WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 |

«ОЦЕНКА ФАКТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ, ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА И ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ ЛОПАТОК НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ГИДРОТУРБИНЫ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОСТРОЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

Руденко Александр Леонидович

ОЦЕНКА ФАКТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ, ОСТАТОЧНОГО



РЕСУРСА И ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ ЛОПАТОК

НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ГИДРОТУРБИНЫ

Специальность:

01.02.06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. Мишакин В.В.

Нижний Новгород – 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. РАЗВИТИЕ ПОВРЕЖДЕННОСТИ ПРИ СИЛОВОМ НАГРУЖЕНИ

ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ, МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТНОСТИ

МАТЕРИАЛА КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Развитие поврежденности металлических сплавов при статическом и циклическом нагружении

1.1.1. Разрушение при статическом нагружении

1.1.2. Циклическое нагружение

1.2. Развитие усталостных трещин, дефекты сварных соединений................. 18 1.2.1. Классификация дефектов сварных соединений

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.

1.3.3.Магнитопорошковый контроль

1.3.4. Цветная дефектоскопия

1.3.5. Вихретоковый метод контроля

1.3.6. Использование переносных оптических комплексов для контроля структурного состояния, дефектности материала конструкций.

Выводы по первой главе

Глава 2. МЕТОД КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ФАКТИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ПРИБОРЫ, МЕТОДЫ

(ОБЪЕКТ, МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ)

2.1. Объекты исследования.

2.2. Оценка фактического состояния лопаток

2.2.1. Локализация зон с высокой вероятностью развития дефектов.............. 49 2.2.2. Визуальный и измерительный контроль.

2.2.3. Контроль структурного состояния, химического состава, механических свойств материала лопаток.

2.2.4. Магнитопорошковый и акустический контроль дефектности............... 53 Выводы по второй главе

Глава РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.

ФАКТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК НАПРАВЛЯЮЩЕГО

АППАРАТА ГИДРОТУРБИНЫ ПОСЛЕ ИХ ДЛИТЕЛЬНОЙ

ЭКСПЛУАТАЦИИ

3.1. Исследование химического состава, структурного состояния, механических свойств материала лопаток НА.

3.1.1. Результаты химического и металлографического анализа

3.1.2. Результаты механических испытаний

3.2. Результаты исследования дефектности и развития дефектов в лопатках НА гидротурбин.

3.2.1. Результаты осмотра поверхности излома трещины

3.3. Результаты исследования сварных соединений акустическим методом. 73

3.4. Результаты ультразвуковой толщинометрии

Выводы по третьей главе

Глава РАСЧЕТ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЛОПАТОК

4.

НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ГИДРОТУРБИН С УЧЕТОМ РАЗВИТИЯ

УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В УСЛОВИЯХ КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЫ..... 82

Выводы по четвертой главе

Глава 5. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ И

ПРОДЛЕНИЮ РЕСУРСА ЛОПАТОК НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА

ГИДРОТУРБИН

Выводы по пятой главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ К РАБОТЕ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в Российской федерации большая часть оборудования ГЭС, замена которого трудоемка и влияет на конструктивное исполнение гидросооружения, отработала значительный срок – от 40 до 60 лет и требует оперативного вмешательства в продление его срока эксплуатации. Важную роль в обеспечении безопасности и надежности играет оценка фактического состояния элементов конструкций физическими методами исследования без разрушения конструкции, а также выработка мероприятий для повышения прочности и долговечности изделий машиностроения при их восстановлении после длительной эксплуатации.





Имеющаяся нормативная база ГОСТов и других регламентирующих документов для обеспечения контроля прочности и дефектности элементов конструкций гидротехнических сооружений, созданная десятки лет назад, морально устарела. Например, такие важные элементы конструкции гидросилового оборудования, установленного на ГЭС, как лопатки направляющего аппарата (НА) гидротурбины, от которых во многом зависит безопасность, и работоспособность оборудования и станций в целом, по существующей методике при проведении цикловых ремонтов подвергаются визуальному осмотру и магнитопорошковой дефектоскопии. При контроле объекта не производится оценка состояния материала, влияния поврежденности на ресурс конструкции с учетом выявленных дефектов.

Магнитопорошковый контроль осуществляется в плоскостях пера лопатки, и не предусматривает контроль в местах концентрации напряжений, подверженных статическим и динамическим нагрузкам, которые могут приводить к появлению новых и развитию уже имеющихся дефектов, образовавшихся при изготовлении лопатки, например дефектов сварки.

Коррозионная поврежденность и ее влияние на развитие дефектов в процессе эксплуатации лопаток направляющего аппарата также не учитывается при прогнозировании ресурса изделия.

