Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие поврежденности при силовом нагружени элементов конструкций, методы контроля дефектности материала конструкций 7
1.1. Развитие поврежденности металлических сплавов при статическом и циклическом нагружении.. 7
1.1.1. Разрушение при статическом нагружении 8
1.1.2. Циклическое нагружение 11
1.2. Развитие усталостных трещин, дефекты сварных соединений.. 18
1.2.1. Классификация дефектов сварных соединений.. 21
1.3. Методы контроля состояния материала силовых элементах конструкций.
1.3.1. Акустические методы контроля состояния материалов конструкций .. 32
1.3.2. Контроль коррозионного износа с применением ультразвуковых дефектоскопов. 35
1.3.3.Магнитопорошковый контроль 36
1.3.4. Цветная дефектоскопия 38
1.3.5. Вихретоковый метод контроля 40
1.3.6. Использование переносных оптических комплексов для контроля структурного состояния, дефектности материала конструкций.. 41
Выводы по первой главе 42
Глава 2. Метод комплексного исследования фактического состояния лопаток (объект, приборы, методы механических испытаний)... 45
2.1. Объекты исследования. 45
2.2. Оценка фактического состояния лопаток... 48
2.2.1. Локализация зон с высокой вероятностью развития дефектов .. 49
2.2.2. Визуальный и измерительный контроль. 49
2.2.3. Контроль структурного состояния, химического состава, механических свойств материала лопаток. 50
2.2.4. Магнитопорошковый и акустический контроль дефектности.. 53
Выводы по второй главе.. 57
Глава 3. Результаты комплексного исследования фактического состояния лопаток направляющего аппарата гидротурбины после их длительной эксплуатации 59
3.1. Исследование химического состава, структурного состояния, механических свойств материала лопаток НА. 59
3.1.1. Результаты химического и металлографического анализа 59
3.1.2. Результаты механических испытаний 63
3.2. Результаты исследования дефектности и развития дефектов в лопатках на гидротурбин .. 65
3.2.1. Результаты осмотра поверхности излома трещины 71
3.3. Результаты исследования сварных соединений акустическим методом. 73
3.4. Результаты ультразвуковой толщинометрии 77
Выводы по третьей главе 80
Глава 4. Расчет остаточного ресурса лопаток направляющего аппарата гидротурбин с учетом развития усталостных трещин в условиях коррозионной среды ...82
Выводы по четвертой главе 91
Глава 5. Разработка мероприятий по модернизации и продлению ресурса лопаток направляющего аппарата гидротурбин 93
Выводы по пятой главе 96
Общие выводы по работе 98
Список литературы
- Циклическое нагружение
- Акустические методы контроля состояния материалов конструкций
- Локализация зон с высокой вероятностью развития дефектов
- Результаты исследования дефектности и развития дефектов в лопатках на гидротурбин
Циклическое нагружение
При прочих равных условиях усталостная прочность определяется химическим составом и внутренней структурой металла. Обычно при испытаниях на усталость определяют зависимость амплитуды напряжений от числа циклов до разрушения при определенном значении напряжения цикла. Графически эта зависимость изображается известной кривой Велера [1, 25-27] (кривая усталости).
Уровень циклической прочности в общем случае тем больше, чем выше теоретический предел прочности данного материала. Поэтому проблема повышения циклической прочности является частью более общей проблемы повышения характеристики статической прочности и вязкости разрушения данного материала в реальных условиях эксплуатации.
На определённой стадии возникают необратимые явления снижения сопротивления материала разрушению, характеризуемые как усталостное повреждение. Накопление циклического повреждения отражает деформирование металла как макро- и микронеоднородной среды. Этот процесс в поле однородного напряжённого состояния (например, простого растяжения-сжатия) описывается механической моделью, звенья которой воспроизводят неоднородную напряжённость структурных составляющих металла; неоднородность характеризуется вероятностными распределениями величин микродеформаций и микронапряжений (включая остаточные). Циклическое нагружение таких неоднородных структур порождает в наиболее напряжённых структурных звеньях необратимые деформации (упругопластические, вязкоупругие), накапливающиеся с нарастанием числа циклов и длительности пребывания под циклической нагрузкой.
