbinákban a terhelést elviselő fém alkatrészeket hőhatások ellen védő bevonatokon áthatoló, növekedő hiba közvetlenül veszélyezteti a gázturbinás erőmű rendelkezésre állását. Mivel a karbantartások között csak korlátozott mértékben lehet a kritikus alkatrészeket ellenőrizni, és mivel a károsodások viszonylag gyorsan növekedhetnek, ezért a roncsolásmentes anyagvizsgálati eljárások a gázturbinák megbízható és gazdaságos működése szempontjából rendkívül fontosak. A repedések mélységének meghatározására az örvényáramos és az ultrahangos eljárások egyaránt alkalmasak, bár azonos vagy hasonló anyagokkal és repedésekkel gondosan elvégzett kalibrálást igényelnek. Sokoldalú alkalmazásukat nehezíti az érzékelők viszonylag nagy mérete és a gyakran nehézkes hozzáférés, valamint a korszerű turbinákban alkalmazott, kerámia anyagú hővédő bevonatrétegek. Az örvényáramos eljárással fémes anyagok kisméretű repedései már keletkezésük kezdeti szakaszában érzékelhetők. A korszerű turbinalapátok és más alkatrészek kisméretű, belső hűtőcsatornáinak bevonatai a hagyományos roncsolásmentes eljárásokkal csak nehézkesen vizsgálhatók. Ezekkel a nehézségekkel magyarázható az, hogy az örvényáramos és az ultrahangos vizsgálati módszereket elsősorban a gyártásban és a minőség-ellenőrzésben alkalmazzák, bár használatuk a gázturbinák terjedő alkalmazása, ezek viszonylag rövid karbantartási ciklusai miatt a karbantartási javítási tevékenységek keretében is egyre indokoltabb.

4 Hibák és helyük meghatározása a hatásfok és a rezgések együttes elemzésével Gázturbina-alkatrészek (lapátok, tömítések stb.) kopásának vagy rétegek leválásának mértéke a turbókompresszor hatásfokának elemzésével becsülhető. Kopás, lerakódások vagy tömítések leromlása következtében csökken a gép hatásfoka, ez pedig a referenciaadatokkal összehasonlítva lehetővé teszi hibás alkatrészek vagy egységek azonosítását és leromlásuk mértékének meghatározását. E meghatározások pontossága a rezgések elemzésével növelhető. Ezt az azonosítást on-line módon megvalósítva egyszerűbbé válik a felújítási-karbantartási terv készítése. A lapátok kopása következtében változik természetes rezgési frekvenciájuk és rezgésspektrumuk; a tömítések károsodását a forgórész túlzott rezgése vagy a gépháznak javarészt az indítások során fellépő alakváltozása okozza. A hatásfok és a rezgések egyidejű elemzésével lehetőség van hibák és helyük sokkal pontosabb meghatározására. Gázturbinák bizonyos hibáinak azonosítására alkalmas, a hatásfok és a rezgések elemzésén alapuló algoritmust dolgoztak ki. Gázturbinák lapáttömítését és a forgórész tömítését rontó leggyakoribb hibák: a lapátok felületi érdességének növekedése, a lapátok kopása szilárd részecskék által okozott erózió, korrózió vagy anyagveszteség következtében, lerakódások a lapát felületén, a labirinttömítések és a forgó lapátok hegyének kopása, lengések, fordulatszám-csökkenés, olajörvénylés vagy a habosodás, lapáttörés által okozott erős rezgések. Ezek az erős rezgések a tömítésekben bekövetkező vagy a lapátcsúcsok és a ház erős súrlódását okozhatják, amelynek következtében viszont nő az illesztési hézag és csökken a hatásfok, kiegyensúlyozatlanság (a forgórész nem megfelelő kiegyensúlyozása), amely tranziensek alatt súrlódást okozhat a lapátrendszerben. Lapátok teljes vagy részleges elvesztése (törés) csökkenti a hatásfokot és fokozza a rezgéseket is. A lapátok csúcsának súrlódása következtében természetesen csökken a lapátok hossza, aminek következtében romlik a kompresszor és/vagy a gázturbina hatásfoka.