В 2010 году при углубленном магнитопорошковом контроле лопаток направляющего аппарата Нижнекамской ГЭС, отработавших более 32 лет, было обнаружено значительное количество дефектов в сварных швах, часть из которых развивалась в процессе эксплуатации. Оценкой лаборатория неразрушающего контроля «неудовлетворительно»

квалифицировала 23 лопатки из 28. Появились глубокие трещины в зоне галтельных переходов от нижних и верхних цапф на пере, сквозные трещины на пере двух лопаток, наблюдалась коррозионная поврежденность и кавитационный износ. Очевидно, что контроль состояния лопаток, находящихся длительное время в эксплуатации, не может ограничиться контролем поверхностных дефектов, например, с помощью магнитопорошковой или цветной дефектоскопии. Для обеспечения эффективного восстановления лопаток до проектных параметров и их безопасной работы необходимо проводить контроль дефектов в объеме материала, а также осуществлять контроль структурного состояния и характеристик прочности. Необходимо произвести оценку напряженного состояния и скорости развития существующих дефектов в поле напряжений при усталостном разрушении с учетом коррозионной поврежденности, провести оценку распределения дефектов по размерам, ориентации, выработать мероприятия по удалению наиболее дефектных участков и снижению напряжений в местах их концентрации.

При выполнении диссертационной работы проводились исследования в следующих областях: конструкционная прочность, методы и техника экспериментального исследования дефектности, расчет напряженного состояния и развития трещин в поле напряжений.

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем машиностроения Российской академии наук.

Результаты исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, опубликованы в 8 статьях, в том числе в 4 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК, вошли в Руководящий документе по восстановлению лопаток направляющего аппарата ГЭС после длительной эксплуатации. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийских конференциях в Московском государственном техническом институте имени Н.Э. Баумана «Инженерно-технические проблемы новой техники» 2010; 2012 гг.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. Мишакину Василию Васильевичу за помощь в выполнении диссертационной работы.

Глава 1. РАЗВИТИЕ ПОВРЕЖДЕННОСТИ ПРИ СИЛОВОМ

НАГРУЖЕНИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ, МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

ДЕФЕКТНОСТИ МАТЕРИАЛА КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Развитие поврежденности металлических сплавов при статическом и циклическом нагружении.

Механическое разрушение может быть определено как любое изменение размера, формы или свойств материала конструкции, машины или отдельной детали, в результате, которого она утрачивает способность удовлетворительно выполнять свои функции Вид разрушения [1].

определяется как физический процесс или несколько взаимосвязанных с собою процессов, приводящих к разрушению.

Отдельные силовые элементы конструкции ГЭС подвергаются статическому, циклическому и случайному нагружению. Разрушение конструкций может происходить как из-за развития дефектов, полученных в процессе изготовления конструкций, так и в результате накопления дефектов на микроуровне с последующим образованием макротрещины. Необходимо также принимать во внимание, что многие элементы конструкции ГЭС работают в условиях воздействия коррозионной среды, которая приводит к их ускоренному разрушению [2-5].

Способность материала сопротивляться развитию дефектов связана со структурным состоянием материалов конструкций, которое во многих случаях определяет прочностные свойства [6].

Оценка состояния материала элементов конструкции, находящихся длительное время в эксплуатации, не должна быть ограничена определением дефектности, необходимо быть уверенным в соответствии используемых марок стали, их прочностных свойств нормативным документам.

Особое внимание необходимо обратить на усталостное разрушение, которое является наиболее трудно идентифицируемым и наиболее распространенным [1, 7, 8] видом разрушения объектов машиностроения.

Стадийность разрушения материала силовых элементов конструкций, в том числе силовых элементов конструкций ГЭС, определяется скоростью накопления микроповреждений, образованием и развитием микропор, микротрещин, ростом трещин до критического значения и окончательным разрушением материала.

Важную роль в оценке поврежденности играют физические методы исследования, в том числе методы неразрушающего контроля. Эти методы могут использоваться как на этапе накопления микроповреждений до образования макротрещины [9, 10], так и на более поздних стадиях [11, 12]. В большинстве случаев методы неразрушающего контроля традиционно ориентированы на обнаружение макродефектов.

Вследствие разных причин в материале конструкций всегда есть риски, забоины, царапины, расслоения, включения и иные дефекты, способствующие образованию трещин. Особенно большой спектр дефектов может образовываться в материале сварных соединений: поры, неметаллические включения, непровары и другие дефекты. Дефекты могут быть допустимыми и недопустимыми, часть из них может развиваться в процессе эксплуатации.

Разрушение начинается, как правило, в местах значительной концентрации напряжений. Трещиноподобные дефекты могут являться инициаторами образования и развития трещин.

Рассмотрим процесс разрушения при статическом и усталостном разрушении, как на стадии накопления микроповреждений, так и на стадии роста макротрещины.