Важные результаты получены при изучении так называемой малоцикловой усталости, связанной с работой материала в области значительных пластических деформаций, когда субмикротрещины возникают уже при первых циклах нагружения. Следует отметить, что и в случае усталости при малых амплитудах нагружения субмикроскопические трещины усталости возникают на ранней стадии, составляющей всего 3-10% от общего времени до разрушения.
Их увеличение до критических значений, свойственных материалу и среде, в которой он находится, приводит к зарождению макротрещины как предельному состоянию на первой стадии усталостного разрушения.
Как говорилось ранее, при испытаниях на усталость определяют зависимость амплитуды напряжений от числа циклов до разрушения при определенном значении напряжения цикла. Графически эта зависимость изображается известной кривой Велера (кривая усталости).
Из этой кривой следует, что число циклов до разрушения будет тем больше, чем ниже амплитуда напряжения. У железных сплавов при переменных напряжениях ниже некоторой величины разрушение вообще не наступает, так что кривая Велера асимптотически приближается к линии, параллельной оси абсцисс. Построенная в координатах (LgN) кривая усталости (кривая Велера) для железных сплавов имеет вид двух пересекающихся прямых, одна из которых располагается горизонтально (рис.1.2, кривая 1). В соответствии с этим под пределом выносливости железных сплавов понимают наибольшее значение амплитуды напряжения, при котором не происходит разрушения при сколь угодно большом числе циклов нагружения. Для обозначения предела усталости к символу (или ) прибавляют индекс, характеризующий коэффициент асимметрии цикла R . При симметричном цикле предел усталости обозначается через -1, при пульсирующем – через 0. Точка перегиба на кривой усталости в логарифмической или полулогарифмической системе координат соответствует числу циклов, которое для сталей обычно лежит в пределах от 5106 до 10106. Во многих случаях представляет интерес значение амплитуды напряжения, которое материал или деталь могут выдержать в течение определенного числа эксплуатационных часов, т. е. в течение определенного числа циклов. Такие напряжения называют ограниченным пределом выносливости, понимая под выносливостью способность сопротивляться действию повторных и знакопеременных нагрузок.
Нежелезные сплавы – алюминиевые, магниевые, титановые хромоникелевые – не имеют подлинного предела выносливости. Для них правая ветвь на кривой усталости, представленная на рисунке 1.2, кривая 2 в полулогарифмических координатах имеет лишь меньший наклон, чем левая (материалы менее стабильных структур, для более высоких температур и активных сред;). Для таких сплавов всегда следует говорить об ограниченных пределах выносливости, указывая базу (число циклов до разрушения), на которой они определены.
Металлографические и рентгеновские исследования показывают, что изменения, вызываемые в структуре металла усталостными нагрузками, накапливаются постепенно и в известной мере условно их можно разделить на несколько стадий [13, 28], связанных с образованием полос скольжения, субмикроскопических трещин, развитием микротрещин до макротрещин критического размера
Фундаментальной особенностью поведения металлических материалов, подвергающихся разрушению, является наличие перед разрушением микро-или макродеформаций. В зависимости от структурного состояния, вида нагружения и асимметрии цикла предел выносливости металлов и сплавов, имеющих объёмно-центрированную кубическую кристаллическую решетку, может быть по своему значению выше и ниже физического предела текучести. В том случае, когда он ниже физического предела текучести (наиболее частый случай), циклическое деформирование начинается со стадии циклической микротекучести.