5 A gázáramlás mentén a burkolat különböző pontjaihoz gyorsulásmérőt illesztve a súrlódást jelző rezgési frekvenciaspektrumot mérve a súrlódás helye meghatározható. Így elfogadható pontossággal megadható egy tartomány és ezzel a fokozat(ok) száma. A hatásfok csökkenése általában fokozatok egy csoportjának (a csoport előtt és mögött mért) hőmérsékletével és nyomásával mutatható ki. A csapágyon vagy annak közelében mért rezgési amplitúdó alapján a modális kiegyensúlyozatlansági jellemzők számítására alkalmas forgórészmodellt használva a gázturbina-forgórész bármely pontjára számítható a rezgési amplitúdó. Azokban a pontokban, amelyekben a rezgés amplitúdója nagyobb a lapátrésnél, súrlódás következik be. Ez a csapágyra vagy a turbinaházra helyezett gyorsulásmérő jeleinek valós idejű analizátorral végzett rezgéselemzésével (spektrumával) igazolható. A súrlódást vagy a kisfrekvenciás 2n, 3n, 4n összetevők, vagy az f = nz (1) nagyfrekvenciás összetevők jellemzik, ahol z a lapátok száma. Ha jelentős rezgés észlelhető és súrlódás következik be, akkor a hatásfok változása a gázturbina termodinamikai elemzésével állapítható meg. A kompresszor, a turbina vagy mindkettő hatásfokának változása növeli a modális kiegyensúlyozatlansági jellemzők számítására alkalmas forgórészmodellel szimulált rezgési amplitúdót, és a valós idejű analizátorral kapott rezgésspektrum hibrid hibaképet alkot. Ebbe a csoportba az alábbi hibák sorolhatók a kompresszorra és a gázturbinára: lerakódások a lapátokon, lapátok kopása szilárd részecskék eróziója következtében, belső tömítések súrlódása, lapátcsúcsok súrlódása. Bármilyen, a kompresszorban és a turbinában egyidejűleg fellépő hiba azonosítható. A hibrid hibaképek kidolgozása A gázturbina hibrid hibaképének meghatározásához az alábbi paramétereket kell mérni:

6 levegő és (elégett) gáz tömegáramlása, levegő nyomása és hőmérséklete a turbina előtt és után, és ha lehetséges, akkor további pontokban, égéstermékgáz nyomása és hőmérséklete a turbina előtt és után, hatásfokok. A hibrid hibakép három részből áll: 1. A kompresszor és/vagy a turbina termodinamikai paramétereinek (mint a hatásfok, a sűrítési viszony, és az entalpia) csökkenése (változása). 2. A csapágyon és/vagy a kompresszor/turbina házon mért, jelentős amplitúdójú, 2n, 3n, 4n frekvenciának megfelelő rezgési spektrum megjelenése. Ez a forgórész és az álló turbinatárcsa közötti labirinttömítésben fellépő súrlódásra utal. A spektrum példakénti alakja az 1. ábrán látható. Ha a forgó lapátok számának és a fordulatszám szorzatának megfelelő frekvencián megjelenő rezgési amplitúdó mérhető értékű, akkor a lapátok csúcsa az f = knz (2) összefüggés szerint a házon súrlódik. amplitúdó, mm rezgések szinkron amplitúdója frekvencia 1. ábra A rezgési spektrum a labirinttömítésben bekövetkező súrlódásra utal

