автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Выявление трещин под защитными пластинами лопаток паровых турбин вихретоковым и магнитным методами

На правах рукописи

Прохоров Василий Васильевич

ВЫЯВЛЕНИЕ ТРЕЩИН ПОД ЗАЩИТНЫМИ ПЛАСТИНАМИ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРБИН ВИХРЕТОКОВЫМ И МАГНИТНЫМ МЕТОДАМИ

Специальность 05.11.13. -Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003465286

Москва, 2009 г.

003465286

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шкатов П.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Шелихов Г.С.

кандидат технических наук Резников Ю.А.

Ведущая организация

ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр»

Защита состоится "28" апреля 2009 г. в 12— часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "27" марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.В.Филинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность

Современная энергетика в России и странах ближнего зарубежья в большинстве своем состоит из станций, основанных еще в первой половине XX века Основная часть теплоэлектростанций (ТЭС) отработала свой ресурс и нуждается в реконструкции. Однако огромное количество ТЭС и необходимый объем капиталовложений в их модернизацию не позволяет своевременно и быстро произвести переход на современное оборудование. В этом аспекте важным вопросом является грамотная оценка ресурса устаревшего оборудования. Самые дорогостоящие и технически сложные в изготовлении и эксплуатации элементы энергооборудования - паровые турбины. Именно их ресурсу работы и уделяется основное внимание при оценке технического состояния ТЭС. В свою очередь, наиболее уязвимыми элементами паровых турбин являются лопатки, подвергающиеся максимальным температурным и механическим воздействиям. В связи с этим задача определения на ранней стадии зарождающихся трещин на кромках лопаток паровых турбин достаточно актуальна.

1.2. Состояние проблемы

Оборудование на современных ТЭС эксплуатируется с нагрузкой, близкой к критической. Высокие температуры, напряжения, вибрация - все это в совокупности приводит к деградации металла, появлению и развитию несплошностей и в конечном итоге разрушению объекта.

Одним из наиболее ответственных объектов на станции является паровая турбина. Это объясняется тем, что кроме высокой температуры и давления в ней присутствуют вращающиеся с большой частотой (3000 об/мин) элементы, обладающие большой массой, а, следовательно, и кинетической энергией. Разрушения такого объекта приводит к тяжелым последствиям для всей станции.

Наиболее велика опасность разрушения рабочих лопаток последних ступеней лопаточного аппарата ротора. Помимо температурного воздействия и изгибающих усилий от струи пара, они испытывают дополнительные напряжения от центробежных сил и подвергаются повышенной эрозии вследствие высокой влажности отработавшего пара.

В результате воздействия всех этих факторов в лопатках, со стороны рабочей кромки возникают нарушения сплошности металла в виде эрозионных дефектов и трещин. Для предотвращения подобных разрушений применяют технологию защиты кромки лопаток путем наплавки противоэро-зионных стеллитовых пластин. Защита лопаток стеллитовыми пластинами показала высокую эффективность и позволила существенно повысить их эксплуатационную надежность. Однако практика эксплуатации подобных лопаток выявила факт возникновения и развития трещин в кромке лопатки непосредственно в зоне стыка стеллитовых пластин. Существующими средствами неразрушающего контроля подобные дефекты не выявляются из-за отсутствия непосредственного доступа к разрушающемуся участку металла лопатки.

1.3. Цель работы и задачи исследования

Цель диссертационной работы заключается в выявлении на ранней стадии зарождения трещин, образующихся в зоне стыков стеллитовых пластин в процессе эксплуатации лопаточного аппарата.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

• провести анализ механизма развития трещин в лопатках паровых турбин в области припайки стеллитовых пластин;

• исследовать путем математического моделирования распределение механических напряжений в металле тела лопатки;

• исследовать основные закономерности взаимодействия вихретокового преобразователя с металлом лопатки при наличии защитных пластин;

• исследовать функцию распределения магнитного поля в зоне кромки лопатки с защитными пластинами при ее намагничивании

• разработать способы надежного выявления трещин под защитными пластинами кромок лопаток паровых турбин на основе вихретокового и магнитного методов;

• разработать систему автоматизированного контроля лопаток для выявления на ранней стадии развития трещин в стыках стеллитовых пластин.