Для исследования изменений механических свойств в процессе циклического деформирования используют петлю механического гистерезиса, форма и площадь которой меняются в процессе нагружения. Характерные параметры петли гистерезиса показаны схематически на рисунке 1.3. Применяемый в настоящее время метод испытания с контролируемым напряжением, при котором в образце в процессе всего испытания поддерживается постоянство двух граничных напряжений цикла, показан на рисунке 1.3,а. Две приведенные на этом рисунке петли гистерезиса отражают реакцию материала на внешнюю нагрузку в различные моменты времени. При этом методе испытания достаточно определять лишь изменение ширины петли гистерезиса. При испытаниях на усталость с предварительно заданными границами суммарной деформации, помимо измерения амплитуды пластической деформации следует также определять изменение амплитуды напряжения цикла (рисунок 1.3б). В фундаментальных металловедческих исследованиях предпочитают применять испытания с постоянной амплитудой пластической деформации за цикл (рисунок 1.3в). Изменение механических свойств при этом проявляется в изменении действующего в образце напряжения [13, 29].
Акустические методы контроля состояния материалов конструкций
В настоящей работе проводились исследования лопаток НА гидротурбины Нижнекамской ГЭС. Лопатки являются основным элементом НА и равномерно расположены вокруг рабочего колеса (РК) турбины по окружности (рисунок 2.1). Направляющий аппарат гидротурбины предназначен для обеспечения необходимого направления потока воды на входе в РК и регулировки расхода турбины. В процессе эксплуатации лопатки поворачиваются вокруг своих осей с помощью специального привода. Синхронность поворота обеспечивается регулирующим кольцом, с которым все лопатки связаны шарнирно с помощью рычагов и серёг. Регулирующее кольцо поворачивается на заданный угол масляными сервомоторами [89-91].
В конструкции турбин Нижнекамской ГЭС оси лопаток параллельны оси турбины (цилиндрический направляющий аппарат). Из НА вода поступает в РК, на котором гидравлическая энергия потока преобразуется в механическую. РК и лопатки подвержены значительным статическим и динамическим нагрузкам, а также действию кавитации, а иногда и гидроабразивной эрозии.
На рисунке 2.2 приведен внешний вид исследуемых лопаток направляющего аппарата поворотно-лопастных гидротурбин, установленных на Нижнекамской ГЭС. Длина лопаток – 6350 мм, вес каждой лопатки – 7536 кг. (аналогичные лопатки направляющего аппарата и тип гидротурбин установлены на Чебоксарской ГЭС и Майнской ГЭС).
Лопатки НА гидротурбины Нижнекамской ГЭС в демонтированном состоянии. Конструктивно лопатка НА выполнена в виде полой сварной конструкции, состоящей из профильной части и круглых опорных цапф. Верхняя цапфа имеет две опорные шейки, она значительно длиннее нижней цапфы. Соединения нижней и верхней цапф с пером лопатки осуществляется с помощью сварки (рисунок 2.3). Перо сварной лопатки изготовлено из гнутого катаного листа (Сталь ВСт3сп3) толщиной 40 мм. В торцевой части находятся заглушки, не несущую нагрузку. Лопатки НА гидротурбин Нижнекамской ГЭС находились в длительной эксплуатации (более 32 лет).
Как указывалось выше, для эффективного определения фактического состояния изделий машиностроения необходимо провести мероприятия не только по определению дефектности, но и по выявлению мест с высокой вероятностью их появления и развития. Большое разнообразие видов дефектов сварных соединений (газовые поры, трещины, неметаллические включения, несплавления, подрезы и т.д.), высокая вероятность их образования при изготовлении изделия, особенно при использовании ручной дуговой сварки, указывает на то, что в первую очередь необходимо контролировать швы и прилегающий к ним металл. Учитывая то, что развитие трещин от дефектов происходит в поле механических напряжений, необходима оценка напряженно-деформированного состояния, выявления мест с высокой концентрацией напряжений.
