ITCO20120047A1

ITCO20120047A1 - Selezione di un particolare materiale per pale di turbina a vapore

Info

Publication number: ITCO20120047A1
Application number: IT000047A
Authority: IT
Inventors: Michelangelo Bellacci; Massimiliano Buccioni; Federico Iozzelli; Marco Manetti
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-03-25
Also published as: US20150252676A1; WO2014044839A1; KR20150058354A; CN104797782A; MX2015003712A; RU2015108290A; BR112015006411A2; EP2917492A1; CA2884753A1; JP2015529780A

Description

SELECTION OF A PARTICULAR MATERIAL FOR STEAM TURBINE BLADES / SELEZIONE DI UN PARTICOLARE MATERIALE PER PALE DI TURBINA A VAPORE

CAMPO TECNICO

Le forme di realizzazione dell'oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono in generale a metodi e dispositivi e, più precisamente, a meccanismi e tecniche per l'impiego di acciaio inox austenitico per pale di turbina a vapore.

ARTE NOTA

Le turbine a vapore vengono oggi diffusamente utilizzate in numerosi settori e per una vasta gamma di applicazioni. Un problema significativo, associato alle turbine a vapore, consiste nel guasto delle pale della turbina durante il funzionamento. Le pale di turbina per un tipo attualmente in uso di turbine a vapore vengono prodotte in acciaio inox martensitico, ma comportano svantaggi quali una bassa resistenza alla corrosione e all'erosione. Inoltre usura, erosione, corrosione in genere, cracking da tensiocorrosione (SCC) e/o il guasto di una pala di turbina di una turbina a vapore comportano costosi tempi di inattività necessari per le riparazioni o la manutenzione.

Nello specifico le pale di turbina in acciaio martensitico vengono corrose da composti e contaminanti associati al vapore ad alta pressione. Questi composti comprendono, non in via limitativa, cloruri, solfuri, bromuri e biossido di carbonio. Inoltre l'acciaio martensitico può subire l'erosione da parte di goccioline liquide, a seconda delle caratteristiche della condensa di vapore, in punti ben precisi delle pale di turbina, a causa dell'elevata velocità angolare delle stesse pale. Il mercato preme affinché si realizzi un materiale che meglio tolleri le condizioni d'esercizio delle pale di turbina in una turbina a vapore.

Di conseguenza sarebbe auspicabile fornire progetti e metodi che evitassero gli inconvenienti e i problemi precedentemente descritti.

RIEPILOGO

Secondo una forma di realizzazione esemplificativa, è dato un apparato di pale per turbina a vapore. La forma di realizzazione esemplificativa continua con un mozzo per il collegamento a un albero. A seguire, nella forma di realizzazione esemplificativa, una pluralità di pale di turbina è collegata al mozzo e configurata in modo tale da espandere il vapore ad alta pressione, nel qual caso una (o più di una) delle pale di turbina è costruita in acciaio inox austenitico.

Secondo un'altra forma di realizzazione esemplificativa è dato un apparato di una turbina a vapore. La forma di realizzazione esemplificativa comprende un corpo atto a contenere i componenti della turbina a vapore. A seguire, nella forma di realizzazione esemplificativa, è presente una pluralità di pale di turbina montata su un albero rotante associato al corpo, nel qual caso le pale di turbina sono configurate in modo tale da espandere il vapore ad alta pressione e una (o più di una) delle pale di turbina è costruita in acciaio inox austenitico. Proseguendo con la forma di realizzazione esemplificativa, è presente una connessione di ingresso che permette l'ingresso di vapore ad alta pressione, adiacente alla pluralità di pale di turbina. E ancora con riferimento alla forma di realizzazione esemplificativa, è presente una connessione di uscita che permette la fuoriuscita di vapore ad alta pressione espanso, adiacente alla pluralità di pale di turbina.

