CC BY
140
УДК 621.224:621.923.1
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХОСТНОГО СЛОЯ НА КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ЛОПАСТЕЙ ГИДРОТУРБИН И ВЫБОР МЕТОДА ИХ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ
Б.Н. Хватов
Кафедра «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», ТГТУ
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: качество поверхностного слоя; коррозионноусталостная прочность; ленточное шлифование; лопасти гидротурбин; наклеп; остаточные напряжения; поверхностно-пластическое деформирование; предел коррозионной выносливости; шероховатость поверхности; шлифование ручное.
Аннотация: Осуществлен обзор современных гипотез, касающихся природы коррозионно-усталостной прочности и механизма влияния на нее параметров физико-механического состояния металла поверхностного слоя деталей. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния различных методов механической обработки на состояние поверхностного слоя и коррозионную усталость гидротурбинной стали, позволившие научно обосновать эффективный способ окончательной обработки лопастей гидротурбин ленточным шлифованием. Показана перспективность процессов упрочнения поверхностно-пластическим деформированием в повышении эксплуатационных свойств лопастей гидротурбин.
Острая конкурентная борьба на рынках сбыта гидроэнергетического оборудования позволяет потребителям выдвигать все более и более сложные требования к качеству оборудования, повышению гарантий безаварийной работы. Основными тенденциями являются увеличение единичной мощности гидроагрегатов, повышение быстроходности, продвижение на более высокие напоры [1]. В этих условиях резко возрастает удельная нагрузка на ответственные детали гидротурбин. На первый план выступают вопросы обеспечения усталостной прочности лопастей рабочих колес гидротурбин как наиболее нагруженного звена, воспринимающего непосредственно напор потока воды и преобразующего его во вращательное движение ротора генератора.
Металл лопастей гидротурбин работает в условиях сложного асимметричного цикла нагружения со средним напряжением статической нагрузки растяжения в консольной части 100___110 МПа и наложением не менее двух гармоник динамической нагрузки: низкочастотной (2_5 Гц) с амплитудой 15_____20 МПа и высо-
кочастотной (80 _ 100 Гц) с амплитудой 3_5 МПа [2]. На переходных режимах (периоды пуска, разгона, останова) составляющая динамической нагрузки возрастает до 30 %.
В процессе изготовления многотонные отливки лопастей проходят длительный цикл механической обработки, связанный, прежде всего, с программным
фрезерованием профильной (рабочей) части пера лопасти и последующим его многопереходным шлифованием до получения поверхности «гидравлически чисто», заключающейся в обеспечении ее плавности и шероховатости по параметру Ка < 2,5 мкм [3].
Как известно из физики твердого тела [4], отдельные участки поверхности поликристаллического тела после механической обработки вследствие анизотропии механических свойств составляющих его кристаллов, хаотического расположения их по отношению к действующим силам при резании могут находиться в упругом, упруго-пластическом и пластическом состояниях с разными уровнями свободной энергии. В агрессивной среде (электролите) поверхность такого тела представляет большое множество короткозамкнутых микрогальванических элементов с растворением металла на анодных (более деформированных) участках и с адсорбцией поверхностно-активных веществ из среды, в частности, водорода на катодных участках поверхности. Приложение внешней нагрузки еще более усиливает гетерогенность электрохимических свойств поверхностного слоя и активизирует протекание названных процессов.
Указанные процессы ослабляют поверхностный слой, повреждения от них имеют свойство накапливаться с течением времени, в связи с чем для деталей, работающих в коррозионных средах, наблюдаются значительное снижение и отсутствие истинного предела коррозионной выносливости, большая чувствительность его к видам и режимам обработки поверхности, доминирование периода развития коррозионно-усталостной трещины в общей долговечности по сравнению с аналогичными процессами, протекающими при усталостных испытаниях в условиях атмосферного воздуха.