Для расчета прочности необходима регистрация не только поверхностных дефектов, но и дефектов, расположенных в объеме материала. Необходимо произвести оценку коррозионной поврежденности, уменьшающей живое сечение металла в процессе эксплуатации.
Для исключения отклонений от марки стали, регламентируемой техническими условиями при изготовлении изделия, а также отклонения прочностных свойств необходимо произвести химический анализ и механические испытания материала изделия. Необходимо установить развития трещин от трещиноподобных дефектов, если такое развитие в процессе эксплуатации происходило. На рисунке 2.5 приведена схема оценки фактического состояния лопаток направляющего аппарата после длительной эксплуатации [92-94].
Определение прочностных, пластических характеристик материала объекта. Анализ напряженно-деформированного состояния объекта, выявление мест концентрации напряжений. Локализация зон с высокой вероятностью развития дефектов Неразрушающий контроль. Обнаружение поверхностных и объемных дефектов
Металлографическ ий анализ. Оценка структурного состояния, регистрация развития трещин от трещиноподобных дефектов
Для того, чтобы выявить зоны с высокой вероятностью появления и развития дефектов, необходимо провести анализ нормативно-технической документации по исследуемому объекту (акты ремонта, обследований, паспорта, чертежи, технические расчеты, опрос персонала и т.д.); определить из документации марку стали, прочностные, пластические характеристики материала объекта, провести анализ напряженно-деформированного состояния объекта, выявить места концентрации напряжений.
Локализация зон с высокой вероятностью развития дефектов
Как видно из рисунка 3.21, наиболее дефектные участки сварных швов находятся вблизи торцов пера лопатки в местах стыка пера лопатки и цапфы. На некоторых лопатках протяженность дефектов достигает 35-50 мм на каждые 100 мм длины сварного шва. Большая плотность дефектов увеличивает вероятность их объединения и последующего разрушения изделия, особенно при воздействии кратковременных пиковых нагрузок в присутствии остаточных сварочных напряжений, например, при пуске (остановке) гидроагрегата, а также резкого сброса мощности
Развитие трещин происходило от пор и трещиноподобных дефектов в условиях коррозионной среды, что существенно увеличивало скорость их роста.
Необходимо отметить, что в процессе длительной эксплуатации активно развивалась коррозионная поврежденность. Наряду с отдельными язвами поверхности пера и цапф на некоторых лопатках были обнаружены области, в которых толщина стенок пера лопатки существенно уменьшалась относительно номинального значения 40 мм. Для отдельных лопаток была проведена акустическая толщинометрия стенок пера лопатки с помощью прибора УИУ-Сканер и получен профиль обратной (внутренней) поверхности пера лопатки. Результаты измерений толщины приведены в таблице 3.9 (hmin и hmax –минимальное и максимальное значение толщины).
Таким образом, для обеспечения эксплуатационной надежности лопаток НА гидротурбин разработан комплексный метод исследования их фактического состояния после длительного времени эксплуатации.
Метод включает в себя определение дефектности на поверхности изделия и в его объеме. Учитывая то, что способность материала сопротивляться развитию дефектов связана со структурным состоянием материалов, во многих случаях определяющего их прочностные свойства, методика включает проверку структурного состояния, механических свойств, химического состава материала ГОСТам. Для исследования дефектности используются металлографические исследования, акустическая дефектоскопия и магнитопорошковая дефектоскопия, позволяющие определять дефектность как на поверхности, так в объеме материала конструкций непосредственно на конструкции.
Расчет напряженно-деформированного состояния материала конструкции методом конечных элементов позволил выявить места наиболее вероятного образования дефектов. Исследования с помощью портативного металлографического комплекса показали развитие трещин в процессе эксплуатации, источниками которых являются дефекты сварных соединений (поры, непровары).