Secondo un'ulteriore forma di realizzazione è dato un metodo atto a ridurre la suscettibilità alla corrosione e alle goccioline liquide di una o più pale di turbina presenti in una turbina a vapore. Proseguendo con la forma di realizzazione esemplificativa, il metodo costruisce una (o più di una) delle pale di turbina in acciaio inox austenitico. A seguire nella forma di realizzazione esemplificativa, qualsiasi pala di turbina rimanente è costruita in acciaio inox martensitico. Proseguendo con la forma di realizzazione esemplificativa, il metodo collega una o più delle pale di turbina in acciaio inox austenitico e le pale di turbina rimanenti in acciaio inox martensitico a un mozzo associato alla turbina a vapore, in modo tale che una o più delle pale di turbina in acciaio inox austenitico siano pale di turbina di uno degli ultimi stadi.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni allegati alla descrizione dettagliata, e di cui costituiscono parte integrante, rappresentano una o più forme di realizzazione e, unitamente alla descrizione, illustrano tali forme di realizzazione. Nei disegni:

la Figura 1 è una forma di realizzazione esemplificativa, che raffigura una turbina a vapore e una serie di pale di turbina;

la Figura 2 è una forma di realizzazione esemplificativa, che raffigura una pluralità di pale di turbina a vapore e

la Figura 3 è un diagramma di flusso di una forma esemplificativa di metodo, che raffigura un metodo atto a migliorare l'affidabilità e le prestazioni di una pala di turbina, basato sulla riduzione della suscettibilità alla corrosione e all'erosione da goccioline liquide.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni allegati. Numeri di riferimento uguali, ricorrenti in disegni diversi, rappresentano elementi simili o identici. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Al contrario, il campo di applicazione dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni allegate. Per ragioni di semplicità le seguenti forme di realizzazione sono trattate con riferimento alla terminologia e alla struttura proprie delle turbine a vapore.

In tutta la descrizione dettagliata, il riferimento a "una forma di realizzazione" indica che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una forma di realizzazione è inclusa in almeno una forma di realizzazione dell'oggetto divulgato. Pertanto il ricorso all'espressione "in una forma di realizzazione" in diversi punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla stessa forma di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in una o più forme di realizzazione in qualsivoglia modalità appropriata.

Volgendo ora l'attenzione alla Figura 1 , una forma di realizzazione esemplificativa raffigura un generatore di turbina a vapore 100 comprendente una turbina a vapore 102 e un generatore 104. Si noti, tuttavia, che si tratta unicamente di un'applicazione esemplificativa di una turbina a vapore per scopi illustrativi e che le turbine a vapore conformi alla presente invenzione possono, in alternativa, essere collegate ad altri dispositivi, ad esempio compressori. La turbina a vapore 102 comprende inoltre una pluralità di pale di turbina 106, una sede d'ingresso del vapore 108, una sede di uscita del vapore 110 e vapore ad alta pressione 112. Le pale di turbina della turbina a vapore sono collegate a un albero 114, a sua volta collegato al generatore 104.

Proseguendo con la forma di realizzazione esemplificativa, il vapore ad alta pressione 112 entra nella turbina a vapore 102 e si espande attraverso le pale 106 della turbina a vapore. A seconda della riduzione di pressione, mentre il vapore si espande e agisce sulle pale di turbina 106, le caratteristiche chimiche dell'acqua cambiano, andando a formare goccioline di liquido che corroderebbero le pale di turbina di uno degli ultimi stadi 116 della turbina a vapore 102, se il tipo di acciaio per costruire le pale di turbina di uno degli ultimi stadi 116 fosse diverso da quello utilizzato. Proseguendo con la forma di realizzazione esemplificativa, le pale di turbina di uno degli ultimi stadi 116 sono costruite in acciaio inox austenitico rinforzato con azoto. Un esempio di acciaio austenitico rinforzato con azoto, utilizzabile per costruire le pale di turbina di uno degli ultimi stadi 116, è l'acciaio 15-15HS descritto in United States Patent 5,094,812, la cui divulgazione è integrata nel presente mediante riferimento. A proposito della forma di realizzazione esemplificativa, occorre osservare che la resistenza a cracking da tensiocorrosione (SCC) è stata testata utilizzando l'acciaio 15-15HS; secondo il metodo di test ASTM G123 non è emersa alcuna suscettibilità a SCC attribuibile a cloruri, a differenza dell'acciaio inox martensitico M152 che, sottoposto al medesimo test e alle stesse condizioni, manifesta tale suscettibilità.