7 A spektrum elemzésével a súrlódási frekvenciát azonosítva a kompresszor vagy a turbina fokozatának száma meghatározható. Ha a mozgó lapátoknak vannak rögzítőkarimáik, akkor a súrlódási frekvencia szabálytalan szám lehet. A 2. ábra példakénti spektrumot szemléltet. 50 amplitúdó, mm frekvencia 2. ábra A kompresszor vagy a turbina fokozatának száma a súrlódási frekvencia alapján azonosítható 3. A rezgési amplitúdó növekedése a labirinttömítés hézagainál nagyobb értékre. Normális körülmények között a forgórész rezgési amplitúdóját a csapágyakon vagy azok közelében mérik. A forgórész rezgéseinek módusalakját a kritikus fordulatszámokon vagy bármilyen egyéb fordulatszámon ismerve bármely pontra számítható a rezgési amplitúdó. Bármilyen más, a kritikus fordulatszámtól különböző fordulatszámhoz kiegyensúlyozatlansági átviteli program használható. A forgórész valamely pontján mért rezgési amplitúdót ismerve más pontokra is számítható a rezgés amplitúdója (3. ábra). Kritikus sebességre történő számításhoz, vagy a modális kiegyensúlyozatlanság számításához ismertek megfelelő programok. Elmozdulásérzékelőket használva a kiegyensúlyozatlanság számítható vagy becsülhető azt feltételezve, hogy a csapágy mért rezgési amplitúdója megegyezik a számítottal. A forgórész U(x)excentricitása például az általános javítás alkalmával mérhető. Ekkor a rezgési amplitúdó a forgórész bármely pontjára és bármilyen fordulatszámra számítható, a maximális rezgési amplitúdójú pont diagnosztikai célokra alkalmas.

8 fajlagos hőfogyasztás növekedése nem érzékelt hibát nem a kompresszor hatásfoka nőtt igen nem p 2 /p 1 nyomásarány csökkent fokozatosan naponta nem ezer óra nagyságrendű idő alatt igen hirtelen igen igen álló alkatrészek mechanikai hibája nem rezgés megnőtt igen a rezgés amplitúdója nagyobb volt a tömítés résénél 2n, 3n, 4n harmonikusok tömítés kopása miből ered a rezgésspektrum? lapátcsúcs kopása fi = nzd nagyrekvenciás komponensek tömítés és lapátcsúcs kopása 3. ábra Turbókompresszor hibáit azonosító algoritmus A rezgési amplitúdó az általános javítás során összehasonlítható a tömítés résével. Ha a rezgés amplitúdója nagyobb a tömítés résénél, akkor súrlódás következik be, és jelezhető a súrlódás legvalószínűbb helye. Ez a csapágy rezgési spektrumának elemzésével is megerősíthető. Amennyiben súrlódás lép fel, akkor az (1) egyenlettel megadott valame-

9 lyik 2n, 3n, 4n vagy nagyobb frekvencián rezgéskomponensek jelennek meg. Ezt a megközelítést használva meghatározható a rezgési amplitúdó, és a csapágyon mért rezgési amplitúdókkal együtt (például) az alábbi hibák azonosíthatók: lerakódások, nagymértékű kiegyensúlyozatlanságot okozó anyag, lapátok vagy lapátok bevonatának hiánya, hőhatás miatt időszakosan meghajlott tengely. Hibrid hibaképek alkalmazása A hibrid hibaképek megmutathatják a kompresszoron vagy a gázturbinán vagy mindkettőn (tengely és az álló turbinatárcsa közötti) a belső tömítések kopását. A kompresszor vagy a turbina lapátcsúcsainak kopása akkor határozható meg, ha a súrlódást a tengely rezgése, a tengely meghajlása vagy a ház torzulása okozza. Az utóbbi esetben a diagnosztikához csak két hibakomponens lényeges: a hatásfok csökkenése és jelentős nagyfrekvenciás rezgéskomponensek megjelenése. Néhány hibridkép: 1. A forgó lapátok csúcsának kopása. Ez a hibatípus általában rövid időszakokra (indulás vagy terhelésváltozások közben) lép fel, és jellemzője a rezgések (időszakos vagy állandó) növekedése vagy új amplitúdókomponensek (csúcsok) mint f = nzk (3) megjelenése a csapágyon mért rezgési spektrumban. Ha az f frekvenciájú rezgés amplitúdója jelentős, akkor ez a z lapátszámú fokozatban fellépő súrlódás lehetőségére utal. Egyidejűleg csökken a p 2 /p 1 nyomásarány, a kompresszor hatásfoka és a gázturbina kimeneti teljesítménye. Ha a kompresszor hatásfoka nem változik, csak a gázturbina hatásfoka és kimeneti teljesítménye csökken, akkor a hiba a gázturbinában lép fel. 2. A forgórész rezgése következtében kopott tömítések hibrid hibaképei. Indítás vagy terhelésváltozás közben a forgórész időszakosan meggörbülhet, aminek következtében a rezgés fokozódik. Ha a rezgés amplitúdója nagyobb mint a tömítés rése, akkor súrlódás lép fel, és jelentős 2n, 3n, 4n frekvenciájú rezgési komponensek jelennek meg. Egyidejűleg vagy a kompresszor hatásfoka (p 2 /p 1 és M levegő értéke) vagy a gázturbina hatásfoka csökken.