1.1.1. Разрушение при статическом нагружении Большую роль в процессе разрушении при статическом нагружении играет упругопластическая, пластическая деформация. В настоящее время существует множество работ, посвящённых стадийности процесса разрушения при пластическом деформировании [13-16].

Принято делить весь процесс разрушения на два основных периода:

период зарождения и период распространения трещин [16-18]. При статическом растяжении пластическую деформацию и повреждения, накопленные до начала образования шейки, определяют как период зарождения трещин, а шейкообразование с последующим разрушением – как период распространения трещин (заштрихованная область на рисунке 1.1).

Рисунок 1.1.

Диаграмма напряжение-деформация при статическом растяжении [13]: пц - предел пропорциональности, уп – предел упругости, вн – нижний предел текучести, вт- верхний предел текучести, ск и ск – деформация и напряжение соответствующие окончанию периода зарождения трещины, в – временное сопротивление разрушению.

Период зарождения трещин при статическом растяжении поликристаллических металлических сплавов можно разделить на три стадии [13]. Первая стадия – стадия микротекучести. На этой стадии протекает некоторая микропластическая деформация, причем наиболее интенсивно она проявляется в приповерхностных слоях металла глубиной порядка размера зерна и преимущественно в области границ зерен [19-21]. Вторая стадия – стадия текучести, на которой наблюдается негомогенная пластическая деформация в виде прохождения по всей рабочей длине образца фронта Людерса-Чернова. Плотность дислокаций после прохождения этого фронта возрастает. Уже на этой стадии пластического течения в локальных областях металла (в основном в области границ зерен) могут зарождаться субмикротрещины (длиной порядка 100 нм, шириной 1–10 нм, радиус острия

– 0,1 нм) [13]. Стадия текучести не наблюдается у металлических материалов, у которых на диаграмме статического растяжения отсутствует деформация Людерса-Чернова. В этом случае стадия микротекучести сразу переходит в стадию деформационного упрочнения.

Третья стадия – стадия деформационного упрочнения. На этой стадии в пластичных металлах и сплавах наблюдается появление субмикротрещин размером порядка 1–5 мкм. Внутри металла также образуется дефектная структура в областях с критической плотностью дислокаций. На этой стадии также могут протекать процессы динамического деформационного старения и фазовые превращения. Завершается эта стадия у пластичных металлов и сплавов достижением максимальной нагрузки и началом шейкообразования.

К работам в исследовании эволюции дефектных структур материала на стадии развитой пластической деформации можно отнести работы В. И.

Трефилова, С. А. Фристова и др. [22].

Общим для всех механизмов образования микротрещин является то, что зарождению трещин всегда предшествует пластическая деформация.

Большинство исследователей различают две стадии разрушения:

докритическую и закритическую. На первой, наиболее продолжительной, протекает пластическая деформация, ведущая к зарождению и медленному вязкому подрастанию микротрещины. На второй стадии происходит лавинообразное разрушение, в большинстве случаев представляющее собой быстрый рост макротрещины, предельная скорость распространения которой по отношению к скорости звука для сталей составляет 0,2– 0,9 [6].

Напряженное состояние в вершине трещины и рост трещин анализируются методами механики разрушения. Основной переменной является параметр, называемой коэффициентом интенсивности напряжений К [23]. Коэффициент интенсивности зависит от величины приложенных напряжений и величины трещины 2l:

K = Y l, (1.1) где Y – зависит от вида нагружения и расположения трещины в материале.

Для описания поведения трещины при статическом нагружении используется критический коэффициент интенсивности напряжений или вязкости разрушения, который соответствует наибольшему размеру трещины, способной устойчиво существовать в напряженной конструкции не развиваясь, что имеет большое практическое значение [1]. Критический коэффициент интенсивности напряжений характеризует работоспособность металла при наличии трещин.

В зависимости от прилагаемой к трещине нагрузки разделяют следующие коэффициенты:

KI — коэффициент интенсивности напряжения для условий нагрузки, при которых края трещины смещаются в направлении нормали к плоскости трещины (также известна как открывающая (I) мода деформации);

KIc — критический коэффициент интенсивности напряжений I моды деформаций;

KII — коэффициент интенсивности напряжения для условий нагрузки, при которых края трещины смещаются в плоскости трещины нормально относительно фронта распространения трещины (также известна как поперечно-сдвиговая (II) мода деформации);

KIIc — критический коэффициент интенсивности напряжений II моды деформаций;

KIII — коэффициент интенсивности напряжения для условий нагрузки, при котором края трещины смещаются в плоскости трещины параллельно относительно фронта распространения трещины (также известна как продольно-сдвиговая (III) мода деформации);

KIIIc — критический коэффициент интенсивности напряжений III моды деформаций.

При достижении величины К критического значения происходит разрушение материала.

