ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Ильяс Шамилевич ЗАГРЕТДИНОВ Первый заместитель Генерального. - презентация

1 ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Ильяс Шамилевич ЗАГРЕТДИНОВ Первый заместитель Генерального директора – Технический директор ОАО «Группа Е4» «Второй Международный форум по нанотехнологиям» 6-8 октября 2009 г., Москва

2 Объединяя энергию! 2 СТРУКТУРА ГРУППЫ Е4 E4 – Центрэнерго монтаж (Москва) Буреягэсстрой (Амурская область, пос.Талакан) Е4-Центрэнерго- Сервис, 10 МУ (Москва) Е4-Севзапэнерго- сервис (Санкт-Петербург) Информационные технологии и связь (Новосибирск) ЭФЭСК (Санкт-Петербург) Строительство и монтаж энергетических и промышленных объектов Сервис и ремонт энергетического оборудования Разработка и внедрение ПТК, IT поддержка Е4-Сибэнергострой (Новосибирск) Модульные Системы Торнадо (Новосибирск) Дальэнергомонтаж (Хабаровск) НЭСКО (Новосибирск) ЭССК-И (Москва) Комплектация и логистика Научно исследовательские, конструкторские, инновационные разработки, проектирование * СибКОТЭС (6 филиалов) Сибирский ЭНТЦ (14 институтов) Сибтехэнерго (Новосибирск) НПО ЦКТИ (Санкт-Петербург) Киевский энергопроект (Киев) > 4000 человек > 9000 человек > 5500 человек > 500 человек > 300 человек *- Е4 подписано соглашение о научно- техническом сотрудничестве с МЭИ (ТУ) ВТИ ТЭПИНЖИНИРИНГ

3 Объединяя энергию! 3 РАЗРАБОТКИ ГРУППЫ Е4 В ОБЛАСТИ НТ * Е4 ОСУЩЕСТВЛЯЕТ НАУЧНЫЕ РАЗРАБОТКИ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА БАЗЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ГАЗОТУРБОСТРОЕНИЕГИДРОТУРБОСТРОЕНИЕПАРОТУРБОСТРОЕНИЕ Жаропрочные сплавы, упрочненные наночастицами Импортозамещающие системы воздухоподготовки ГТУ и ПГУ с использованием фильтрующих материалов, изготовленных с исполь- зованием нанотехнологий Повышение долговечности подшипников скольжения, использование в качестве теплоносителя водных дисперсий наночастиц для увеличения критического теплового потока и условий теплообмена при кипении Повышение ресурса запорно-регулирующей арматуры на основе нанотехнологий Покрытия гидротурбин на базе нанотехнологий, обладающие бόльшей эрозионной стойкостью с целью повышения ресурса и надежности работы рабочих колес Повышение ресурса запорно- регулирующей арматуры на основе нанотехнологий * Работы холдинга Е4 ведутся в сотрудничестве с учеными ведущих отраслевых НИИ и ВУЗов: НПО ЦКТИ, МЭИ (ТУ), СПб Электротехнический университет – ЛЭТИ и др.

4 Объединяя энергию! 4 НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ ЗАДЕРЖИВАЕТ НАКОПЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В ОБЪЁМЕ МАТЕРИАЛА, УВЕЛИЧИВАЯ ЕГО ПРОЧНОСТЬ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ РЕСУРС ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ Влияние наноструктурированного поверхностного слоя путём предварительной ультразвуковой ударной поверхностной обработки и последующей стабилизирующей термообработки плоских образцов малоуглеродистой стали на кривые «Напряжения-деформации»: 1. исходный образец 2. образец с наноструктури- рованным поверхностным слоем σ, МПа ε, %

5 Объединяя энергию! 5 ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА БАЗЕ НТ Число циклов до разрушения До обработкиПосле обработкиКоэффициент увеличения Повышение усталостной прочности сварного соединения жаропрочного сплава ВЖ169 наноструктурированием его поверхностного слоя Распределение неупругой деформации на интерфейсе «поверхностный слой - подложка»: Распределение неупругой деформации на интерфейсе «поверхностный слой-подложка», трёхмерное моделирование: а - топографическое моделирование; б - рельеф поверхности.

