Листовой и сортовой прокат

Большая часть деталей гидротурбин выполняется в виде сварных конструкций из листового проката, расход которого в общем расходе материалов составляет 50—65 для турбин поворотно-лопастного типа и до 75% — радиально-осевого типа. Расход сортового проката и труб, применяемых для изготовления крепежных деталей, элементов рычажных передач, трубопроводов, не превышает 2% для турбин всех типов.

Номенклатура применяемых марок сталей определяется требованиями прочности, особенностями работы гидротурбин, условиями их производства, в отдельных случаях — транспортирования и хранения (например, для ГЭС, строящихся в районах с особенно холодным климатом). Углеродистая сталь обыкновенного качества марок ВСт3 и БСт3 по ГОСТ 380—71* в листах толщиной от 4 до 160 мм составляет 75—90% всего применяемого проката. При толщине листа до 30 мм применяют сталь группы В (поставляется по механическим свойствам и химическому составу), полуспокойной плавки, четвертой категории нормируемых показателей, марок ВСт3пс4 или ВСт3Гпс4. При толщине листа 32— 60 мм применяют сталь марки ВСт3спЗ спокойной плавки. Категория 3 предусматривает испытания ударной вязкости при +20, а 4 при —20° С. При толщине листа более 60 мм применяется сталь группы Б (поставляется по химическому составу), спокойной плавки, второй категории нормируемых показателей, марки БСт3сп2, с гарантией по свариваемости. Последнее требование означает, что отклонение содержания углерода в сторону увеличения не допускается.

Для сварных конструкций, складируемых и монтируемых при температурах до —60° С, при толщине листа до 30 мм применяется сталь марки ВСт3Гпс4, а при толщине 32—60 мм — низколегированная сталь марки 09Г2С-9 по ГОСТ 19282—73. Для этих условий все сварные конструкции обязательно подвергают термической обработке (отпуску для снятия напряжений).

Ручная дуговая сварка конструкций из углеродистых сталей осуществляется электродами марки УОНИ 13/45. Для сварки в среде углекислого газа применяется сварочная проволока марки Св-08Г2С, поставляемая в соответствии ГОСТ 2246—70.

Низколегированные стали используют для изготовления ответственных тяжелонагруженных сварных деталей гидротурбин. В турбинах поворотно-лопастного типа расход их составляет около 3% всех прокатных материалов, а для радиально-осевых — от 6 до 18% в зависимости от размеров машин и действующего напора. Стали марок 22К и 20ГСФ, поставляемые по специальным техническим условиям, применяют для изготовления нижних ободов и лопастей сварных рабочих колес в листах толщиной до 200 мм. Наиболее нагруженные элементы сварных спиральных камер и статоров выполняют из стали 10ХСНД по ГОСТ 19282—73 толщиной до 40 мм. Химический состав и механические свойства указанных низколегированных сталей приведены в табл. 3.10 и 3.11.

Таблица 3.10. Химический состав, %, низколегированных сталей

Марка стали	Углерод	Марганец	Кремний	Хром	Никель	Медь	Ванадий	Сера	Фосфор
								Не более
22К 20ГСФ 09Г2С 10ХСНД	0,19—0,25 0,16—0,22 ≤0,12 ≤0,12	0,75—1,0 1,1—1,3 1,3—1,7 0,5—0,8	0,2—0,4 0,6—0,8 0,5—0,8 0,8—1,1	≤0,4 ≤0,3 ≤0,3 0,6—0,9	≤0,3 ≤0,3 ≤0,3 0,5—0,8	≤0,3 ≤0,3 ≤0,3 0,4—0,6	— 0,08—0,15 — —	0,030 0,025 0,040 0,040	0,030 0,025 0,035 0,035

Таблица 3.11. Механические свойства (не менее) низколегированных сталей

Все низколегированные стали являются хорошо свариваемыми. Сварку сталей марок 22К, 20ГСФ и 09Г2С выполняют электродами марки УОНИ 13/45, марки 10ХСНД — УОНИ 13/55. В тех случаях, когда прочностные характеристики стали 10ХСНД оказываются недостаточными, применяется высокопрочная легированная сталь марок СК-2 при толщине листа до 30 мм и СК-1 при толщине листа 32—50 мм. Эти стали применены при изготовлении спиральных камер и статоров радиально-осевых турбин, а также коллекторов турбин ковшового типа.

Механические свойства сталей:
Предел текучести, кгс/мм²...........52
Временное сопротивление, кгс/мм² .......    62
Относительное удлинение, % .........16
Относительное сужение, % ..........55
Ударная вязкость, кгс-м/см²...............9
Сварка этих сталей осуществляется аустенитными электродами марки ЭА395/9.