При объяснении механизма коррозионной усталости в настоящее время наибольшее признание получили две теории: электрохимическая, предложенная Ю.Р. Эвансом [5], согласно которой ответственными за снижение усталостной прочности стали в средах являются процессы электрохимического растворения металла на анодных участках с образованием глубоких коррозионных язвин, инициирующих усталостные трещины; и более универсальная адсорбционноэлектрохимическая теория, разработанная Г.В. Карпенко [6], согласно которой коррозионная усталость металлов представляет более сложный процесс, обусловленный комплексным действием механического, электрохимического и адсорбционного факторов. Первичным и универсальным актом воздействия среды, при этом является адсорбционное снижение прочности материала, наступающее вследствие замещения атомами кристаллической решетки из среды поверхностноактивных компонентов, снижающих уровень поверхностной энергии материала («эффект Ребиндера»). Дальнейшее развитие усталостного разрушения в различных средах и в зависимости от величины действующих напряжений может происходить принципиально отличными путями. Так, для деталей гидротурбин коррозия в пресной воде протекает с кислородной деполяризацией и влияние среды для них сводится к уменьшению прочности под влиянием адсорбционного и коррозионного процессов, активируемых внешней нагрузкой.
Сущность влияния различного состояния металла поверхностного слоя на характеристики усталости заключается в изменении длительности инкубационного периода развития и скорости распространения усталостной трещины в нем [4]. При этом каждый из параметров поверхностного слоя - шероховатость поверхности, наклеп или остаточные напряжения, воздействуя в совокупности с остальными факторами, имеет свое самостоятельное влияние на изменение характеристик усталости. Знание закономерностей раздельного и комплексного влияния параметров поверхностного слоя позволило научно обосновать и создать в настоящее время высокоэффективные технологии обработки, обеспечивающие значительный прирост усталостной прочности рабочих лопаток авиационных двигателей,
газовых и паровых турбин технологическими методами, основанными на строгом нормировании и технологическом обеспечении оптимального уровня каждого из основных параметров поверхностного слоя при изготовлении [7].
В отношении деталей, работающих в коррозионных средах, в том числе и для лопастей гидротурбин, такой глубины исследования по этому вопросу нет, в связи с чем нами был проведен обзор имеющихся исследований [8], касающихся закономерностей раздельного и комплексного влияния основных параметров поверхностного слоя: шероховатости поверхности, остаточных напряжений и наклепа после различных методов механической обработки на характеристики коррозионной усталости сталей, из которого можно заключить следующее.
Шероховатость поверхности и ее влияние на коррозионную усталость материалов связывают, как и при проявлении ее в атмосферной среде, с концентрацией рабочих напряжений в устье микронеровностей, с активацией адсорбционноэлектрохимических процессов металла в них, инициирующих образование широкой сети микротрещин, сливающихся впоследствии в единую магистральную трещину, приводящую к разрушению конструкции изделия [6]. При этом отмечают повышенную склонность к трещинообразованию при наличии на поверхности отдельных иррегулярных микронеровностей, выпадающих из общей топографии микрорельефа, т.е. в коррозионных средах имеет место большая чувствительность металла к концентраторам напряжений. Делается вывод, что влияние шероховатости поверхности не будет заметно сказываться на изменении предела коррозионной выносливости, начиная с ее значений, не превышающих высоту порогов дефектов кристаллической структуры металлов, т.е. по мнению авторов [4] с параметра Ка < 0,32 мкм.
В то же время в условиях сильных коррозионных сред, например, в 3%-ном растворе хлористого натрия (№С1), отмечается слабое влияние исходной шероховатости на изменение коррозионной усталости. Так в работе [9], приводятся данные об отсутствии такого влияния на образцах стали 40Х, с шероховатостью поверхности, изменяющейся по параметру Ка в очень широких пределах -0,04_ 10 мкм, т. е. охватывающих практически все известные методы чистовой обработки. Исходя из этого, авторы заключают, что в агрессивно-сильных средах вследствие интенсивного протекания локальных процессов анодного растворения металла, активируемых внешней нагрузкой, быстро образуется свой коррозионноизрытый микрорельеф на поверхности с параметром Кх до 20 мкм и более, в связи с чем применение трудоемких дорогостоящих технологий для чистовой обработки деталей с целью повышения их коррозионной усталости в таких средах является экономически не оправданным.