10 Ha a rezgés növekedését a forgórész hibái okozzák, akkor először a szinkron rezgési amplitúdó növekedése észlelhető. Azután az álló alkatrészekkel való érintkezés során vagy a 2n, 3n, 4n, vagy magasabb harmonikus komponensek valamelyike jelenik meg. Ha a burkolat deformálódik, akkor először a harmonikusok és a nagyfrekvenciájú komponensek növekednek, és ezt követi a szinkron rezgési amplitúdó növekedése. A 3. ábrán szemléltetett algoritmus sok, a kompresszorban, a gázturbinában vagy mindkettőben fellépő hiba azonosítására alkalmas. Az algoritmus alapján diagnosztikai szakértői rendszert dolgoztak ki, amelyben 39 operátort, 49 választást és 42 szabályt használnak. Hibák detektálására a 1 valószínűségi tényezőt alkalmazzák. Példaként a 6. szabály leírása látható: 6. szabály [fajlagos hőfogyasztás] HA: az égéstér simán működik és a kompresszor (nyomás) p 2 /p 1 kompresszióaránya és hatásfoka csökkent, és a kompressziófok minden átmenet nélkül csökkent, és a jelenség a rezgések növekedése után következett be, és a rezgési amplitúdó nagyobb volt a tömítés légrésénél, és a rezgési spektrumban jelentős amplitúdójú 2n, 3n, 4n frekvenciájú komponensek vannak, AKKOR a kompresszor tömítéseinek kopása következett be 10/10 valószínűséggel. Esettanulmány: 160 MW-os gázturbina károsodása A Németországban működő négy, ABB-Alstom gyártmányú, 164 MW névleges teljesítményű, GT 13 E 2 típusjelű gázturbina közül az egyikben összesen ekvivalens üzemóra (120 indítás) ekvivalens üzemóra a legutóbbi revízió óta után súlyos károsodás következett be. A kétfokozatú, gyűrűs égőkamrából 1100 C-os gáz áramlik az ötfokozatú, léghűtéses lapátos futókerék- és vezetőkerék-koszorús turbinába. A kompresszor 21-fokozatú, teljesítménye 515 kg/s levegő. A turbinát az automatika túl nagy csapágyrezgés észlelése alapján állította le. A turbinaház felnyitása után a következőket tapasztalták: a második fokozati futó- és vezetőkerék-koszorú egyes lapátjai letört darabok következtében sérültek; a harmadik fokozati vezetőkerék-koszorú