Проведенные исследования распределения дефектов в сварных соединениях показали, что наиболее дефектные участки сварных швов находятся вблизи торцов пера лопатки, в местах соединения пера лопатки с цапфой. С учетом результатов исследования фактического состояния лопаток направляющего аппарата, необходимо разработать мероприятия по модернизации лопаток направляющего аппарата гидротурбин, позволяющие повысить эксплуатационную надежность, продлить ресурс лопаток и всего гидроагрегата в целом. Выводы по третьей главе Выборочный анализ показал соответствие ГОСТу химического состава, структурного состояния и механических свойств материала лопаток, за исключением предела текучести. Предел текучести оказался меньше регламентированного ГОСТом значения в среднем на 7 МПа (или 3,6%).
В торце лопаток, в местах соединения верхней и нижней цапфы с пером, магнитопорошковым методом контроля обнаружены множественные дефекты сварки, а также трещины, распространившиеся в процессе эксплуатации от первоначальных дефектов сварки. Подобного рода дефекты содержатся в 82% лопаток.
Ультразвуковым методом определены размеры и глубина залегания дефектов в месте сварного соединения цапфы с пером лопатки. Выборочный контроль показал, что дефекты, обнаруженные на поверхности изделия в области тройного соединения цапфы, заглушки и пера лопатки, имеют длину до 30 мм и распространяются от корня шва к поверхности на расстояние от 10 до 25 мм. В сварных швах, соединяющих цапфу с пером лопатки, обнаружены дефекты размерами от 10 до 40 мм, при этом суммарная протяженность дефектов может достигать 30 % от длины шва.
Детальное исследование показало, что трещины развивались в процессе длительной эксплуатации лопаток. Зародышами трещин являлись дефекты сварки. Несмотря на то, что поверхности излома затенены продуктами коррозии, с большой долей вероятности можно сказать, что имеются участки медленного продвижения трещин, связанные с процессом усталостного разрушения, и участки, соответствующие нестабильному характеру распространения трещин. Обнаруженная большая плотность дефектов делает вероятным их объединение и полное разрушения изделия, особенно при повышении эксплуатационных нагрузок.
Большинство трещин, развившихся в процессе эксплуатации, не выходит на поверхность пера лопатки, что делает их невидимыми для магнитопорошкового, капиллярного и визуального контроля. Магнитопорошковый контроль целесообразно дополнить акустическим контролем, позволяющим выявлять дефекты в объеме материала.
Исходя из полученных экспериментальных данных, наибольшая концентрация развившихся трещин от дефектов находится в области соединения цапф с пером лопаток, где наблюдается повышенное значение напряжений.
Как было показано в предыдущей главе, наиболее протяженные дефектные участки сварных швов находятся вблизи торцов пера лопатки.
Данные технической документации на гидротурбину показывают, что значения напряжений максимальны у края пера лопатки. На рисунке 4.1 приведено распределение напряжений x и y вдоль сварного шва до доработки элемента конструкции. Напряжения x, раскрывающие обнаруженные вертикальные трещины, вытянутые вдоль оси шва. Расчеты показали, что основное влияние на величину x оказывает приложение крутящего момента на верхнюю цапфу лопатки.
Результаты исследования дефектности и развития дефектов в лопатках на гидротурбин
При разработке мероприятий по модернизации и продлению ресурса лопаток направляющего аппарата гидротурбин, необходимо учитывать результаты анализа напряженно-деформируемого состояния элемента конструкции до и после модернизации, а также характеристики выявленных дефектов. Мероприятия должны включать конструктивные изменения, способствующие увеличению ресурса изделия за счет уменьшения напряжений в опасных зонах и повышения сопротивления развитию трещин.
Как было показано в главе 3 (рисунок 3.21), наиболее дефектные участки сварных швов находятся вблизи торцов пера лопатки, где наблюдаются максимальные напряжения, способствующие раскрытию трещин и трещиноподобных дефектов.
Можно сделать вывод о том, что модернизация лопаток направляющего аппарата в первую очередь должна заключаться в удалении дефектного материала с торцов пера лопатки и его замены более вязким материалом с повышенным сопротивлением росту трещины.