6 Объединяя энергию! 6 Материал образцов Состав ионного пучка Доза облучени я, мКл/см -2 Н, ГПа r / m, х 10 2 с/мг Повышение предела выносливост и Повышение долговечност и Сталь ХГСН2А-ВДTi+B %3-12 Ti+B+N % , %8-36 Сталь ВНС Ti+B+N ТЕХНОЛОГИЯ: cтабилизация наноструктуры упрочненного поверхностного слоя МЕТОД: ионная имплантацией или химико-термическая обработка РЕЗУЛЬТАТ: существенно повышается сопротивление эрозии лопаток компрессоров ГТУ и лопаток последних ступеней паровых турбин. ЭФФЕКТИВНОСТЬ: нанесение сверхтвердых многокомпонентных композиций наноструктурных покрытий можно проиллюстрировать в таблице изменения механических свойств высокопрочных сталей при ионно-пучковом наноструктурировании поверхностного слоя ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА БАЗЕ НТ * - работы ведутся с участием Уфимского авиационного завода

7 Объединяя энергию! 7 Применение наноструктурированных покрытий позволяет обеспечить: значительное увеличение ресурса лопаток и агрегатов в целом надёжную защиту от коррозии и эрозии, которой в настоящее время не существует увеличение пластичности и прочности жаропрочных сплавов путём их упрочнения частицами интерметаллидной фазы, имеющей наноразмеры В настоящее время не накоплены данные о стабильности наноструктурированных покрытий в условиях длительного действия высоких температур. Поэтому одним из существенных этапов дальнейших исследований должно стать изучение структурной стабильности наноструктурированных покрытий, что позволит уточнить область их применения ПРИМЕНЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА БАЗЕ НТ

8 Объединяя энергию! 8 8 ДВА СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДА К ПОЛУЧЕНИЮ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ Нанокристаллиты (5÷10 нм) в аморфной матрице - 3D-нанокомпозиты TiN-Si 3 N 4, TiAlN-Si 3 N 4, TiN-Si 3 N 4, nc-TiN-TiB/aBN, nc-TiN-TiB/aBN, (nc- WC/ a-C) и др. Нанослойные (10÷100 нм) c периодической структурой - 2D-нанокомпозиты (Ti-Cr) n, (TiN-CrN) n, (TiC-CrC) n, (TiN-ZrN) n, (TiN-NbN) n, (CrN-NbN) n и др. М1NМ1N М2NМ2N М1NМ1N М2NМ2N М1NМ1N М2NМ2N подложка Нано- кристаллит аморфная матрица

9 Объединяя энергию! 9 Разработка оборудования и технологий нанокомпозитных покрытий для высоконагруженных элементов энергетического оборудования ОБОРУДОВАНИЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ Преимущества: 1. Создание покрытий на основе широкого спектра металлов и сплавов 2. Получение 2D и 3D нанокомпозитных покрытий 3. Низкая энергоемкость процесса 4. Экологическая безопасность процесса 5. Обработка длинномерных изделий сложной конфигурации Установка «Гефест» - МЭИ (ТУ)

10 Объединяя энергию! 10 Повышение ресурса высокотемпературных паровых турбин на основе формирования жаростойких нанокомпозитных покрытий ЖАРОСТОЙКИЕ НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН Фотографии 2D-нанокомпозитного жаростойкого покрытия, полученные с помощью растрового электронного микроскопа Достигаемый эффект: 1. Повышение жаростойкости в 5-6 раз по сравнению с материалом без покрытия 2. Увеличение микротвердости в 3-4 раза 3. Повышение стойкости к абразивной эрозии не менее, чем в 3 раза