11 lapátjainak kb. 50%-a letört darabok következtében nagymértékben (javíthatatlanul) sérült; a harmadik fokozati futókerék-koszorú valamennyi lapátja a felső harmadban (egy lapát az alsó harmadban) letört; a negyedik és az ötödik fokozati futó- és vezetőkerék-koszorú letört darabok következtében teljes mértékben (javíthatatlanul) sérült. A harmadik fokozat futókerekének lapátjai 400 mm hosszúak, Inconel INC738LC anyagúak, bevonat nélküliek, kétcsatornás, konvekciós belső léghűtésűek, CC (conventional casting) öntési eljárással készültek, a közeghőmérséklet alapterhelésen kb. 800 C. A jelentős sérülések miatt a károsodás menete egyértelműen nem volt rekonstruálható. A legvalószínűbb hipotézis azonban az, hogy a harmadik fokozat futókerék-koszorújának rögzítőkarima-szegmenseiből már a jelentős károsodás előtt egyes darabok törtek ki. Az egyik ilyen darab úgy akadt be, hogy az első fokozat egyik futókeréklapátját letörte, ez a vezetőlapát-hordozóba csapódott, és kitörte a többi lapátot. Ezt a hipotézist az is alátámasztja, hogy a rezgésértékek már korábban is kisebb tömegveszteségekre utaltak, ezek mértéke azonban nem érte el a gyártó előírásainak megfelelően beállított riasztási értékeket. A részletesebb vizsgálatok szerint a második és a harmadik fokozat futókerék-koszorúi és az álló alkatrészek közötti, méhsejtes tömítés méretének beállítása rendkívül kritikus; túl nagy rés jelentős veszteségeket okoz, túl kis rés a fellépő súrlódás miatt az anyag helyi túlmelegedését és végső soron lapáttörést okozhat. A tapasztalatok alapján a többi gázturbina endoszkópos vizsgálatát is elvégezték, és a harmadik fokozat futókerék-koszorújának rögzítőkarima-szegmensein jól felismerhető kopásokat és deformációkat észleltek. Ezek alapján a harmadik fokozat futókerék-lapátkoszorúinak cseréjét határozták el. Az alapvető cél a rögzítőkarima csúcsainak kopását megakadályozó és a méhsejtes tömítésbe történő becsiszolódást megvalósító módosítás. A rögzítőkarima csúcsainak keménységét növelni kell, és meg kell akadályozni az üzemi hatások során bekövetkező képlékeny alakváltozásokat. A rögzítőkarima részletesebb vizsgálatai szerint a viszonyok stabilizálásához valószínűleg nem elég 200 µm vastag volfrám-karbidbevonat alkalmazása, hanem a szerkezet módosítása is szükséges, így pl. a tömegek csökkentése (a centrifugális erő által okozott fajlagos igénybevétel 800 N/cm 2 ), a geometria változtatásával a merevség optimálása, a hűtés javítása. Korszerű technológiai eljárások (lézeres hegesztés, szikraforgácsolás) lehetővé tették a szükséges módosítások elvégzését a szokásos karbantartási felújítási tevékenységek során.

12 A harmadik, ill. a második futókerék-lapátkoszorú rögzítőkarimáján megfigyelt, eddig üzemzavarokat nem okozott helyi kiboltosodások (ballooning) ugyancsak konstrukciós változtatásokat tesznek szükségessé, amelyek célja 750 C, ill. 800 C hőmérsékleten a 240 MPa, ill. 190 MPa feszültség túllépésének megelőzése. A gyártó ABB-Alstom vállalat a korábbi és a jelenlegi tapasztalatok alapján GT 13 E 2-M típusjelzéssel a turbina módosított változatának kifejlesztését kezdte meg. A cél konstrukciós és technológiai változtatások bevezetésével, nagyobb terhelhetőségű csapágyak alkalmazásával az élettartam, a teljesítmény és a hatásfok növelése. Összeállította: Pálinkás János Auerkari, P.; Pitkänen, J. stb.: Maintenance of gas turbines impact and implications for NDT. = Insight, 44. k. 9. sz p Kubiak, J. S.; García, A. G. stb.: Hybrid fault patterns for diagnosing gas turbina component degradation. = Hydrocarbon Processing, 83. k. 4. sz p. 71., 72., 74. Gebert, H.; Kodim, M. stb.: Schaden an einer 160-MW-Gasturbine. = VGB Power Tech, 84. k. 4. sz p