1.4. Методы исследования:

Теоретические исследования выполнены на основе строгих численных методов расчета с использованием программной среды ANSYS на ПК. В экспериментальных исследованиях применялся стенд, обеспечивающий перемещение вихретоковых и магнитных преобразователей в трех взаимоперпендикулярных направлениях при помощи микрометрических винтов. При исследованиях взаимодействия вихретокового преобразователя с металлом лопатки использовалась сертифицированная компьютерная система «Комвис-12». При исследованиях распределения постоянных и переменных магнитных полей рассеяния дефектов применялся специально разработанный комплекс, состоящий из поверенных измерительных приборов. Достоверность результатов подтверждена сопоставлением теоретических расчетов с результатами экспериментов.

1.5. Научная новизна работы заключается в следующем:

• получена оценка уровня механических напряжений по телу лопатки с припаянными стеллитовыми пластинами в зависимости от уровня приложенной нагрузки и определены наиболее вероятные зоны разрушения;

• разработана расчетная модель для анализа электромагнитного взаимодействия вихретокового преобразователя с металлом лопатки под защитной пластиной при наличии дефектов типа трещин.

• теоретически определены и экспериментально подтверждены закономерности изменения вихретокового сигнала и магнитных полей рассеяния в процессе развития трещины в зоне кромки лопатки под защитной пластиной;

• определены конструктивные параметры первичных преобразователей и режимов контроля, позволяющие надежно выявлять трещины под защитными пластинами в процессе их зарождения.

1.6. Практическая ценность работы заключается в том, что:

• создана автоматизированная система неразрушающего контроля, позволяющая выявлять трещины в лопатках паровых турбин ТЭС в области припаянных стеллитовых пластин на ранней стадии их развития;

• разработана методика по выявлению и оценки параметров трещин в области припаянных стеллитовых пластин на ранней стадии их развития.

1.7. Реализация и внедрение результатов работы:

Результаты работы использованы в ОАО «Всероссийский теплотехнический институт» для разработки руководящих материалов по контролю лопаток турбин ТЭС на предприятиях РАО «ЕЭС России».

1.8. Апробация работы

Основные результаты работы неоднократно докладывались: на конкурсах молодых специалистов ОАО «Инженерного центра энергетики Урала» с 2005 по 2008 год с присуждением призовых мест; на отборочном туре 11-го всероссийского конкурса работ молодых специалистов инжинирингового профиля в 2007 году с присвоением работе 2-го места; на научно-практическом семинаре «Обеспечение надежности тепломеханического оборудования в условиях длительной эксплуатации ТЭС» (г. Челябинск, 2005 г.); на научно-технической конференции «Металл оборудования ТЭС. Проблемы н перспективы» (г. Москва, 2006 г.) на Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (г. Кемер, Турция, 2007 г.).

1.9. Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них одна в журнале "Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика", признанным ВАК научным изданием по профилю защищаемой диссертации. Список опубликованных работ приведен в автореферате.

1.10. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста, иллюстрируется 60 рисунками и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 115 наименований.

1.11. Основные положения и результаты, выносимые на защиту

• механизм развития трещин в трехслойной системе имитирующей лопатку с противоэрозионны-ми пластинами. Наиболее вероятно развитие усталостных трещин в стыках между защитными стеллитовыми пластинами;

• методика выявления трещин под стеллитовыми пластинами на ранней стадии их развития сочетанием вихретокового и магнитного методов контроля;

• комплекс Лопатка-2 с системой автоматизированного сканирования лопатки и компьютерным анализом информации с вихретокового и магнитного преобразователей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, указаны наиболее важные научные результаты и приведены основные положения, представляемые к защите.

В первой главе представлен обзор литературы, в котором подробно рассмотрен лопаточный аппарат паровой турбины и условия его работы.

Рабочие лопатки в турбине работают в тяжелых условиях. В современных турбоагрегатах температура свежего пара поступающего в турбоагрегат (ТА) составляет 540° С. Давление пара порядка 23,5 МПа. Поэтому лопаточный аппарат в современных ТА работает в условиях высокотемпературного нагружения и выполняется из высоколегированных жаропрочных марок сталей 12X13, ЭП802,15X11МФ, 20X13 и 15Х11МФ.

