CC BY
36
УДК 620.17
Обеспечение этапов жизненного цикла лопаток паровых турбин применением ультразвукового контроля
А. И. Попова, А. И. Попов, В. С. Медко, М. И. Тюхтяев
Проведен анализ жизненного цикла лопаток паровых турбин. Рассмотрено применение ультразвукового контроля на протяжении всего жизненного цикла лопаток. Выполнен анализ дефектов в турбине, которые развиваются от исходных дефектов, полученных на этапе обработки заготовки фрезерованием. Показано, что применение УЗ-контроля на всем жизненном цикле турбинной лопатки позволяет снизить количество дефектов. Предложна схема контроля лопаток паровых турбин с Т-образным хвостовиком с применением иммерсионно-жесткого слоя. Получены зависимости влияния амплитуды сигнала от дефектов на стандартных и специально изготовленных образцах с применением иммерсионно-жесткой призмы. Предложенный подход позволит снизить вероятность возникновения дефектов в процессе жизненного цикла лопаток.
Ключевые слова: жизненный цикл, турбинная лопатка, фрезерование, ультразвуковой контроль, дефекты коррозионных и теплостойких сталей.
Введение
Членство России в ВТО определяет полноправное участие зарубежных энергетических компаний в тендерах по государственным программам производства и ремонта энергетического оборудования для отечественной промышленности. Вхождение в энергетический рынок России сильных зарубежных производителей значительно повышает требования по качеству и надежности продукции отечественных производителей для удержания и расширения своей доли рынка, в том числе по паровым турбинам для тепловых и атомных электростанций.
Важнейшими элементами повышения конкурентоспособности продукции отечественных энергетических компаний являются разработка и внедрение сквозных операционных процедур контроля, включающих описание и визуализацию, необходимый объем контроля на протяжении всего жизненного цикла продукции (ЖЦП) (рис. 1) [1].
Анализ жизненных циклов паровых турбин показывает, что на этапе эксплуатации 46,8 %
роторов турбин выходят из строя из-за дефектов рабочих лопаток турбины, причем обрывы лопаток и трещины в лопатках составляют соответственно 65,4 % и 11,5 % [2]. Частыми причинами возникновения трещин и обрывов лопаток с Т-образным хвостовиком являются дефекты поверхности, формирующиеся на этапе механической обработки фрезерованием.
Возникновение в процессе фрезерования глубоких рисок на этапах приработки инструмента и надрывов поверхностного слоя в зоне катастрофического износа инструмента приводит к формированию микродефектов поверхностного слоя и возможному развитию усталостных трещин в ходе эксплуатации.
Наличие усталостных трещин в лопатках с Т-образным хвостовиком, закрепленных в ободе ступени турбины, приводит к разрушению как одной лопатки, так и близлежащих.
Возможности определения микродефектов на ранних этапах ЖЦП капиллярными и маг-нитопорошковыми методами [3] ограничены. Выявление таких дефектов в ободе турбины рентгеновским методом также представляет
Рис. 1. Жизненный цикл турбинных лопаток с применением УЗ-контроля
трудности, обусловленные дороговизной оборудования, опасностью для персонала и ограничениями в размещении рентгеновской пленки при съемке. Значительными преимуществами по сравнению с рентгеновским методом для контроля зоны хвостовика обладает метод ультразвукового контроля, обладающий меньшей стоимостью, безопасностью для персонала и более высокой чувствительностью к выявлению дефектов, расположенных под углом.
Однако для применения УЗ-контроля требуется ввод УЗ-луча через криволинейное тело лопатки и формирование для этого перехода от криволинейной поверхности малого радиуса к плоской поверхности для обеспечения надежного акустического контакта. Анализ литературных источников показывает, что разными авторами [4] предприняты попытки ввода УЗ-луча в тело лопатки, однако контролю при
этом подвергается, как правило, только локальное место в области хвостовика или небольшая зона. Метод фазированных решеток, использующий принципы ультразвукового контроля, имеет преимущества за счет возможности сканирования значительно большей области, но также не обеспечивает контроль основного объема хвостовика закрепленной лопатки и требует формирования акустической призмы для перехода от криволинейной поверхности лопатки к плоской поверхности датчика. Поэтому целью работы является выявление условий, при которых возможен ввод УЗ-луча в криволинейное тело лопатки для обнаружения дефектов в зоне крепления Т-образного хвостовика по всей его длине. Задача работы — определение возможности ввода УЗ-луча через тело лопатки и формирование акустической призмы для ввода луча через криволинейную поверхность.