1.1.2. Циклическое нагружение Усталостное разрушение металлов – это разрушение вследствие воздействия циклически изменяющихся напряжений, более низких, чем предел прочности. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механических свойствах, макроструктуре, микроструктуре и субструктуре. Усталостная прочность металлов значительно резче, чем многие другие механические свойства, реагирует на изменение некоторых условий испытания или эксплуатации [13, 24]. К этим условиям можно отнести:

Внешние факторы:

А) температура;

Б) скорость (частота) приложения нагрузки;

В) характер напряженного состояния;

Г) свойства окружающей среды.

Характеристики самих объектов испытания:

А) размеры объекта;

Б) форма объекта;

В) состояние поверхности (наличие концентраторов напряжений).

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 растяжениясжатия) 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.

Загрузка...

Кривая Велера.

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 5·106 до 10·106. 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.

Рисунок 1.2.

Два типа поведения материала при циклическом нагружении.

1 – сплавы на основе железо – титан. 2 – сплавы цветных металлов.

Кинетика изменения состояния металла при усталостном нагружении.

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 микроили 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].

–  –  –

Для научных исследований преимущественно выбирают изменение нагрузки во времени по пилообразному закону, так как в этом случае материал деформируется приблизительно с постоянной скоростью. Частое применение синусоидальной временной функции нагрузки в практике является следствием имеющихся в распоряжении машин.

По результатам усталостных испытаний, используя данные по изменению параметров петли механического гистерезиса, строят кривые циклического упрочнения (разупрочнения) (рисунок 1.4). Оценка результатов испытаний с контролируемым напряжением дает соответствующую каждому циклу нагружения амплитуду пластической деформации р,а как половину ширины петли гистерезиса при напряжении цикла а. Затем обычно в логарифмическом масштабе строят зависимость амплитуды необратимой пластической деформации р,а от числа циклов нагружения. Аналогично поступают при испытании с контролируемой амплитудой суммарной или пластической деформации

–  –  –

1.2. Развитие усталостных трещин, дефекты сварных соединений.

Образование микротрещин и их развитие при усталостном разрушении связано сопровождается изменением характеристик распределения микропластических деформаций [30, 32] Микропластическая деформация проявляется в образовании на поверхности линий сдвига (скольжения), плотность которых растет с увеличением числа циклов. По мере выхода дислокаций на поверхность усиливается ее повреждение в виде возникающих ступенек. Линии скольжения расширяются в полосы скольжения и постепенно перерождаются в экструзии и интрузии [13, 29]. Экструзия – это выдавливание, а интрузия – углубление полос скольжения. Экструзии и интрузии формируют пикообразный рельеф поверхности, состоящий из выступов и острых впадин, рисунок 1.5. Впадины-места концентрации деформации и, как следствие, вакансий, дислокаций. Из-за их высокой плотности здесь возникают микропоры, рыхлоты, которые, сливаясь, образуют субмикротрещины. Развитие и объединение субмикротрещин ведет, в свою очередь, к образованию микротрещин.

Рисунок 1.5.

Схема образования экструзий и интрузий в устойчивых полосах скольжения (УПС) при циклическом деформировании.

Следует отметить, что усталостные микротрещины могут зарождаться по границам зерен, у неметаллических включений (рисунок 1.6) и концентраторов напряжений, которыми могут служить полости, поры.

Рисунок 1.6.

Зарождение усталостных трещин (повторное растяжение) у неметаллических включений в Ст. 3 (а = 245 МПа, N= 4,6·103 циклов – а,б);

дислокационная структура у неметаллического включения на стадии циклической текучести (в) схема зарождения усталостной трещины у включения (г).

Образование и развитие микропор и микротрещин приводит к разрыхлению, уменьшению плотности металла. Обобщение поведения металлов при накоплении микронесплошностей в рамках механики сплошных сред привело к понятию функций поврежденности, введенных Ю.Н. Работновым [33] и Л.И. Качановым [34, 35], учитывающих изменение живого сечения металла за счет микроповреждений. Для описания разрушения металла в условиях циклического нагружения В.М. Волковым [36] была предложена модель, опирающаяся на теорию разрыхления. Им были введены феноменологические понятия деформационных разрыхлений и рода, соответствующих размеру элементов 3-го, 2-го, 1-го субмикроструктуры, размеру элементов микроструктуры и объему тела.

Были введены понятия критических разрыхлений, которые образуются в элементах после того, как монотонно возрастающий параметр нагружения, например, число циклов нагружения, достигает соответствующих критических значений. Предложенная модель описывает стадийность разрушения материала, а также связывает процесс разрушения с микропластической и макропластической деформациями.

Для исследования распространения трещин при усталостном нагружении применяют методы механики разрушения.

В случае циклического нагружения для расчета долговечности, определяемой длиной трещины, используют скорость изменения длины с числом циклов dl dN [1].