Основной причиной выхода из строя лопаточного аппарата является разрушение металла лопаток. Разрушение в основном вызывается образованием трещин в теле лопатки, одной из первопричин, возникновения которых является коррозия под напряжением. Почти не оставляя видимых следов на поверхности, эти повреждения могут приводить к полной потере прочности и разрушению. Межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание особенно опасны для лопаток паровых турбин в зоне фазового перехода. Локализация коррозионного разрушения делает его эквивалентным концентратору с острым надрезом, что в наиболее напряженных участках способствует образованию трещин и разрушению конструкции.

Для снижения воздействия эрозионных процессов входные кромки лопаток защищают про-тивоэрозионными пластинками.

Существующие методики и средства контроля не позволяют с достаточной достоверностью выявлять трещины на лопатках в области припайки стеллитовых пластин, особенно на ранней стадии их развития, что весьма важно для своевременного обнаружения дефекта и безопасной эксплуатации.

Поэтому разработка методики и комплекса аппаратуры позволяющей выявлять такие трещины на ранней стадии их развития представляется весьма интересной и важной задачей в области современной дефектоскопии.

Во второй главе сформулирована постановка задачи и рассмотрена схема исследований.

Для того чтобы пояснить механизм возникновения и роста трещины в лопатке нами была создана конечно-элементарная модель в программной среде ANSYS, позволяющая определить уровень напряжений и характер их распределения по телу лопатки.

При расчете была использована идеализированная модель без учета закрутки пера лопатки вокруг продольной оси. Значение силы приложенной к лопатке при моделировании было принято равным 500 Н, что близко к реальным условиям эксплуатации. За точку приложения силы был принят свободный конец лопатки.

Как видно из рис.1 максимальные напряжения сосредоточены на верхней части входной кромки лопатки со стороны припайки стеллитовых пластин. Максимальное значение напряжений в этом секторе составило 4 380 МПа, при этом максимальные напряжения в основном теле лопатки и на входной кромке вне зоны наплавки пластин не превышают 980 МПа.

Учет напряженного состояния в зоне стыка пластин, дает основания рассмотреть два возможных сценария начальной стадии развития трещины в трехслойной системе.

Рис. 1. Распределение напряжений в металле лопатки в области стыка двух стеллитовых

пластин.

На рис.2 приведены модели развития трещины в такой системе, от бездефектного состояния (индекс А0) до сквозной трешины (В).

м,

М, М,

Л__к

м, )

) м, ( \

-С

{ \

!

) 1

Рис.2. Модели развития трещины: Ао, А, Сь С2, Д, В А0 - стеллитовая пластина на лопатке, трещина отсутствует; А - стык двух стеллитовых пластин, технологическая несплошность в металле М3; С/ - трещина малой глубины Л/ в металле М); С?- тоже что и С1 при сквозной трещине; Д - трещина только в металле Му, В - сквозная трещина в металлах М), А/? и Мз,' А//, Л/?, Мз~ слои имитирующие металл лопатки, припоя и стеллитовых пластин соответственно; Т\, 7*>, Т} - толщины соответствующих слоев металла; Л/, /ь, И3- глубина трещин в соответствующем слое; //, 12, ¡з - ширина раскрытия трещины в соответствующем слое.

По первому сценарию трещина начинаются в металле лопатки (С|) при неразрушенном слое припоя с последующим ростом глубины (Сг) до сквозного разрушения всех трех слоев (В). По второму сценарию динамика процесса развития трещины идет по пути (А - Д - В).

В третьей главе приведены результаты вихретоковых исследований возможности выявления несквозных трещин в стыках стеллитовых пластин лопаток паровых турбин

Опираясь на сценарий развития трещины в трехслойной системе, была разработана математическая модель вихретокового взаимодействия, позволяющая произвести теоретический расчет и построить годографы вносимого напряжения вихретокового накладного преобразователя (ВТНП) методом конечных элементов (МКЭ) для каждого состояния модели.

Векторный магнитный потенциал вводится выражениями

В = го/(А), (1)

лЗ

Е = (2)

01

где: В - индукция магнитного поля, А - векторный магнитный потенциал, Е - напряженность электрического поля, V - скалярный электрический потенциал

Проведя ряд математических преобразований, получим

? = °>

дI

го1(— ■ го/(А)) - го!(— ■ • М0) + сг • &ас1(У) + а ■ V М

ЗА

ЫМ-ег---аггас1(У)) = О,

дI

(4)

где: о - удельная электрическая проводимость, ц - абсолютная магнитная проницаемость материала, До - магнитная постоянная, М - вектор намагниченности

На рис.3 приведена конечно-элементная модель ВТНП и трехслойной системы, имитирующей стеллитовые пластины, припой и основной металл лопатки.