Влияние наклепа на усталостную прочность связывают с тем, что в поверхностном слое упрочненного металла повышаются пределы прочности и пропорциональности, и, следовательно, увеличивается несущая способность наклепанного слоя и в условиях циклической нагрузки [10].
В коррозионных средах механизм влияния наклепа на характеристики усталости гораздо сложнее. Наклеп, вызывая термодинамически неустойчивое состояние металла, повышает диффузионную проницаемость, активизирует все процессы его взаимодействия со средой, разблагораживает электродный потенциал поверхности, т. е. усиливает роль коррозионного фактора в снижение предела коррозионной выносливости стали [6]. Вместе с тем, при упрочнении поверхностно-пластическим деформированием (ППД) практически всеми исследователями отмечается значительное повышение коррозионно-усталостной прочности деталей. Приводятся данные об увеличении предела выносливости сталей вследствие упрочнения ППД на воздухе до 30 %, а в коррозионных средах - в 2 - 3 раза [10]. Объяснение столь существенному расхождению эффективности упрочнения для стали на воздухе и в коррозионной среде впервые было дано А.В. Рябченковым [11], экспериментально показавшим, наличие сильного влияния механической
обработки на изменение электрохимических свойств металла поверхностного слоя деталей - общего и локальных электродных потенциалов, количества и величины тока коррозии микрогальванопар, тока саморастворения металла, являющихся ответственными за интенсивность протекания процессов электрохимического взаимодействия металла со средой и снижение его предела коррозионной выносливости. В этой связи положительное влияние наклепа на коррозионную усталость при упрочнении ППД, заключается не столько в эффекте упрочнения металла поверхностного слоя, сколько в эффективном торможении процессов развития электрохимической неоднородности в нем под нагрузкой вследствие высокой и относительно равномерной пластической деформации, охватывающей при ППД глубокие слои материала. Даже при наличии достаточно большой интенсивности равномерной коррозии это препятствует превращению ее в коррозию сосредоточенную, при которой вероятность возникновения коррозионно-усталостных трещин резко возрастает.
При других методах обработки, сопровождающихся высоким градиентом изменения параметров наклепа по глубине поверхностного слоя, например, при точении с большими значениями подач и глубины резания, увеличивающих гетерогенность электрохимических свойств металла, наклеп, как показывают исследования [9], может оказывать отрицательное влияние, увеличивая долю коррозионного фактора в общем снижении предела выносливости сталей.
Влияние остаточных напряжений на усталостную и коррозионно-усталостную прочность многие исследователи [4, 12] связывают с изменением ими фактического напряжения, а в ряде случаев, и формы действующего цикла нагружения, преобразуя его, например, при остаточных напряжений сжатия из симметричного в асимметричный с более безопасным средним напряжением сжатия, и, наоборот, при остаточных напряжениях растяжения, в асимметричный со средним напряжением растяжения, при котором выносливость деталей снижается. При этом, в зависимости от расположения максимума эпюры суммарных (рабочих и остаточных) напряжений очаг усталостного разрушения может находиться не только на поверхности, но и в подповерхностном слое и, таким образом, будет длительное время изолирован от воздействия внешней среды.
Положительное влияние остаточных напряжений сжатия в условиях коррозионной усталости сталей связывают так же [6] со склонностью мелких поверхностных дефектов к самозалечиванию и консервации в силовом поле сжимающих напряжений. При этом большое значение имеет глубина залегания остаточных напряжений сжатия, с увеличением которой увеличивается вероятность нерас-крытия дефектов в более глубоких слоях металла.