Работа дефектоскопа
при выявлении дефектов
На рис. 2 показана принципиальная блок-схема дефектоскопа УД2-3С, используемого для проведения ультразвукового контроля в зоне хвостовика лопатки.
При работе в эхо-импульсном режиме генератор дефектоскопа формирует электрический сигнал, который подается на пьезокерамиче-скую пластину, установленную в пьезоэлектрическом преобразователе (ПЭП) 2. Это приводит к возбуждению стартового зондирующего ультразвукового импульса в пластине, направленного через масляную прослойку в объект контроля 3. Отраженный от поверхности дна или дефекта сигнал принимается ПЭП и попадает на усилитель, где преобразуется в цифровую форму в АЦП и затем обрабатывается микропроцессором. Затем данный сигнал выводится на экран дефектоскопа в логарифмическом масштабе. Ось ординат экрана дефектоскопа характеризует амплитуду звукового сигнала (дБ), ось абсцисс — промежутки времени (мкс), фиксирующие прохождение двойного пути УЗ-луча. Идеальной формой индикации импульсов для объекта, не имеющего дефектов, является плавно убывающая пила от затухающих донных импульсов за счет рассеяния их энергии на границах зерен. В случае возникновения дефектов, расположенных в зоне контроля, например трещин, пор, расслоений, на экране дефектоскопа наблюдается уменьшение амплитуды от первого донного сигнала с одновременным ростом промежуточного импульса от дефекта, расположенного на временном отрезке между зондирующим и первым донным импульсами.
Разработка схемы введения
ультразвукового луча для лопатки
с Т-образным хвостовиком
Для оценки наиболее напряженного состояния в теле хвостовика были проанализированы геометрия и силы, прикладываемые к рабочей лопатке в период эксплуатации турбины. Наибольший интерес с точки зрения контроля представляет зона 2 галтельного перехода (рис. 3), который за счет малого радиуса наиболее подвержен радиальным и тангенциальным нагрузкам, возникающим в процессе эксплуатации. Кроме этого, дефекты, сформированные на этапе механической обработки, являясь дополнительными концентраторами напряжений, приводят к возникновению и развитию трещин. С применением программы Unigraphics разработана схема введения УЗ-луча для оценки развивающихся дефектов в зоне контроля 2 Т-образного хвостовика в период эксплуатации турбины.
Наиболее предпочтительным, на наш взгляд, является введение УЗ-луча через криволинейное тело лопатки сверху в зоне галтельного перехода [5] со стороны внутренней поверхности профиля. Однако конструктивное исполнение лопатки не позволяет осуществлять кон-роль за счет развитой геометрии и отсутствия аккустического контакта на криволинейной поверхности малого радиуса. Исходя из этого нами была предложена схема формирования акустической призмы — промежуточного слоя, формирующего переход от сложной криволинейной поверхности лопатки к плоскости за счет создания иммерсионно-жесткого слоя, состоящего из чередующихся слоев машинного
МКС
Рис. 2. Принципиальная блок-схема дефектоскопа: 1 — объект контроля; 2 — пьезоэлектрический преобразователь; 3 — направление распространения эхо-импульса; 4 — экран
Рис. 3. Применение 3^-моделирования для определения оптимальной точки ввода УЗ-луча:
1 — тело Т-образного хвостовика; 2 — зона контроля
1 — тело лопатки; 2 — УЗ-датчик; 3 — иммерсионно-жесткая призма; 4 — дефект
масла и полипропилена и обладающего требуемой жесткостью для удержания необходимой формы (рис. 4).