/\NSYS

Рис.3. Конечно-элементная модель

С помощью созданной модели были получены годографы для каждого состояния трехслойной модели развития трещины (Рис.4)

Рис.4. Годограф относительного вносимого напряжение ВТНП для каждого состояния трехслойной модели построенный путем моделирования в программе А^УБ: пояснения см. рис.2

Как видно из рисунка точки соответствующие разным состояниям трехслойной модели пространственно разделены на годографе, что является предпосылкой для выявления дефектов в лопатках (трещин в стыках стеллитовых пластин) на разных стадиях развития.

На практике были изготовлены образцы из перлитной стали, представляющие собой полудиски различной толщины. Полудиски, установленные на сплошное основание, как известно, позволяют легко и с достаточной точностью моделировать трещину различной глубины и ширины раскрытия (рис. 5)

Рис.5. Общий вид составного образца 1(МЗ) и 2(М2) - сменные полудиски; 3(М1) - цельное основание образца; I - ширина раскрытия трещины; Л - глубина трещины

Исследования проводились с использованием компенсационной схемы измерения составляющих вносимого напряжения вихретокового преобразователя при помощи компьютерной системы «Комвис-12» на специальном стенде. Система позволяет фиксировать параметры сигнала и отображать их на комплексной плоскости в виде годографа.

Па рис.6 представлены обобщенные результаты экспериментов в виде годографа преобразователя в зависимости от наличия и величины изученных факторов.

8

Рис.6. Годограф относительного вносимого напряжения ВТНП от трещины (индексы С и В) в зависимости от ширины раскрытия трещины (0, толщины слоев (Т) и свойств металла (М) модели участка лопатки со стеллитовыми пластинами; пояснения см. рис.2

Из годографа видно, что при изменении параметров Т, И и (для каждого состояния образуется некая область точек на комплексной плоскости соответствующая конкретному сочетанию параметров и виду трещины. Стрелками указано направление действия эффекта от изменения этих параметров.

При сопоставлении двух годографов: теоретического, полученного путем моделирования в программе АЫЙУЗ (рис.4) и практического, полученного экспериментально с использованием системы «Комвис-12» (рис.б) видны различия в положении характерных точек на комплексной плоскости. Это может объясняться несовершенством и абсолютизмом математической модели, не позволяющей учесть ряд нюансов в распределении вихревых токов в трехслойной модели и реальном объекте. Однако качественное отличие между «теоретическим» и «практическим» годографами несущественно.

Последнее обстоятельство является предпосылкой возможности выделения области соответствующей трещинам на ранней стадии их развития путем отстройки.

На рис.7 и рис.8 приведены годографы, поясняющие возможности фазового и амплитудного способов отстройки от таких факторов как: ширина трещины, зазор, наклон ВТНП, расстояние до края лопатки и др.

400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 ВО 60 40 20 0

1тди (отн.ед.) 10"5

1 =0.( 5

1=15

12 Г* 1 ■А \ 4

• \ \

\ \ Г А

N к 1 ) "1 й

2

1

1 1 ч

1 I *

' N 1

V

/ / / /

1=4 / ' И /г

12 / /

/

/ Г

/

*

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

Кед и (отн.ед) 10"6

Рис.7. Годограф приращения напряжения ДЦ ВТНП в зависимости от глубины несплошности Ь, ширины ее раскрытия I и величины зазора г:

В и Л/ точки сооп:аетствую 1Цие установке ВТНП в воздухе и на металл соответственно; А(р -угол между векторами вносимого напряжения для несплошности одной глубины, но разной ширины раскрытия (кривые с индексами 1=0.01; 1=2 и 1=4мм, соответственно.)

|т и (отн.вд.) 104

Рис.8. Годограф относительного приращения напряжения ВТНП в зависимости от глубины трещины (кривая с индексом Ь), зазора (2.), края (Ь) и угла наклона преобразователя (а).

М - бездефектный металл лопатки; К—местоположение начала координат в соответствующем

режиме настройки.

При исследовании морфологии разрушения лопаток в местах припайки стеллитовых пластин было установлено в частности, что разрушение металла в основном носит межзеренный характер. Поэтому, интересным фактором при оценке параметров естественных трещин может выступать характер разрушения металла в трещине по зерну или же по межзеренному пространству.