–  –  –

Переход процесса развития усталостных трещин на масштабный макроскопический уровень характеризуют пороговыми величинами коэффициента интенсивности напряжения и скорости роста трещины dl dN.

Этот переход, как правило, связан с потерей устойчивости образца или детали и дальнейшее нарастание скорости роста трещины происходит при незначительном изменении коэффициента интенсивности напряжения.

Имеющиеся дефекты материала конструкции, как правило, являются концентраторами напряжений. Развитие структурной поврежденности в местах концентрации напряжений приводит к образованию микротрещин их слиянию, появлению макротрещины и ее росту до критического значения.

Наиболее опасными для конструкций являются плоскостные дефекты, на краях которых создаются локальные напряжения, превышающие прочностные возможности металла, что приводит к росту этих дефектов и к разрушению конструкции [37, 38]. Как правило, в сварных конструкциях существует значительное количество дефектов, которые могут развиваться в процессе силового нагружения. Рассмотрим наиболее распространенные дефекты сварных соединений.

1.2.1. Классификация дефектов сварных соединений.

Одной из важных причин, влияющих на безопасность эксплуатации изделий машиностроения, например, элементов конструкции ГЭС, нефте- и газопроводов, является состояние сварных швов. Именно сварные соединения остаются основными местами, в которых могут возникать и развиваться усталостные трещины. Количество аварий, вызванных дефектами этих соединений, по данным [39] достигает 60%.

Результаты проведенных исследований, приведенных в [40, 41] показывают существенное влияние дефектов на усталостную прочность сварных соединений. Например, при глубине непровара 10% предел выносливости сварного соединения из стали 1Х18Н9Т уменьшается в 3 раза [42].

Дефекты сварных соединений могут быть источниками образования макротрещин. Причем особую опасность представляют не дефекты, которые могут быть выявлены визуальным контролем, а внутренние дефекты.

Учитывая то, что сварные соединения наиболее часто используются при изготовлении неразъемных соединений, рассмотрим классификацию и описание дефектов сварки.

Для сварки плавлением вследствие нарушения режима сварки свойственны некоторые металлургические дефекты. Поскольку при сварке металл подвергается расплавлению и затвердеванию, то могут возникать все дефекты, присущие литому металлу: усадочные раковины, поры, включения (шлаковые, флюсовые, окисные, сульфидные, металлические). Кроме того, под воздействием высокой температуры в зоне термического влияния могут возникать изменения размеров зерна, перегрев, закалка и отпуск, горячие и холодные трещины [12, 43].

В зависимости от места нахождения и вида дефекты условно делятся на наружные и внутренние. Наружные (внешние) дефекты — это дефекты формы шва, а также прожоги, кратеры, наплывы, подрезы и др. (рисунок 1.7).

–  –  –

Внутренние дефекты можно разделить на объемные и плоскостные.

К дефектам объемной формы относятся поры, шлаковые включения и их разновидности.

Поры газовые образуются вследствие загрязненности кромок свариваемого металла, использования влажного флюса или отсыревших электродов, недостаточной защиты шва при сварке в среде углекислого газа, увеличенной скорости сварки и завышенной длины дуги (рисунок 1.9). При сварке в среде углекислого газа, а в некоторых случаях и под флюсом на больших токах образуются сквозные поры — так называемые свищи (рисунок 1.10). Размер внутренних пор колеблется от 0,1 до 2-3 мм в диаметре, а иногда и более. Поры могут быть распределены в шве отдельными группами (скопление пор), в виде цепочки по продольной оси шва или в виде отдельных включений (одиночные поры).

–  –  –

К плоскостным дефектам относятся непровары, трещины и несплавления.

Непровары – несплошности на границах между основным и наплавленным металлами или незаполненные металлом полости в сечении шва. Причинами образования непроваров являются плохая подготовка кромок свариваемых листов, малое расстояние между кромками листов, неправильный или неустойчивый режим сварки и т. п. Непровары снижают работоспособность соединения за счет ослабления рабочего сечения шва.

Кроме того, острые непровары могут создать концентрацию напряжений в шве. В конструкциях, работающих на статическую нагрузку, непровар величиной 10-15% от толщины свариваемого металла не оказывает существенного влияния на эксплуатационную прочность. Однако он является чрезвычайно опасным дефектом, если конструкции работают при вибрационных нагрузках.

Несплавление — это такой дефект, когда наплавляемый металл сварного шва не сплавляется с основным металлом или с ранее наплавленным металлом предыдущего слоя того же шва (рисунок 1.8, д).