11 Объединяя энергию! 11 Формирование эрозионностойких нанокомпозитных покрытий с помощью современных ионно-плазменных технологий ПОВЫШЕНИЕ ЭРОЗИЙНОЙ СТОЙКОСТИ ЛОПАТОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ НА БАЗЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Достигаемый эффект: 1.Повышение эрозионной стойкости материалов в 4÷6 раз 2. Повышение усталостной прочности материалов в рабочих средах на 100 % 3. Увеличение микротвердости лопаточных материалов в 3÷5 ра 4. Сохранение структуры механических характеристик основного материала 5. Повышение КПД цилиндра низкого давления мощных паровых турбин Результаты испытаний на эрозионную стойкость 1, 3 –образцы с нанокомпозитными покрытиями; 2, 4 – образцы стали 20Х13 без покрытий Лопатки с эрозиойностойким покрытием турбины Т

12 Объединяя энергию! 12 ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ НА ОСНОВЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Достигаемый эффект: 1. Процесс упрочнения поверхности не приводит к изменению структуры и свойств основного металла изделий 2. Покрытие не вызывает изменение формы и геометрических размеров изделий 3. Снижение коэффициента трения в 3÷5 раз 4. Микротвердость поверхности изделий увеличивается до 2200÷3500 HV 5. Усталостная прочность изделий увеличивается на 15÷20 % 6. Эрозионная и коррозионная стойкость повышается в 4÷6 раз Повышение ресурса элементов запорно-регулирующей арматуры (клапанов, штоков, регуляторов, шиберов, седел и т.п.) за счет формирования эрозионно- и коррозионностойких нанокомпозитных покрытий

13 Объединяя энергию! 13 Плотность теплового потока, отводимого кипящей жидкостью от теплообменной поверхности, ограничена предельной величиной – критической плотностью теплового потока (q cr ). Повышения q cr можно достичь, используя в качестве теплоносителя водные дисперсии наночастиц различного химического состава и объёмной концентрации (наножидкости). Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что даже очень малые объемные концентрации наночастиц в воде ( vol. %) приводят к существенному повышению q cr. При этом теплофизические свойства воды с наночастицами (поверхностное натяжение, теплопроводность, вязкость, теплота парообразования, температура кипения) практически не отличаются от теплофизических свойств дистиллированной воды. В работе ЦКТИ и ЛЭТИ исследован кризис кипения в большом объёме водной дисперсии наночастиц на горизонтально расположенной нихромовой проволоке (марка – Х20Н80). В качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода с содержанием наночастиц (C vol ) до 1 vol. % при давлении р = 0.1 MPa и температуре Т = (100±1) С. Использовались наночастицы состава ZrO 2 (3.5 mol. % Y 2 O 3 ) размером 15±5 nm. КРИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ПОТОК ПРИ КИПЕНИИ ВОДНОЙ ДИСПЕРСИИ НЧ

14 Объединяя энергию! 14 Зависимость критической плотности теплового потока q cr D от объёмной концентрации (0-1 vol %) наночастиц в дистиллированной воде C vol (1)– данные настоящего исследования, наночастицы ZrO 2 (3.5 mol. % Y 2 O 3 ); (2), (3), (4) – наночастицы ZrO 2, SiO 2 и Al 2 O 3, соответственно. Результаты экспериментов КРИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ПОТОК ПРИ КИПЕНИИ ВОДНОЙ ДИСПЕРСИИ НЧ

15 Объединяя энергию! 15 При увеличении содержания наночастиц до 0.02 vol. % q cr D возрастает, достигая увеличения критического теплового потока в 1.5 раза (q cr D =3.3 MWt/m2). При дальнейшем увеличении объёмного содержания до 1 vol. % q cr D остается практически постоянным. Анализ рельефа слоя наночастиц, формирующегося на поверхности при кипении наножидкости, представленного на рис.4, свидетельствует о появлении регулярно расположенных в нем кратеров с характерным диаметром около 20 m. Микрофотографии исходной проволоки (1) и проволоки после кипения в наножидкости (2) структура слоя наночастиц ZrO 2 (3.5 mol. % Y 2 O 3 ) на поверхности проволоки КРИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ПОТОК ПРИ КИПЕНИИ ВОДНОЙ ДИСПЕРСИИ НЧ