Nella forma di realizzazione esemplificativa l'azoto rinforza l'acciaio inox: per quanto concerne la resistenza meccanica, le prestazioni dell'acciaio austenitico sono pari a quelle dell'acciaio martensitico. Ancora con riferimento alla forma di realizzazione esemplificativa, l'acciaio inox austenitico è meno suscettibile alla corrosione in genere, nonché a SCC e all'erosione da goccioline liquide, fornendo pale di turbina di uno degli ultimi stadi dalle prestazioni migliori e che richiedono meno manutenzione. Occorre notare che una o più delle pale di turbina associate a una turbina a vapore possono essere costruite in acciaio inox austenitico rinforzato con azoto. Tuttavia, secondo alcune forme di realizzazione esemplificative, solo le pale di turbina degli ultimi stadi a bassa pressione (ovvero lo stadio più distante dall'ingresso del vapore 108) sono costruite con acciaio inox austenitico, laddove la temperatura è minore e il vapore è in prevalenza allo stato acqueo.

In alternativa, secondo altre forme di realizzazione, proprio gli ultimi stadi, p. es. gli ultimi due o tre, più distanti dall'ingresso del vapore, possono presentare pale formate con acciaio inox austenitico, p. es. acciaio 15-15HS, mentre gli stadi rimanenti possono presentare pale di turbina costruiti in acciaio inox martensitico. Con riferimento alla forma di realizzazione esemplificativa occorre notare che altri tipi di acciaio inox austenitico idonei per l'uso in pale di turbina di uno degli ultimi stadi sono gli acciai inox austenitici contenenti nichel in una percentuale in peso minore del 5%, manganese in una percentuale in peso maggiore del 10% e azoto in percentuale in peso maggiore di 1,5%.

Passando ora alla figura 2, è raffigurata una forma di realizzazione esemplificativa di una pluralità di pale di turbina 200. Nella forma di realizzazione esemplificativa le pale di turbina di uno degli ultimi stadi 202, 204 sono tipicamente idonee per essere prodotte in acciaio inox austenitico. Con riferimento alla forma di realizzazione esemplificativa occorre notare che tutte le pale di turbina 202, 204, 206, 208, 210 si possono costruire in acciaio inox austenitico, se lo si desidera. Come affermato in precedenza, l'acciaio inox austenitico idoneo per l'uso nella produzione di pale di turbina a vapore secondo forme di realizzazione esemplificative può essere, per esempio, una delle leghe di acciaio descritte in U.S. Patent No. 5,094,812 precedentemente integrato mediante riferimento. Occorre notare che in tali forme di realizzazione l'aggiunta di azoto rinforza l'acciaio inox austenitico, in modo tale che le proprietà meccaniche ne consentano l'uso in applicazioni come per le pale di una turbina a vapore. Ancora con riferimento alla forma di realizzazione esemplificativa, la bassa concentrazione di carbonio nell'acciaio inox austenitico migliora la resistenza al cracking da tensiocorrosione intergranulare della pala di turbina. Occorre inoltre notare, con riferimento alla forma di realizzazione esemplificativa, che l'acciaio inox austenitico denota una resistenza al cracking da tensiocorrosione migliore del tipico acciaio inox martensitico, una resistenza alla corrosione generale migliore dell'acciaio inox martensitico e una resistenza all'erosione da goccioline liquide e proprietà meccaniche almeno pari (o migliori) rispetto al tipico acciaio inox martensitico. Osservando adesso la figura 3, è raffigurato un diagramma di flusso 300 relativo a una forma di realizzazione di un metodo esemplificativo atto a ridurre la suscettibilità alla corrosione e la suscettibilità all'erosione da goccioline liquide di una o più pale di turbina, in una turbina a vapore. In primo luogo, al passaggio 302 della forma di realizzazione esemplificativa, una o più pale di turbina, associate a una turbina a vapore, sono costruite con acciaio inox austenitico. Con riferimento alla forma di realizzazione del metodo esemplificativa, occorre notare che l'acciaio inox austenitico è un acciaio inox ed è rinforzato con azoto.