Восстановление работоспособности лопаток НА осуществляется согласно разработанному проекту для Нижнекамской ГЭС: «Модернизация направляющего аппарата и нижнего подшипникового узла гидротурбины типа ПЛ 20/811 В-1000» №325841-02-09. В проект были включены операции, способствующие повышению эксплуатационной надежности лопаток. Суть мероприятий заключается в том, что удаляется металл с торцов пера лопатки и снимаются облицовки цапф. Взамен удаленного металла по контуру торца пера лопатки и цапфы ввариваются подкрепляющие пластины из нержавеющей стали 08Х18Н10Т.
Схема установки подкрепляющей пластины на торцевой части пера лопатки приведена на рисунке 5.1. Внешний вид подкрепляющей пластины со стороны верхней цапфы приведен на рисунке 5.2.
При установке подкрепляющей пластины на перо и торцевого кольца на цапфу передача крутящего момента от сервомотора на лопатку осуществляется не только через сварные швы, соединяющие цапфы с пером лопатки (как в исходном варианте), но и через сварные швы, соединяющие торцевые пластины с пером лопатки. Это приводит к перераспределению напряжений и позволяет снизить максимальные нормальные напряжения в районе сварных швов, прилегающих к местам соединения цапф с пером лопатки. Методом конечных элементов был выполнен расчет напряженно-деформированного состояния лопатки НА после установки подкрепляющих пластин. На рисунке 5.3 приведено распределение напряжений ах и ау вдоль сварного шва, соединяющего верхнюю цапфу и перо лопатки, после модернизации конструкции. Направления осей, вдоль которых действуют напряжения охи ау, указаны на рисунке 3.5.
Расчеты показали, что в исходном варианте (до модернизации) нормальное напряжение x на расстоянии 20 мм от торца лопатки в районе сварных швов составляет 53 МПа, напряжение y= 6,5 МПа. После установки подкрепляющей пластины и кольца на цапфы лопатки напряжение x, способствующее раскрытию трещин, плоскость которых расположена вдоль сварного шва, снизилось и составило x= 40 МПа. Напряжение y составило 6,4 МПа. Напряжения x в середине сварного шва уменьшились приблизительно в два раза.
Расчеты показывают, что при повторных нагрузках, соответствующих пиковым (максимальное напряжение x = 53 МПа, в местах с наибольшим напряжением длина трещин 30-100 мм), остаточный ресурс в подкрепленном варианте увеличивается более чем в три раза по сравнению с неподкрепленным вариантом. Кроме приварки подкрепляющих пластин в мероприятия по ремонту лопаток входит: восстановление проектных размеров путем обработки в установочный размер облицовок из стали 08Х18Н10Т [112]; проверка сварных соединений облицовок цапф лопаток методом ультразвуковой дефектоскопии (объем 100%); восстановление геометрии поверхности пера лопатки, обтекаемой потоком воды; удаление кавитационного и коррозионного износа путем наплавления и механической обработкой (шлифование) поверхности пера лопатки; восстановление противофильтрационного паза на пере лопатки и других операций, входящих во внутренний документ «Технология производства работ при модернизации узлов (деталей) направляющего аппарата гидротурбины (тип ПЛ-20/811 ВБ-1000)» предприятия ДП АО «Волга-СГЭМ» «Камспецэнерго».
Результаты работы были использованы при разработке нормативно-технической документации по ремонту энергетического оборудования [113, 114].
Разработанные алгоритмы и методика были использованы при модернизации лопаток направляющего аппарата гидротурбин на Нижнекамской ГЭС, о чем имеются акты о внедрении. Результаты работы отображены во внутренней документации предприятия ДП АО «Волга-СГЭМ» «Камспецэнерго». Годовой экономический эффект составил 10 750 т.р. (см. Приложение А и приложение Б).