16 Объединяя энергию! 16 КРИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ПОТОК ВОДНОЙ ДИСПЕРСИИ НЧ Электронно-микроскопическое исследование структуры этих кратеров показывает, что они сформированы из пористой матрицы с характерными размерами макропор около 2-5 m. Характерный размер стенок каркаса матрицы также варьируется в диапазоне 2 5 m. Размеры агломератов наночастиц, находящихся в воде изменяются в двух достаточно узких диапазонах– 65 nm и 450 nm. Поэтому можно ожидать высокой пористости каркаса, образованного укладкой таких агломератов в процессе кипения. При этом основная доля пор, между агломератами, будет иметь характерный размер около 100 nm. Агломераты состоят из наночастиц диаметром nm, между которыми находятся поры размером около 5 nm Рис. Распределение агломератов наночастиц ZrO 2 (3.5 mol. % Y 2 O 3 ) ( – плотность распределения) по размеру (Da) в наножидкости (при Т=60С) Ψ, % D a, nm

17 Объединяя энергию! 17 КРИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ПОТОК ПРИ КИПЕНИИ ВОДНОЙ ДИСПЕРСИИ НЧ Формирующийся при кипении слой из наночастиц ZrO 2 (3.5 mol. % Y 2 O 3 ), обладает иерархическим пористым строением, что с учетом его высокой общей пористости и гидрофильности поверхности наночастиц обеспечивает более устойчивый приток жидкости к поверхности нагрева в пристенном слое по сравнению с пузырьковым кипением жидкости без наночастиц. Этот фактор и увеличение смачиваемости поверхности при образовании вышеописанного слоя вследствие его гидрофильности, по-видимому, и определяют увеличение в 1.5 раза q сr в наножидкости Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект офи) При наличии финансирования дальнейшие исследования необходимо проводить с расширением диапазона параметров кипящего теплоносителя, размеров и геометрии поверхностей нагрева, а также материала и характеристик наночастиц. Необходимо добиться устойчивости нанопокрытия теплообменной поверхности, обеспечивающего повышенные теплонапряжения при кипении после прекращения подпитки жидкости наночастицами

18 Объединяя энергию! 18 Рис. 1 Рис. 2 В настоящее время все более актуальной становится тенденция повышения единичной мощности ГТУ, параметров цикла, экономичности, надёжности и увеличения межремонтного периода. Это ужесточает требования к чистоте воздуха поступающего в компрессор ГТУ с минимизацией потерь давления при его подготовке. Применяемые в настоящее время наиболее эффективные фильтрующие элементы (рис. 1) изготавливаются из стекловолоконных материалов мокрой укладки (рис. 2). Однако при высоком качестве очистки воздуха данные материалы отличаются низкой прочностью и требуют дополнительных мер по повышению прочности фильтра СОЗДАНИЕ ИМПОРТОЗАМЕЩАЮЩИХ СИСТЕМ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ ПГУ И ГТУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НТ

19 Объединяя энергию! 19 ОДИН ИЗ ОСНОВНЫХ ПУТЕЙ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В ФИЛЬТРАХ – СОЗДАНИЕ НОВЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ С ЗАРАНЕЕ ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОТЕХНОЛОГИЙ, ЧТО ОБЕСПЕЧИТ ВЫСОКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ ПРИ НИЗКОМ ПЕРЕПАДЕ ДАВЛЕНИЯ И ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ Решение проблемы, связанной с разработкой, исследованием, созданием и внедрением фильтрующих материалов на основе наноматериалов для ВЗТ позволит обеспечить надёжную и эффективную защиту проточных частей ГТУ от инородных включений при минимальных потерях Это имеет большое значение для эффективности энергопроизводства в стране в том числе и за счёт создания импортозамещающих систем воздухоподготовки ГТУ и ПГУ СОЗДАНИЕ ИМПОРТОЗАМЕЩАЮЩИХ СИСТЕМ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ ПГУ И ГТУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НТ