Эксперименты подтвердили достаточно существенное воздействие этого фактора на годограф и необходимость его учета при изготовлении тарировочных образцов с искусственными не-сплошностями.

Изучен резонансный режим работы преобразователя. Подключение емкости в цепь вихре -токового преобразователя и работа на частоте близкой к резонансной позволяет реализовать ряд дополнительных возможностей вихретокового метода.

Рис.9. Годографы относительного напряжения преобразователя в зависимости от глубины

трещины (индекс Ь) и колебание зазора (Аг) для ^,=12,5 кГц В и М- точки соответствующие установке преобразователя в воздухе и на металле без дефекта и в отсутствии мешающих факторов соответственно.

Как видно из хода кривых рис.9, выбирая рабочую частоту 12,5 кГц, базовый зазор г=0,2мм и рабочую точку в К, а в качестве полезного параметра модуль выходного напряжения ВТНП (амплитудный метод), получим режим максимальной нечувствительности к зазору и углу наклона преобразователя.

Совокупные данные всех проведенных вихретоковых исследований показали, что амплитудно-фазовый метод обладает достаточной чувствительностью и разрешающей способностью для практической реализации.

Учитывая предельную, минимальную глубину трещины в лопатке подлежащую выявлению в 0,5 мм были определены требования, которым должна удовлетворять механическая система сканирования ВТНП:

- колебания зазора Дг не более ±0,1 мм;

- колебания угла наклона Да не более ±1,5 градуса;

- колебания расстояния до края лопатки ЛЬ не более ±1 мм.

При выполнении этих показателей и реализации амплитудно-фазового метода в вариаше двухэтапной отстройки для самых неблагоприятных условия контроля лопаток полученный сигнал от трещины глубиной 0,5 мм превышает уровень помех более чем в 5 раз.

Для выявления трещин меньшей глубины необходимо использовать специальные системы сканирования и программы анализа текущей и базовой информации.

В четвертой главе приведены результаты исследований возможности выявления трещин под стеллитовыми пластинами лопаток паровых турбин магнитным методом.

Противоэрозионные стеллитовые пластины выполнены из немагнитного материала. Их наличие практически не воздействует на магнитное поле рассеяния от дефекта. Учитывая, что на практике возможны и наблюдаются случаи возникновения трещин под стеллитовыми пластинами не только в местах их стыковки, перспективным представляется применение магнитного метода.

При проведении исследований изучался характер распределения нормальной и тангенциальной составляющих поля рассеяния над дефектом. Измерения осуществлялись специально изго-

товленным преобразователем, выполненным на основе двух элементов Холла ориентированных чувствительными поверхностями взаимно перпендикулярно друг другу.

Использование такого преобразователя позволяло с достаточной точностью определять топографию поля дефекта в зависимости от ряда мешающих факторов (величина и колебание зазора, неоднородность магнитных свойств объекта и др.), а так же режимных факторов (неоднородность намагничивающего поля, его интенсивность и характер).

С учетом требований локальности намагничивающего устройства практически важным стал выбор его габаритов и в частности базы Ь - расстояния между намагничивающими полюсами.

Рис. 10. Зависимость приращения ДН составляющих поля рассеяния над трещиной глубиной 0,5 мм от величины базы Ь намагничивающего устройства:

I - нормальная, 2 - тангенциальная составляющие; а - конфигурация составляющих поля рассеяния от трещины; б - намагничивающее устройство.

Результаты соответствующих исследований представлены на рис.10 в виде зависимости приращения ДН составляющих поля рассеяния от величины базы Ь при постоянной величине индукции 200 мТл. Там же показаны формы тангенциальной и нормальной составляющих поля рассеяния дефекта - трещины (рис. 10а).

Совокупность полученных данных позволила осуществить выбор оптимальной конструкции, размеров и типа намагничивающего устройства (рис. 106).

Учитывая результаты экспериментов и ограничения, накладываемые конструкцией лопаточного аппарата паровых турбин, было принято:

- база намагничивающего устройства Ь=20 мм;

- намагничивающая сила устройства порядка 700 ампервитков.

В пятой главе представлены данные об устройстве автоматизированного комплекса - «Ло-патка-2» и результаты его опытного опробования. В комплексе реализован совместный - вихретоко-вый и магнитный методы контроля в автоматическом режиме сканирования с компьютерным управлением и анализом результатов контроля. Комплекс Лопатка-2 позволяет выявлять трещины в лопатках паровых турбин как в стыках стеллитовых пластин так и под ними на ранней стадии их развития.

