Решение прикладных инженерных задач в сфере транспортировки газа

При производстве, ремонте и инженерном сопровождении эксплуатации центробежных компрессоров (ЦБК) большой мощности важную роль играют опыт и квалификация персонала, вовлеченного в эти процессы. Сотрудники ООО «Петербургская машиностроительная компания» (ООО «ПМК») имеют многолетний опыт решения сложных производственных и инженерных задач, в том числе в области материаловедения и расчета динамических и прочностных характеристик изделия. Именно поэтому наше предприятие специализируется на оказании услуг во всех обозначенных выше направлениях. В статье приводится один из случаев применения имеющегося опыта и знаний для решения ответственной инженерной задачи, возникшей у заказчика.

В 2018 году сотрудники нашего предприятия были привлечены в качестве независимых экспертов к выявлению причин разрушения рабочих колес (РК) на сменных проточных частях (СПЧ) нагнетателей природного газа Н 370-­17-­1 2017 года выпуска, работающих в составе газоперекачивающих агрегатов ГТК­-10. СПЧ были изготовлены с целью снижения производительности имеющихся ГПА с 36 млн нм³/сут. до 17 млн нм3/сут., эксплуатирующихся в одном цеху газокомпрессорной станции в составе магистрального газопровода на давлении 5,5 МПа. В случае если новые СПЧ подтвердят заявленные характеристики, предполагалось модернизировать еще 7 эксплуатируемых нагнетателей. Сменные проточные части включали в себя следующие узлы: стакан, ротор, диффузор, подшипники скольжения и торцевые уплотнения. Ротор спроектирован по консольной схеме, жесткого типа, имеет РК закрытого типа, выполненное в сварном исполнении. Цельнофрезерованный диск с лопатками (рисунок 1) из высококачественной легированной стали приварен к покрывающему диску через паз.

Всего по данному проекту было изготовлено две СПЧ, обе подтвердили заявленные газодинамические характеристики в процессе эксплуатации на компрессорной станции, но на обеих по истечении менее 700 часов произошло разрушение РК, что сделало невозможным дальнейшее применение СПЧ по данному проекту до выявления и устранения причин разрушения.

В качестве исходных данных имелось: результаты визуально-­измерительного контроля (ВИК) РК после разрушения, сертификаты на материалы заготовок, результаты замеров твердости по РК, температурные режимы снятия напряжений на РК после сварки и чертежи РК. По результатам ВИК были обнаружены сколы и трещины на покрывающих дисках, многочисленные забоины на лопатках. На обоих РК основным дефектом, явившимся следствием разрушения. были два скола покрывающего диска. Сколы имели треугольную форму с вершиной, находящейся на оси лопатки на расстоянии одной трети от ее вершины.

Для выявления причин возникновения данных повреждений нашими специалистами были проделаны следующие действия: проанализированы режимы термической обработки после сварки и результаты замеров твердости материалов РК, проведен расчет собственных частот колебаний РК, проведен расчет прочности РК при рабочих оборотах.

По итогам расчетов собственных частот колебаний были определены следующие критические частоты вращения ротора: 38 Гц, 310 Гц и 401 Гц. Рабочая частота вращения ЦБК, на которой произошло разрушение, составляет 83 Гц, что полностью отвечает требованиям API 617 по запасу удаления от критических частот вращения в размере 16 % от частоты 38 ГЦ и 26 % от частоты 310 Гц и свидетельствует о правильности проектирования ротора с точки зрения вибрации.

При тщательном осмотре картины разрушения и направления роста трещин возник вопрос о наличии концентратора напряжений, находящегося в месте приварки лопатки к покрывному диску, заложенного конструктивно. Для верификации выдвинутого предположения специалистами ООО «ПМК» был проведен расчет прочности методом конечных элементов с применением программного комплекса ANSYS. При выполнении расчета РК на прочность было доказано, что в конструкции колеса в месте зарождения трещины действительно имелся участок, напряжения в котором – в случае некачественного выполнения сварки – достигают критических значений.

Также в процессе проведения расчетов на прочность наши специалисты обратили внимание на марку материала, из которого были изготовлены колеса. В качестве материала была выбрана конструкционная легированная сталь мартенситного класса 30Х2НМФА. Данная сталь крайне нежелательна для применения при изготовлении РК ЦБК по нескольким причинам:

­ она интенсивно закаливается при сварке, что приводит к образованию холодных трещин;

­ имеет небольшое относительное удлинение (около 10 %) и незначительную разницу между пределом текучести и временным сопротивлением разрыву (менее 10 %);

­ для качественного выполнения сварки сталей данного типа обязательно соблюдение следующих требований: обеспечение требуемой скорости охлаждения шва, применение специальных флюсов и сварочных материалов, точность подготовки кромок под сварку.

Обеспечение качественного сварного соединения данной марки стали на динамически нагруженном узле требует тщательного соблюдения технологии при сварке РК и высокой квалификации персонала.

По итогам рассмотрения режимов подогрева колеса до сварки, термической обработки колеса до и после сварки, ВИК сварных швов, а также оценки результатов замеров твердости металла РК, нашими специалистами было высказано предположение, что при сварке колес были допущены следующие ошибки:

­ неправильно подобран режим термической обработки, что привело к повышенной твердости зоны термического влияния относительно основного металла;

­ низкое качество обработки свариваемых кромок, что привело к возникновению большого количества пор, непроваров и дефектов в сварном шве.

Данные предположения были проверены путем изготовления контрольных сварных соединений (КСС) из материала РК, их последующей сварки, проведения термической обработки по режимам изготовителя РК и режимам, подобранным нашими специалистами, и проведения последующих капиллярных и механических испытаний (рисунок 2). Результаты испытаний подтвердили аналитические выводы.

По итогам полного анализа полученных результатов расчетов и испытаний было сделано заключение: «Причиной разрушения РК явился комплекс факторов, возникших по причине конструкторской и технологической ошибок изготовителя РК. Неправильно выбранная конструкция колеса определила наличие в основании лопаток участка концентрации напряжений, которые в случае некачественного выполнения сварки данного участка могли привести к разрушению. Применение трудносвариваемой легированной стали и несоблюдение технологии изготовления привело к возникновению трещин в данных швах и, соответственно, возникновению скола на покрывающем диске».

Обозначив допущенные изготовителем ошибки, заказчику были выданы рекомендации по конструкции колеса и технологии его изготовления, которые впоследствии были направлены изготовителю и легли в основу нового проекта РК. РК, спроектированные и изготовленные с применением рекомендаций ООО «ПМК», эксплуатируются в составе ЦБК к текущему моменту более 6000 часов без аварий.

г. Санкт-­Петербург, пр. Стачек, д. 47

+7 (812) 603 74 70

info@spbmk.ru

Журнал «Нефть и газ Сибири» 3(40)2020