20 Объединяя энергию! 20 ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НТ В ГИДРОТУРБОСТРОЕНИИ Одной из важных проблем в работе гидротурбин является кавитационная эрозия Сегодня приходится заваривать повреждения колёс примерно через часов эксплуатации Если покрытия, созданные на базе нанотехнологий и обладающие бόльшей эрозионной стойкостью, чем нержавеющая сталь, нанести на подверженные эрозии зоны лопастей и камер рабочих колёс, то можно ожидать увеличения межремонтного периода Аналогично при создании покрытий, лучше сопротивляющихся абразивному износу, чем традиционные материалы также можно достичь увеличения межремонтного периода

21 Объединяя энергию! 21 В подшипниках скольжения турбин для разделения поверхностей шейки ротора и подшипника подаётся смазка (турбинное масло или огнестойкая жидкость, например ОМТИ). Расход смазки 100 – 600 л/мин, энергетические потери – 0,05-1,2 МВт в зависимости от размера подшипника. Основной проблемой подшипниковой опоры является необходимость сохранения целостности шеек ротора в случае резкого снижения расхода подаваемой смазки связанного с аварийной ситуацией в системе её подачи: останов насоса, разрыв маслопровода, попадание постороннего предмета По факту падения давления смазки турбина отключается и валопровод идёт на останов («выбег») при недостаточном снабжении смазкой, что вызывает резкое повышение температуры трущихся поверхностей. Чтобы избежать при этом разрушения шейки ротора (подкал, растрескивание) в качестве рабочей поверхности подшипника применяется баббитовая заливка. При аварийных режимах баббит расплавляется и этим сохраняет ротор. На рис. 1, показана конструкция подшипника, а на рис. 2 - кривая аварийного выбега ротора ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НТ В ТУРБОСТРОЕНИИ Конструкция подшипника скольжения

22 Объединяя энергию! 22 ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НТ В ТУРБОСТРОЕНИИ Для повышения ресурса подшипникового узла с помощью нанотехнологий требуется разработать: 1.Несущий материал подшипника (накладки, втулки) выдерживающий контактное давление до 100 кг/см при относительных скоростях до м/сек в течение времени выбега (до 70 мин) (см. график выбега, слайд 23) при коэффициенте трения обеспечивающего повышение температуры не выше ˚С 2.Осуществить создание защитного слоя, наносимого на поверхность шейки ротора, резко снижающего коэффициент трения и защищающего материал от подкаливания 3.Разработать смазочный материал, удерживающийся между трущимися поверхностями в течение всего времени выбега ротора

23 Объединяя энергию! 23 ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ТУРБОСТРОЕНИИ Аварийный выбег валопровода

24 Объединяя энергию! 24 ВЫВОДЫ 1. Разработана технология нанесения защитных покрытий с наноструктурированной поверхностью для увеличения ресурса и межремонтного периода элементов энергооборудования (деталей паровых, газовых и гидротурбин, регулирующих и запорных органов) 2. Для расширения возможностей использования таких покрытий в паро- газотурбостроении необходимо проведение исследований их структурной стабильности в условиях действия высоких температур 3. Выявлены особенности поведения монокристаллических жаропрочных сплавов, упрочнённых наночастицами. Разработан план исследований по изучению стабильности структуры таких сплавов в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах 4. Экспериментально установлено, что небольшие добавки наночастиц ZrO 2 (3,5 mol.% Y 2 O 3 ) в воду (Cv < 1%) позволяют увеличить критические тепловые нагрузки в аппаратах с кипящим водным теплоносителем до 1,5 раз 5. Для использования полученного эффекта в промышленных аппаратах необходимо проведение исследований в широком диапазоне параметров с целью подтверждения устойчивости нанопокрытия теплообменной поверхности

25 ОАО «Группа Е4» , г.Москва, ул. Автозаводская, дом 21, корп.1 т. +7 (495) , ф. +7 (495) БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ! Департамент перспективных проектов, Тропин Валерий Викторович, тел. 7 (495) ,