Комплекс «Лопатка-2» состоит из: сканирующего механизма (СМ) с установленными на нем первичными вихретоковым (ВТНП) и магнитными (ЭХ с импульсным намагничивающим устройством (ИНУ)) преобразователями; блока управления и преобразования (БУП) и карманный пер-

сонального компьютера (КПК). На рнс. И представлена принципиальная кинематическая схема сканирующего механизма (а) и блок-схема комплекса (б).

777Т//7/ТУ>/ГГ/^77У ;/}/////)/ У/////Г/Г7

КПК

БУП

ВТНП эх ИНУ

см

БУП

-£—

_

ПЭВМ

а б

Рис.11. Блок-схема комплекса «Лопатка-2» ПЭВМ-КПК

а - принципиальная кинематическая схема сканирующего механизма; б - блок-схема комплекса

1 - каретка с блоком первичных преобразователей и импульсным намагничивающим устройством, 2 - движитель, 3 - магнитные фиксаторы, 4 - направляющая каретки, 5 - объект контроля, БУП - блок управления и преобразования, КПК - карманный персональный компьютер.

Сканирующий механизм устанавливается на лопатку и удерживается на ней магнитными фиксаторами. Каретка перемещает закрепленные на ней преобразователи вдоль кромки пера лопатки с заданным расстоянием от края. Движитель сканирующего механизма выполнен на основе шагового двигателя, что дает возможность определять координаты преобразователей с требуемой точностью и позиционировать их в необходимом месте.

Блок управления и преобразования совместно с КПК и программным обеспечением выполняют следующие функции:

-управление шаговым двигателем сканирующего механизма;

-синхронизация движения каретки сканирующего механизма с частотой и длительностью включения намагничивающего устройства. Синхронизация обеспечивает прерывистое движение каретки и осуществление следующего ряда последовательных действий:

• перемещение по лопатке на заданную величину - первый шаг;

• измерение вихретоковых параметров с ВТНП;

• намагничивание;

• измерение магнитных параметров с ЭХ;

• перемещение - второй шаг

-формирование трех выходных сигналов пропорциональных амплитуде (А), активной (ИеЦ) и реактивной (1ш1Г) составляющих напряжения ВТНП;

-формирование двух выходных сигналов с элементов Холла;

-обработка результатов вихретокового и магнитного контроля и предоставление оператору текущей информации в реальном времени в процессе сканирования объекта контроля.

-накопление и анализ совокупной информации по контролю и признакам характерным для реальных дефектов трещин. Предоставление оператору вывода о текущем объекте.

Полученная при проведении контроля лопатки информация с первичных преобразователей может быть представлена в различном удобном для оператора виде для просмотра и дальнейшего анализа.

На рис. 12 представлен один из реализованных интерфейсов программы.

а; с«1 С], О' в,

БНЁ

■ а ;с< е»

■гв /

Рис.12. Отображение результатов вихретокового и магнитного методов выявления дефектов а - амплитудным методом, б ~ фазочувсвительным методам, в - магнитным методом (нормальная и тангенциальная составляющие).

Как видно из рис.12 при перемещении ВТНП вдоль кромки лопатки над стеллитовыми пластинами в момент прохождения стыка двух пластин появляется сигнал, соответствующий по амплитуде и фазе тому, или иному состоянию трехслойной модели.

Магнитный метод позволяет выявлять дефекты в лопатках в соответствии с состояниями трехслойной модели С|, Сг и В.

Использование автоматизированного комплекса «Лопатка-2», позволяющего регистрировать и анализировать полученную с первичных преобразователей информацию, повышает выявляемость дефектов на ранней стадии их развития.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Методом компьютерного моделирования уточнен механизм развития трещин в стыках стеллитовых пластин лопаток паровых турбин.

2. Разработана компьютерная модель распределения вихревых токов в многослойной системе, определены основные параметры контроля.

3. Изготовлен образец, моделирующий трехслойную систему - тело лопатки, припой, стеллит, с вариацией параметров полезных (трещина) и мешающих (зазор, ориентация преобразователя, расстояние до кромки лопатки и др.) факторов.