Особенно опасный дефект – сварочные трещины, возникающие обычно в процессе остывания сварного соединения. Они могут появиться не только в наплавленном металле, но также в основном металле соединения в зоне термического влияния на него сварочного процесса. Трещины часто возникают от внутренних напряжений, возникающих от усадки при охлаждении шва (технология сварки, а также когда основной металл или электроды не отвечают необходимым требованиям). Трещины в наплавленном металле, перпендикулярные оси шва, могут распространяться и на основной металл. Иногда трещины могут возникнуть вдоль боковой стороны нагреваемой зоны [12]. Причинами образования трещин могут быть неправильно выбранная технология или плохая техника сварки. Трещины являются наиболее опасным и по существующим правилам контроля недопустимым дефектом [43].

По ГОСТ Р ИСО 6520-1-2012 [44] трещиной называется несплошность, вызванная местным разрывом шва или околошовной зоны, который может возникнуть в результате охлаждения или действия нагрузок.

Согласно РД 03-606-03 [45] трещины делятся на (рисунок 1.11):

продольные параллельно оси сварного шва, • (ориентированные рисунок 1.11а);

поперечные (ориентированные поперек оси сварного шва, рисунок •

1.11б);

радиальные (радиально расходящиеся из одной точки, могут быть • расположены в металле сварного шва, в зоне термического влияния, в основном металле, рисунок 1.11в);

разветвленные (имеют ответвления в различных направлениях, или • группа соединенных трещин, отходящих от одной общей трещины, рисунок 1.11г);

кратерные (продольная, поперечная, разветвленная трещины в кратере • валика (слоя) сварного шва, рисунок 1.11д).

–  –  –

Твердые инородные включения, несплавления, непровары, поры являются концентраторами напряжения и источниками развития усталостных трещин. Развитие усталостной трещины происходит в результате циклической сдвиговой деформации в области вершины трещины. Если релаксация этой деформации в результате пластического течения затруднена, то трещины объединяются в микротрещины. Развитие усталостной трещины в гладком образце начинаться тогда, когда ее глубина превышает размер одного зерна, а длина - размер нескольких зерен [13].

Как уже говорилось выше, усталостные трещины являются одним из основных источников разрушения. Комиссия Ростехнадзора, расследовавшая причины крупной аварии, произошедшей 17.09.2009 г. на Саяно-Шушенской ГЭС, пришла к выводу, что непосредственной причиной разрушения гидроагрегата № 2 было усталостное разрушение шпилек крепления крышки турбины в результате вибрации, возникавшей при переходных процессах набора (сброса) мощности гидроагрегата через диапазон «запрещённой зоны» [46]. Ущерб от аварии на 25 сентября 2009 года превысил 7,3 миллиарда рублей, включая ущерб экологической обстановке, говорится в акте технического расследования причин аварии на станции.

Анализ причин возникновения усталостных трещин в элементах сварных конструкций показал, что во многих случаях трещины возникают от дефектов сварки [47, 48]. Одной из причин ускоренного развития усталостных трещин могут быть остаточные напряжения в сварных узлах [49].

Источниками циклических деформаций, приводящих к развитию усталостной поврежденности в элементах конструкции ГЭС, могут быть случаи возбуждения автоколебаний напорных водоподводящих систем [50].

Циклическая составляющая нагрузки на лопатки направляющего аппарата появляется в результате периодического регулирования стока воды на лопасти рабочего колеса (РК) турбины. Длина трещин может расти при пиковых нагрузках из-за появления гидроударов, а также в результате защемления посторонних предметов в зазоре между лопатками при регулировании стока воды, что приводит, как правило, к разрушению пальцев на рычагах управления лопаткой и возникновению повышенного момента на пере лопатки.

Дефекты сварных соединений в ряде случаев приводят к развитию трещин, как на поверхности материала конструкций, так и в его объеме.

Снижение прочностных характеристик материала может быть связано со структурным состоянием материала конструкций, возможным отклонением химического состава, механических характеристик материала от характеристик, регламентированных ГОСТ и нормативной документацией.

Наличие трещин существенно снижает прочностные хсвойстваконструкции [48]. Согласно [51] расчет конструкций оборудования, установленного на гидроэлектростанциях, необходимо производить с учетом влияния трещин и неоднородности материалов. Важную роль в определении наличия трещин и трещиноподобных дефектов играют физические методы исследования, в частности методы неразрушающего контроля.

В настоящее время неразрушающий контроль применяются не только для выявления дефектов, но и для оценки надежности, ресурса деталей и элементов конструкции по их фактическому состоянию. Результаты оценки надежности сварных соединений в условиях циклического нагружения по результатам неразрушающего контроля представлены в работе [52].

Проведенные ранее исследования подтвердили решающее влияние дефектов на прочность сварных соединений при переменных нагрузках [53Наиболее опасными для конструкций являются дефекты, на краях которых создаются высокие локальные напряжения.

