Riparazione di precisione delle pale monocristalline delle turbine a gas: la chiave per migliorare prestazioni e affidabilità
I progressi nella tecnologia delle pale delle turbine hanno aumentato il costo dei nuovi componenti. Il costo di una lama a cristallo singolo è da due a tre volte quello di una lama fusa convenzionale di dimensioni e complessità simili. Il costo elevato di un componente a cristallo singolo può incentivare il proprietario a massimizzare la durata del componente.
Come soluzione per ridurre i costi di sostituzione dei componenti, la nostra azienda ha creato processi progettati per prolungare la vita dei componenti. Uno di questi processi è il trattamento termico rigenerativo a soluzione completa (FSR). La FSR ripristina la microstruttura e le proprietà meccaniche della lega a un nuovo stato. Il problema principale del trattamento termico della lega FSR monocristallina è la formazione di grani ricristallizzati sulla superficie con stress residuo. Questo è un rischio dato il basso contenuto di additivi per il rafforzamento dei bordi dei grani nelle leghe monocristalline. La ricristallizzazione e/o i grani vaganti nelle leghe monocristalline determinano una riduzione della durata a fatica e della resistenza alla rottura da sollecitazione ad alte temperature. Di conseguenza, vengono ispezionati dal produttore originale e rifiutati. Questo è uno dei fattori che determinano l'aumento del prezzo delle fusioni in cristallo singolo!
La nostra azienda ha condotto una riparazione di prova per valutare ulteriormente la fattibilità del trattamento termico FSR delle pale di turbine monocristalline, durante la quale è stato fondamentale garantire che le superfici critiche delle pale non subissero deformazioni plastiche per evitare la successiva ricristallizzazione. Inoltre, è necessario utilizzare efficaci metodi di prova non distruttivi per verificare la ricristallizzazione delle superfici critiche. La riparazione dimostrativa e l'analisi distruttiva sono state eseguite utilizzando una pala di turbina Siemens SGT-100 HP ritirata composta da lega a cristallo singolo CMSX-4, come mostrato nella Figura 2. Le pale sono state in funzione per 28,{{5} } ore. Dopo una riparazione, ha funzionato per altre 12,000 ore. Il tempo totale di servizio è di 36,000 ore e l'OEM notifica all'operatore che la parte è scaduta!
Una lama rappresentativa del gruppo è stata sottoposta ad un'ispezione distruttiva nello stato "quando ricevuta" per stabilire una linea di base delle condizioni metallurgiche. Le restanti cinque lame necessitano di riparazione, tra cui:
Rimozione del rivestimento
Rilevamento delle dimensioni e della penetrazione
Trattamento termico di ringiovanimento della soluzione completa
Sostituire il rivestimento esterno in platino-alluminato
Una lama rappresentativa del gruppo è stata sottoposta ad un'ispezione distruttiva nello stato "quando ricevuta" per stabilire una linea di base delle condizioni metallurgiche. Le restanti cinque lame necessitano di riparazione, tra cui:
Microscopia elettronica a scansione di leghe vili (forma gamma)
Test di frattura da stress di campioni di micropiastre prelevati da profili alari
Esame microscopico delle superfici interne ed esterne.
La superficie esterna del profilo alare contiene un rivestimento di platino alluminizzato, come mostrato in Figura . Sebbene il rivestimento fosse parzialmente consumato, ha fornito una protezione efficace per i precedenti intervalli di manutenzione, poiché non è stato osservato alcun danno alla lega di base sottostante.
Superficie interna del profilo alare non rivestita, Figura 3 a destra. È stata osservata una leggera ossidazione della lega base sulla superficie interna con una profondità di penetrazione di<25 microns (0.001 in).
Dopo che il rivestimento è stato rimosso, le foglie vengono controllate per eventuali crepe o difetti superficiali esposti mediante test di penetrazione fluorescente (FPI). Non è stato trovato alcun segno.
L'esame stabilì che queste foglie erano buoni oggetti da riparare. La tecnologia ad ultrasuoni viene utilizzata per misurare lo spessore della parete.
Dopo il trattamento termico FSR, i grani ricristallizzati nelle aree chiave delle pale sono stati esaminati in modo non distruttivo mediante attacco chimico. In quattro delle cinque lame, i grani ricristallizzati compaiono in regioni chiave (esempio mostrato nella Figura 4).
L'ispezione distruttiva ha confermato che la profondità di ricristallizzazione di almeno una lama superava il limite utilizzabile (non tutte le aree di ricristallizzazione erano state distrutte).
Sulla base di questo risultato, altre 12 lame a fine vita sono state sottoposte ad ulteriore analisi. Il gruppo è composto da sette lame provenienti dallo stesso gruppo di prova iniziale di sei lame e cinque lame provenienti da gruppi di lame diversi. Tutte le pale sono state riparate, inclusa la rimozione del rivestimento e un processo di trattamento termico FSR, seguito da un'ispezione di incisione macroscopica dei grani ricristallizzati.
Tutte le foglie inizialmente presentavano dei granuli ricristallizzati in varia misura nelle regioni chiave. La lama viene sottoposta ad un ciclo di degranatura meccanica e reispezione fino all'eliminazione dei grani ricristallizzati da tutte le zone critiche. Infine, è stata eseguita un'ispezione distruttiva delle otto pale (cinque in un gruppo di sette e tre in un gruppo di cinque) per verificare i risultati dell'ispezione e valutare lo spessore di parete rimanente. Tutte e sette le pale del primo gruppo sono risultate entro i limiti di manutenzione, e quattro quinti delle pale del secondo gruppo sono risultate entro i limiti di manutenzione.