4. Экспериментально установлена целесообразность применения для выявления трещин под стеллитовыми пластинами на ранней стадии развития вихретокового метода в амшпггудно-фазовом варианте реализации и магнитного метода в варианте приложенного поля с индикацией полей рассеяния полупроводниковыми элементами Холла.

5. Разработан автоматизированный комплекс «Лопатка-2» для выявления трещин под стеллитовыми пластинами лопаток паровых турбин и алгоритм сбора и анализа информации с первичных преобразователей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ

РАБОТАХ

1. Волков Б.И., Прохоров В.В. Оценка точности измерения глубины поверхностных трещин вихретоковым накладным преобразователем при наличии мешающих факторов // Повышение надежности и эффективности работы тепломеханического оборудования ТЭС // Сборник научных трудов. - Челябинск, 2005, с. 148- 155.

2. Волков Б.И., Раевский М.А., Прохоров В.В. Пути повышения достоверности распознавания и оценки параметров дефектов, выявляемых вихретоковым методом при автоматизированном контроле роторов турбин со стороны осевого канала // Повышение надежности и эффективности работы тепломеханического оборудования ТЭС II Сборник научных трудов. - Челябинск, 2005, с. 155 -160.

3. Волков Б.И., Темрюх В.М., Прохоров В.В. Влияние степени микроповрежденности теплоустойчивых сталей на параметры вихрегокового сигнала П Обеспечение надежности тепломеханического оборудования в условиях длительной эксплуатации ТЭС» // Тезисы докладов. -Челябинск, 2005, с.ЗЗ - 34.

4. Прохоров В.В. Исследование влияния геометрических параметров несплошности (трещины) на комплексные характеристики вихрегокового сигнала накладного преобразователя // Всероссийская конференция по итогам конкурса молодых специалистов организаций НПК ОАО РАО «ЕЭС России» // Сборник докладов. -М.: ОАО «ВТИ», 2005. - с. 164-168.

5. Волков Б.И., Прохоров В.В. Особенности автоматизированного неразрушающего контроля роторов турбин ТЭС через осевой канал // Металл оборудования ТЭС. Проблемы и перспективы. // Научно-техническая конференция - М., 2005, с.204-207.

6. Прохоров В.В. Вихретоковый контроль лопаток паровых турбин в зоне припайки защитных стеллитовых пластин //Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-№1- 2009-С.51-55.

7. Шкатов П.Н., Прохоров В.В., Волков Б.И. Электромагнитный контроль лопаток турбин ТЭС в зоне припайки стеллитовых пластин// Сборник трудов международной НТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании». Том II. -М.- 2007.-С. 258 - 263

8. Шкатов П.Н., Прохоров В.В., Волков Б.И. Исследование возможности выявления трещин под стелитовыми защитными пластинами в лопатках паровых турбин вихретоковым методом// Известия ОрелГТУ, серия «Фундаментальные и прикладные проблемы и технологии».-№1/273(559).-2009.-С. 121 - 126.

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г.

Подписано к печати 23.03.2009 г. Формат 60x84. 1/16. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 40.

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Лопаточный аппарат и условия его работы.

1.2 Повреждения и причины их вызывающие.

1.3 Упрочнение лопаток паровых турбин.

1.4 Регламентирующие документы.

1.5 Методы контроля лопаточного аппарата паровых турбин ТЭС.

Глава 2. Постановка задачи и схема исследований.

2.1 Постановка задачи (модель лопатки).

2.2 Схема исследований.

Глава 3. Методом вихретоковой дефектоскопии.

3.1 Амплитудно-фазовый метод.

3.2 Резонансный метод.

3.3 Пример реализации.

Глава 4. Методом магнитной дефектоскопии.

4.1 Выявление трещины.

4.2 Отстройка от мешающих факторов.

4.3 Оценка глубины.

Глава 5. Автоматизированная система контроля лопаток и опытное опробование

В современной энергетике России и стран СНГ на данный момент основная часть энергооборудования отработала свой парковый ресурс. Модернизация и замена такого большого объема оборудования не может быть проведена своевременно. Поэтому имеет место продление ресурса оборудования сверх паркового. В настоящее время разработаны инструкции по контролю металла и продлению срока службы основных элементов энергооборудования. В целях оценки состояния и возможности дальнейшей эксплуатации металла теплоэнергетического оборудования проводится контроль и диагностика основных его элементов, одним из которых является лопаточный аппарат турбины. По результатам технического диагностирования принимается решение о допуске к работе оборудования.