Для сварных соединений разрабатываются критерии развития усталостных трещин с использованием уравнений механики разрушения [56, 57]. При анализе развития дефектов в процессе эксплуатации необходима как оценка их характеристик, включая размеры и ориентацию относительно действующих напряжений, так и определение напряженнодеформированного состояния.

Совместное действие механических нагрузок и коррозионных сред приводит к значительному сокращению срока службы деталей машин и аппаратов. Причины этого явления видят в том, что при работе в коррозионных средах увеличивается скорость распространения усталостных трещин [58, 59]. Независимо от индивидуальных свойств металлов, чем агрессивнее среда, тем больше скорость развития усталостной трещины, и, следовательно, меньше сопротивление усталости и ниже предел ограниченной выносливости.

Определяющее значение в процессе роста усталостной трещины при невысоких коэффициентах интенсивности напряжений К1с отводится механизму локального разрушения под действием окружающей среды, а при высоких – механизму конечной пластической деформации вблизи конца трещины [58, 60, 61]. Период наиболее активного воздействия среды иногда связывают с пороговым значением коэффициента интенсивности напряжений Если максимальное значение коэффициента К1SCC.

интенсивности напряжения в цикле ниже К1SCC, коррозионная среда перестает играть роль в развитии трещин. Например, на образцах из высокопрочных конструкционных сталей наибольшее влияние среды наблюдается при величине размаха коэффициента интенсивности напряжений К около 14 МПа. По мере возрастания К выше этой величины влияние среды снижается. Скорость роста усталостной трещины в образцах из некоторых сплавов в морской воде оказывается выше в два раза и более, чем на воздухе, при одинаковых значениях размаха коэффициента интенсивности напряжений. Влияние потока воды (коррозионной среды) на усталостное разрушение больше сказывается при низких уровнях напряжений [62].

1.3. Методы контроля состояния материала силовых элементах конструкций.

Как отмечалось выше, на сегодня многие элементы конструкции ГЭС отработали от 40 до 60 лет. Такие детали как лопатки НА находились в эксплуатации более 32 и 50 лет соответственно, например, на Нижнекамской и Жигулевской ГЭС без капитального ремонта. Учитывая значительное время после их изготовления, в ряде случаев отсутствие необходимой документации подтверждающей прочностные свойства материала конструкций и соответствия марки стали регламентируемой нормативными документами для данной конструкции а также заключений по результатам НК необходимо провести для данных деталей комплексное исследование состояние материала конструкций. Методы определения состояния силовых элементов конструкций ГЭС в настоящее время недостаточно разработаны.

Например, контроль состояния таких ответственных элементов конструкций как лопатки направляющего аппарата ограничивается визуальный осмотром, магнитопорошковым контролем пера лопатки, замером геометрических характеристик лопаток. Дефекты в объеме материала не исследуются.

Характеристики коррозионной поврежденности не определяются.

Проводимые расчеты прочности не учитывают наличие дефектов и их характеристик. Мероприятия по восстановлению элементов конструкций во многих случаях ограничиваются устранением дефектов, восстановлением геометрических размеров, термической и механической обработкой, нанесением защитных покрытий. Конструктивных изменений способствующих уменьшению напряжений в местах наиболее вероятного образования и развития дефектов, как правило, не производится.

При выработке мероприятий по модернизации элементов конструкции после длительной эксплуатации необходимо учитывать характеристики дефектов: размеры, их распределение по объему металла, наличие дефектов в зонах концентрации напряжений. Мероприятия должны включать конструктивные изменения, способствующие увеличению ресурса изделия за счет уменьшения напряжений в опасных зонах, повышению сопротивления развитию трещин.

Исходя из вышесказанного, комплексный метод должен включать в себя определение прочностных, деформационных и структурных характеристик материала, размеров и распределение дефектов, величину коррозионной поврежденности конструкции.

Сочетания прямых измерений свойств материала разрушающими методами контроля с методами НК дает наиболее полную оценку фактического состояния материала. Современные испытательные машины для определения механических свойств позволяют автоматизировать процесс измерения, получать достоверные данные о прочностных и пластических свойствах металла. С помощью спектроанализаторов определяется химический состав и соответственно марка стали, как на элементах конструкций, так и на малогабаритных образцах. Переносные металлографические комплексы позволяют осуществлять контроль структурного состояния, непосредственно на материале конструкций.

Определение, марки стали, ее структурного состояния, прочностных и деформационных свойств необходимы для выявления соответствия материала указанном в нормативных документах. Неразрушающие методы контроля (НМК) имеют ряд преимуществ перед разрушающими методами [63]:

Испытания проводятся непосредственно на изделиях, которые 1.

будут применяться в рабочих условиях.

Испытания можно проводить на любой детали, предназначенной 2.

для работы в реальных условиях, если это экономически обосновано. Эти испытания можно проводить даже тогда, когда в партии имеется большое различие между деталями.