In secondo luogo, al passaggio 304 della forma di realizzazione esemplificativa, eventuali pale di turbina rimanenti, associate alla turbina a vapore, sono costruite in acciaio inox martensitico. Successivamente, al passaggio 306 della forma di realizzazione esemplificativa, le pale di turbina, sia austenitiche sia martensitiche, sono collegate a un mozzo associato a una turbina a vapore, in modo tale che le pale austenitiche siano configurate come pale di turbina di uno degli ultimi stadi. Con riferimento alla forma di realizzazione esemplificativa, occorre notare che il mozzo è costruito in acciaio inox martensitico.

Le forme di realizzazione esemplificative divulgate forniscono un sistema e un metodo atti a migliorare le prestazioni e la durata di una turbina a vapore. Resta inteso che la presente descrizione non intende limitare l'invenzione. Al contrario, le forme di realizzazione esemplificative includono alternative, modifiche e soluzioni equivalenti che rientrano nello spirito e nel campo di applicazione dell'invenzione, come definito dalle rivendicazioni allegate. Inoltre nella descrizione dettagliata delle forme di realizzazione esemplificative sono esposti numerosi dettagli specifici, al fine di consentire una comprensione esauriente dell'invenzione rivendicata. Tuttavia chiunque sia esperto in materia comprenderà che è possibile produrre diverse forme di realizzazione senza tali dettagli specifici.

Nonostante le caratteristiche e gli elementi delle presenti forme di realizzazione esemplificative siano descritti nelle forme di realizzazione in combinazioni specifiche, ciascuna caratteristica o ciascun elemento possono essere utilizzati singolarmente, senza le altre caratteristiche e gli altri elementi delle forme di realizzazione, o in diverse combinazioni che prevedano o meno altre caratteristiche ed elementi divulgati dal presente documento.

La presente descrizione scritta si avvale di esempi per divulgare l'invenzione, inclusa la modalità migliore, per consentire a qualsiasi esperto in materia di attuare l'invenzione, compresi la realizzazione e l'utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema nonché l'esecuzione di qualsiasi metodo incluso. Il campo di applicazione brevettabile dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni e può includere altri esempi che possono venire in mente agli esperti in materia. Tali altri esempi s'intenderanno compresi nel campo di applicazione delle rivendicazioni qualora presentassero elementi strutturali che non differiscono dal testo letterale delle rivendicazioni o qualora includessero elementi strutturali equivalenti nel testo letterale delle rivendicazioni.