Разрушение лопаточного аппарата турбины приводит к неблагоприятным последствиям для всего турбоагрегата в целом и вынужденному останову турбины. Поэтому важным и ответственным моментом в оценке ресурса турбины является грамотное и своевременное диагностирование лопаточного аппарата. Лопатки паровых турбин работают в тяжелых условиях: резонансные колебания, в процессе которых возникают большие напряжения изгиба; действие влажного пара, а как следствие эрозионный износ; коррозионные воздействий солей и кислот; гидравлические удары, а также наличие иных факторов. На практике применяются различные методы защиты лопаток от этих воздействий, одним из которых является упрочнение входных кромок лопаток последних ступеней турбины противоэрозионными стеллитовыми пластинами. Данный метод используется в основном на турбинных выпускаемых рядом мировых производителей, а также АО «ЛМЗ», который в настоящее время является одним из крупнейших поставщиков турбоагрегатов. Метод напайки стеллитовых пластин имеет ряд достоинств и недостатков.

Практика эксплуатации турбин с лопатками упрочненными таким способом показывает, что в ряде случаев на входных кромках лопаток в области припайки стеллитовых пластин начинают развиваться трещины. Имеющимися в наличии средствами неразрушающего контроля подобные несквозные дефекты не могут быть выявлены из-за отсутствия непосредственного доступа.

Важной и актуальной задачей является выявление таких трещин на ранней стадии их развития.

Основные результаты и выводы

1. Методом компьютерного моделирования уточнен механизм развития трещин в стыках стеллитовых пластин лопаток паровых турбин.

2. Разработана компьютерная модель распределения вихревых токов в многослойной системе, определены основные параметры контроля.

3. Изготовлен образец, моделирующий трехслойную систему — тело лопатки, припой, стеллит, с вариацией параметров полезных (трещина) и мешающих (зазор, ориентация преобразователя, расстояние до кромки лопатки и др.) факторов.

4. Экспериментально установлена целесообразность применения для выявления трещин под стеллитовыми пластинами на ранней стадии развития вихретокового метода в амплитудно-фазовом варианте реализации и магнитного метода в варианте приложенного поля с индикацией полей рассеяния полупроводниковыми элементами Холла.

5. Разработан и внедрен автоматизированный комплекс «Лопатка-2» для выявления трещин под стеллитовыми пластинами лопаток паровых турбин и алгоритм сбора и анализа информации с первичных преобразователей.

1. Сичиков М.Ф. Металлы в турбостроении. М.: Машиностроение, 1974;

2. Заблоцкий И.Е., Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин. М.: Машиностроение, 1977.

3. Олейников В.А., Ермаков А.А. Дискретно фазовый метод измерения деформации лопаток роторов ГТД, без использования корневых датчиков. Авиационная промышленность, 1986, №9.

4. Данилин А.И. Оптоэлектронный дискретно-фазовый метод определения деформационных параметров лопаток турбомашин. Самара: Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева, 2003, №1.

5. Бусленко Н.П, Шрайдер Ю.А. Метод статических испытаний (Монте-Карло) и его реализация в цифровых машинах. М.: Физ-матгиз, 1961.

6. Пат. 2177145 (РФ). Сигнализатор предаварийных деформаций лопаток турбомашин. / Данилин А.И., Чернявский А.Ж. Опубл. В Б.И., 2000, №35

7. Испытание материалов: Справочник /Под ред. X. Блюменауэра. Пер. с нем. под ред. М.Л. Бернштейна. М.: Металлургия, 1975 -445 е.;

8. Дегтярев Л.И. Эрозия турбинных лопаток. Советское котлотур-биностроение. 1938. №4;

9. Минц И. И., Березина Т. Г., Ходыкина Л. Е. Исследование тонкой структуры и процесса образования пор в стали 12Х1МФ при ползучести. — ФММ, 1974,37, -вып. 4, с. 823—831.

10. Миркин И. Л., Залетаева Р.П., Голеныыина Л. Г. О процессе разрушения аустенитной стали при ползучести. — ФММ, 1974, 37, вып. 2, с. 375—382.

11. Куманин В. И., Школьников Б. Э. Влияние структурных факторов на процесс разрушения стали 1Х12В2МФ. — МиТОМ, 1976, №7, с. 9—11.12