Испытания можно проводить на целой детали или на всех ее 3.

опасных участках. Многие опасные с точки зрения эксплуатационной надежности участки детали могут быть исследованы одновременно или последовательно, в зависимости от удобства и целесообразности.

Могут быть проведены испытания многими НМК, каждый из 4.

которых чувствителен к различным свойствам или частям материала или детали. Таким образом, имеется возможность измерить столько различных свойств, связанных с рабочими условиями, сколько необходимо.

Неразрушающие методы контроля часто можно применять к 5.

детали в рабочих условиях, без прекращения работы, кроме обычного ремонта или периодов простоя. Они не нарушают и не изменяют характеристик рабочих деталей.

Неразрушающие методы контроля позволяют применить 6.

повторный контроль данных деталей в течение любого периода времени.

Таким образом, степень повреждений в процессе эксплуатации, если ее можно обнаружить, и ее связь с разрушением в процессе эксплуатации могут быть точно установлены.

При неразрушающих методах испытаний детали, изготовленные 7.

из дорогостоящего материала, не выхолят из строя при контроле. Возможны повторные испытания во время производства или эксплуатации, когда они экономически и практически оправданы.

При неразрушающих методах испытаний требуется небольшая 8.

(или совсем не требуется) предварительная обработка образцов. Некоторые устройства для испытаний являются портативными, обладают высоким быстродействием, в ряде случаях контроль может быть полностью автоматизированным. Стоимость НМК ниже, чем соответствующая стоимость разрушающих методов контроля.

Большинство неразрушающих методов испытания 9.

кратковременны и требуют меньшей затраты человеко-часов, чем типичные разрушающие методы испытаний. Эти методы можно использовать для контроля всех деталей при меньшей стоимости или стоимости, сопоставимой со стоимостью разрушающих методов испытаний лишь небольшого процента деталей в целой партии.

Наиболее распространенными методами контроля дефектности материала силовых элементов конструкций оборудования, установленного на ГЭС, являются визуальный контроль, акустический метод контроля, магнитопорошковый, вихретоковый, метод цветной дефектоскопии. Реже используется рентгеновский метод и другие методы неразрушающего контроля.

1.3.1. Акустические методы контроля состояния материалов конструкций.

Наиболее часто применяемым физическим методом неразрушающего контроля при строительстве, монтаже и эксплуатации элементов конструкции энергетических установок является ультразвуковой контроля [64, 65]. К основным достоинствам ультразвукового контроля, благодаря которым он нашел широкое распространение, можно отнести высокую чувствительность, большую проникающую способность, возможность контроля при одностороннем доступе, практическую безопасность для обслуживающего персонала, экономичность [10,66-68].

Известно множество акустических методов неразрушающего контроля, некоторые из которых применяются в нескольких вариантах. Их делят на две большие группы [10, 66] – активные и пассивные методы. Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект. Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот. Метод прохождения включает в себя амплитудный теневой, временной теневой, велосиметрический. Методы отражения включают эхо-метод, эхо-зеркальный метод, дельта-метод, дифракционновременной, реверберационный. Метод собственных частот разделяется на метод вынужденных колебаний и свободных колебаний.

Пассивный метод разделяется на акустико-эмиссионный, вибрационнодиагностический, шумодиагностический.

Ультразвуковые методы, используемые для неразрушающего контроля материалов, можно классифицировать с учетом целей, которые эти методы преследуют. В этом смысле все ультразвуковые методы можно разделить на две группы:

1) для определения локальных дефектов;

2) для определения структурных особенностей контролируемого металла.

В качестве информативных параметров в первой группе методов главным образом используют амплитуду эхо-сигналов от дефектов или ослабление амплитуды пришедшего сигнала, изменение времени распространения упругих волн вследствие огибания волной дефекта и т.д.



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«Осколков Илья Михайлович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ БИЗНЕС-ПЛАНИРОВАНИЯ ИНВЕСТИЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛИЗАЦИИ МИРОВОЙ ЭКОНОМИКИ (на примере предприятий машиностроения) Специальность 08.00.05 – Экономика и управление...»

«ТИМЕРБАЕВ Александр Сифхатович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (машиностроение) Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«Осколков Илья Михайлович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ БИЗНЕС-ПЛАНИРОВАНИЯ ИНВЕСТИЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛИЗАЦИИ МИРОВОЙ ЭКОНОМИКИ (на примере предприятий машиностроения) Специальность 08.00.05 – Экономика и управление...»

«Савельева Наталия Николаевна ПОДГОТОВКА БУДУЩИХ БАКАЛАВРОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ К ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ 13.00.08 Теория и методика профессионального образования диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель – доктор педагогических наук, профессор И.Ю. Соколова Томск 2014 Содержание Введение... 3 Глава 1. Теоретическое...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.