Результаты проведенных экспериментов
Для определения возможности получения устойчивого акустического сигнала через иммерсионно-жесткий слой, состоящий из слоя машинного масла со средней толщиной 23 мкм и слоя полипропилена со средней толщиной 21 мкм, нами были проведены исследования
с целью получить устойчивый сигнал от дефекта в стандартном образце СО-2 по ГОСТ 14637. Проведенные исследования позволили выявить зависимость амплитуды сигнала, полученного от дефекта 06Н14 прямым пьезоэлектрическим преобразователем 2,5К12, до момента достижения фиксированной высоты импульса на экране дефектоскопа (20 %) с увеличением толщины иммерсионно-жесткого слоя (рис. 5).
Показано, что увеличение толщины иммерсионно-жесткого слоя требует подстройки уси-
Амплитуда, дБ
Рис. 5. Влияния толщины иммерсионно-жесткой призмы на амплитуду эхо-импульса от отверстия 06Н14:
1 — суммарный слой; 2 — масло; 3 — поликарбонат
Рис. 6. Проведение контроля на образце с криволинейной призмой диаметром 65 мм, глубиной 4 мм при выявлении дефекта в виде зарубки на донной поверхности
ления сигнала за счет продольного рассеяния энергии звука по слоям. Зафиксировано увеличение угла ввода для датчика П121-2,5-50С на 2° для иммерсионно-жесткого слоя толщиной 8,8 мм.
При контроле наклонным преобразователем П121-2,5-50С на стандартном образце СО-3 по ГОСТ 14637 выявлены устойчивое получение сигнала от боковой поверхности образца и линейные дефекты и дефекты в образцах в виде зарубок по ГОСТ 14782-86 для переходного слоя толщиной 8,8 мм.
Проведенные исследования на специально изготовленном образце (рис. 6) с заданной криволинейной поверхностью глубиной 4 мм, диаметром 65 мм на одной стороне и сформированной зарубкой на другом показали, что иммерсионно-жесткая призма позволяет устойчиво выявлять дефект на противоположной поверхности образца при контроле наклонным преобразователем П121-2,5-50С. При этом наблюдается устойчивое формирование сигнала от дефекта в течение длительного времени за счет хорошего акустического контакта с иммерсионно-жесткой призмой.
Выводы
1. Исследована возможность выявления ультразвуковым эхо-импульсным методом последствий развития дефектов, образующихся на ранних стадиях жизненного цикла лопаток, на этапе механической обработки фрезерованием.
2. Определены поверхности ввода УЗ-луча, показана возможность проведения контроля Т-образного хвостовика с использованием иммерсионно-жесткого слоя, выявлена зависимость амплитуды сигналов от искусственных дефектов в стандартных образцах.
3. Предлагаемый подход анализа ЖЦП направлен на снижение процентного объема внутренних повреждений, что приведет к повышению надежности и работоспособности энергетического оборудования, стабильности работы энергетической системы в целом и, как следствие, уменьшению доли репутационных рисков и повышению имиджа для отечественных энергетических компаний.
Литература
1. Принципы построения автоматизированных систем поддержки жизненного цикла инновационных продуктов / А. И. Надеев, А. И. Попова, А. В. Сурина, Ю. К. Свечников // Датчики и системы. 2006. № 11 (90). С. 59-63.
2. Ремонт паровых турбин: учеб. пособ. /В. Н. Родин, А. Г. Шарапов, Б. Е. Мурманский [и др.]; под общ. ред. Ю. М. Бродова и В. Н. Родина. Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2002. 296 с.
3. Попов А. И., Савинов А. М., Зейдан М. Н. Совершенствование неразрушающего контроля в процессе производства турбинных лопаток // Технология машиностроения. 2006. № 9. С. 71-74.
4. Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов: справ. изд.; Пер. с нем. М.: Металлургия, 1991.752 с.
5. Повышение работоспособности лопаток паровых турбин с Т-образным хвостовиком за счет применения ультразвукового контроля / О. И. Ласточкина, А. А. Пет-ровичева [и др.] // Материалы ХЪП науч.-практ. конф. с междунар. участием «Новые материалы и технологии „Неделя науки СПбГПУ"» 2-7 дек. 2013.