Кавитационно- и коррозионностойкие стали в виде листового проката применяют для изготовления соответствующих элементов проточного тракта гидротурбин. В зависимости от условий работы и технологии изготовления из них образуют поверхностный защитный слой деталей или используют в качестве конструкционного материала.

Стали марок 0Х12НД и 00Х12НЗД в листах толщиной до 220 мм применяют для изготовления сварных рабочих колес радиально-осевого (лопасти, обод) и ковшового типа (диски ступицы). Камеры рабочих колес горизонтальных и диагональных турбин с механической обработкой сферической поверхности в зоне расположения лопастей и толстостенные рубашки валов выполняют из толстолистовой (до 40 мм)- стали марки 08X13 по ГОСТ 5632—72. Сталь сложна в производстве-гибочных и сварочных операций. Не обрабатываемые по поверхности, образующие проточную часть, элементы штампосварных камер рабочих колес вертикальных поворотно-лопастных гидротурбин выполняют из двухслойной стали (марок Ст3 + 08X13 или Ст3 + 12Х18Н9Т) по ГОСТ 10885—75.

Для защиты деталей направляющих аппаратов (шейки лопаток, крышка турбины и нижние кольца) и рабочих колес из некавитационностойких материалов применяют листовой прокат толщиной 4—15 мм из сталей марок 08X13 и 12Х18Н9Т. В настоящее время экспериментальную проверку проходит сталь повышенной стойкости против действия кавитации марки 0Х14АГ12М. Одновременно ведутся разработки и освоение производства новых более технологичных сталей.

Таблица 3.12. Химический состав, %, проката из нержавеющих сталей

Мерка стали	Углерод (не более)	Марганец	Хром	Никель	Медь	Моли- бден	Крем- ний	Титан	Сера	Фосфор
0Х12НД 00Х12НЗД 08X13 12Х18Н9Т 0Х14ЛГ12М	0,10 0,06 0,08 0,12 0,10	0,3—0,6 0,3—0,6 ≤0,8 ≤2,0 11—13	12—13,5 12—13,5 12—14,0 17—19,0 12—14,5	1,1—1,5 2,8—3,2 — 8,0—9,5 ≤0,8	0,8—1,1 0,8—1,1 — — ≤0, 3	— — — — 0,5—1,0	0,4 0,4 0,8 0,8 0,6	— — — — 0,8	0,025 0,025 0,025 0,020 0,035	0,030 0,025 0,030 0,035 0,035

Таблица 3.13. Механические свойства (не менее) проката из нержавеющих сталей

Мерка стали	Предел текучести σт, кгс/мм2	Временное сопротивление σв, кгс/мм2	Относительное удлинение σ5, %	Относительное сужение Ψ, %	Ударная вязкость αн, кгс·м/мм2
0Х12НД 00Х12НЗД 08X13 12Х18Н9Т 0Х14АГ12М	50 55 30 22 —	65 70 43 54 Не более 110	14 14 23 38 20	30 30 — — —	4 5 — — —

Химический состав упомянутых выше сталей приведен в табл. 3.12, а их механические свойства — в табл. 3.13. Свариваемость сталей в данном случае является основным показателем ее технологичности. В этом отношении лучшими качествами обладает стальмарки 12Х18Н9Т, которая сваривается без ограничений электродами марок ЦЛ-11 или ЦЛ-9. Сварка без подогрева остальных марок сталей возможна только электродами аустенитного класса марки ЭА395/9. Конструкционная сварка сталей 0Х12НД и 00Х12НЗД производится с подогревом электродами марок ЦЛ-41 и ЦЛ-51 соответственно, а стали 08X13 — ЭФ-Х13 с подогревом, зависящим от жесткости узла и толщины свариваемых листов и последующей термической обработкой.

Кавитационная стойкость стали 12Х18Н9Т по данным лабораторных исследований примерно в два раза больше, чем у стали 08X13, и в три раза меньше, чем у стали 0Х14АГ12М. Сталь 0Х 12НД несколько уступает в этом отношении стали 12Х18Н9Т, а сталь 00Х12НЗД примерно равноценна ей. Коррозионная стойкость стали 12Х18Н9Т примерно вдвое больше, чем у хромистых нержавеющих сталей. Сталь 0Х14АГ12М в этом отношении уступает остальным. Гидроабразивная стойкость стали 12Х18Н9Т, по исследованиям ПОТ ЛМЗ, в 1,6 раза ниже, чем у хромистых сталей, у которых она практически равноценна. Это исключает ее применение в качестве защитного покрытия деталей турбин на водотоках, несущих большое количество взвешенных частиц.

Двухслойная сталь применяется в листах толщиной 28—32 мм. Механические свойства проката должны отвечать нормам для стали ВСт3 по ГОСТ 380—71*. Прочность соединения слоев при проверке на срез должна быть не ниже 15 кгс/мм².