Claims

CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Apparato di pale di turbina a vapore comprendente: un mozzo atto a stabilire il collegamento con un albero e una pluralità di pale di turbina collegate a detto mozzo e configurata in modo da espandere vapore ad alta pressione, nel qual caso una o più pale di turbina che compongono detta pluralità è costruita in acciaio inox austenitico. 2. Apparato della rivendicazione 1, nel quale detto mozzo è costruito in acciaio inox martensitico. 3. Apparato della rivendicazione 1, nel quale detto acciaio inox austenitico contiene più del 10% del peso di manganese. 4. Apparato della rivendicazione 1, nel quale detto acciaio inox austenitico contiene meno del 5% del peso di nichel. 5. Apparato della rivendicazione 4, nel quale detto acciaio inox austenitico è rinforzato con azoto. 6. Apparato della rivendicazione 5, nel quale detto azoto è presente in misura maggiore di 1 ,5% del peso. 7. Apparato di turbina a vapore, laddove detto apparato comprende: un corpo atto a racchiudere i componenti di tale turbomacchina; una pluralità di pale di turbina montata in una pluralità di stadi su un albero rotante associato al corpo, nel qual caso dette pale di turbina sono configurate in modo tale da espandere il vapore ad alta pressione e una (o più di una) delle pale di turbina è costruita in acciaio inox austenitico; una connessione di ingresso che consente l'ingresso di vapore ad alta pressione, adiacente a detta pluralità di pale di turbina e una connessione di uscita, che permette la fuoriuscita di vapore ad alta pressione espanso, adiacente a detta pluralità di pale di turbina. 8. Apparato della rivendicazione 7, nel quale sono costruite in acciaio inox austenitico solo pale di turbina in uno stadio che si trovi alla massima distanza dalla connessione di ingresso. 9. Apparato della rivendicazione 7, nel quale sono costruite in acciaio inox austenitico solo pale di turbina in una pluralità di stadi posti nella posizione più vicina possibile alla connessione di uscita. 10. Metodo atto a ridurre almeno o la suscettibilità alla corrosione o la suscettibilità all’erosione da goccioline liquide di una o più pale di turbina in una turbina a vapore, laddove detto metodo comprende: la costruzione di una o più pale di turbina suddette in acciaio inox austenitico; la costruzione di eventuali pale di turbina associate a detta turbina a vapore in acciaio inox martensitico e il collegamento di una o più delle pale di turbina in acciaio inox austenitico e delle pale di turbina rimanenti in acciaio inox martensitico a un mozzo associato a detta turbina a vapore, in modo tale che una o più delle pale di turbina in acciaio inox austenitico siano pale di turbina di uno degli ultimi stadi. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. A steam turbine blade apparatus, comprising: a hub for connecting to a shaft; and a plurality of turbine blades connected to said hub and configured to expand high pressure steam and wherein one or more of said plurality of turbine blades are constructed of Austenitic stainless steel.
2. The apparatus of claim 1, wherein said hub is constructed of Martensitic stainless steel.
3. The apparatus of claim 1, wherein said Austenitic stainless steel is greater than ten weight percent manganese.
4. The apparatus of claim 1, wherein said Austenitic stainless steel is less than five weight percent nickel.
5. The apparatus of claim 4, wherein said Austenitic stainless steel is strengthened with Nitrogen.
6. The apparatus of claim 5, wherein said nitrogen is greater than one half weight percent.
7. A steam turbine apparatus, said apparatus comprising: a casing for enclosing said steam turbine components; a plurality of turbine blades mounted in a plurality of stages on a rotating shaft associated with said casing wherein said turbine blades are configured to expand high pressure steam and one or more of said turbine blades are constructed of an Austenitic stainless steel; an inlet connection allowing entry of high pressure steam adjacent to said plurality of turbine blades; and an outlet connection allowing exit of expanded high pressure steam adjacent to said plurality of turbine blades.
8. The apparatus of claim 7, wherein only turbine blades in a stage which is furthest from the inlet connection are constructed of Austenitic stainless steel.
9. The apparatus of claim 7, wherein only turbine blades in a plurality of stages which are closest to the outlet connection are constructed of Austenitic stainless steel.
10. A method for decreasing at least one of the corrosion susceptibility and the liquid droplet erosion susceptibility of one or more turbine blades in a steam turbine, said method comprising: constructing said one or more turbine blades of an Austenitic stainless steel; constructing any remaining turbine blades associated with said steam turbine of Martensitic stainless steel; and attaching said one or more turbine blades of Austenitic stainless steel and said remaining turbine blades of Martensitic stainless steel to a hub associated with said steam turbine such that said one or more Austenitic stainless steel turbine blades are later stage turbine blades.