Считают также [13], что остаточные напряжения, подобно рабочим, имеют свойство концентрироваться возле надрезов, в связи с чем повышение усталостной прочности в опасных зонах концентраторов при упрочнении ППД обязано главным образом проявлению остаточных напряжений сжатия.
Рассмотренное выше справедливо в области упругих деформаций металла. Если результирующее напряженное состояние (рабочее и остаточное) будет соответствовать пластическому течению материала, то технологические остаточные напряжения в зависимости от степени пластической деформации могут претерпевать частичную релаксацию, перераспределяться или сниматься полностью [12]. В этих условиях влияние их, как первичных, на сопротивление усталости пренебрежимо мало.
Как выяснилось из проведенного обзора, выявленные закономерности по влиянию параметров поверхностного слоя на коррозионно-усталостную прочность распространяются на материалы, способы их обработки, среды испытаний, отличающихся от условий работы металла в гидротурбинах и поэтому не могут быть перенесены в прямом виде для прогнозирования его поведения при эксплуатации гидротурбин.
В этой связи нами были проведены исследования влияния различных методов обработки на физико-химическое состояние поверхностного слоя и коррозионную усталость стали 06Х12Н3Д, используемой в настоящее время в качестве базового материала при изготовлении рабочих колес гидротурбин. Целью исследований являлось изыскание эффективного способа окончательной обработки лопастей гидротурбин, обеспечивающего повышение их эксплуатационных свойств и поддающегося механизации на базе создания специализированного оборудования. Работа выполнялась в рамках реализации одного из этапов научнотехнической программы ГКНТ на 1981 - 1985 гг. «Провести научно-исследовательские работы по разработке процесса окончательной механической обработки лопастей поворотно-лопастных турбин и разработать исходные требования» (Постановление № 472/248 от 9.12.1980).
Исследования проводили на плоских образцах 30 х 40 х 400 мм в среде пресной проточной воды, при симметричном цикле нагружения изгибом с частотой 30...35 Гц до базы испытаний 5 х 107 циклов. Первые две серии образцов (по
15 штук каждая) были обработаны по заводской технологии изготовления лопастей натурных турбин [3] с окончательной обработкой их поверхности методами ручного шлифования: войлочными кругами с нанесенным на клеевой основе абразивом (последовательно) 14А25 и 14А16 и фибровыми кругами в последовательности убывания зернистости 14А40П, 14А25П, 14А16П. Остальные две серии были изготовлены с окончательной обработкой механическим шлифованием абразивными лентами 14А25П и 14А16П и дробеструйным упрочнением шлифованной поверхности стальной дробью диаметром 0,8.1,2 мм на дробеметной установке (скорость дроби 45 м/с).
На рисунке приведены результаты этих испытаний в виде кривых изменения предела коррозионной выносливости образцов от базы испытаний (циклов наработки).
Рис. Кривые изменения предела коррозионной выносливости образцов стали
Как видно из приведенных данных, прирост предела коррозионной выносливости образцов стали 06Х12Н3Д после механического ленточного шлифования (кривая 2) составил на базе 5 х 107 циклов 23 и 29 % по сравнению с образцами после ручного шлифования фибровыми кругами (кривая 3) и войлочными кругами с нанесенным абразивом (кривая 4), соответственно. Сопоставление полученных результатов с параметрами состояния поверхностного слоя образцов после исследованных видов обработки, приведенный в ранее опубликованной работе [14], показал, что повышение коррозионной усталости гидротурбинной стали 06Х12Н3Д после механизированного ленточного шлифования, является следствием более упорядочного расположения микронеровностей на поверхности, отсутствием отдельных глубоких рисок, а также более благоприятным физико-химическим состоянием металла поверхностного слоя: наличием стабильно остаточных напряжений сжатия на глубине до 50 мкм и небольшим деформационным упрочнением со степенью 25 %, тогда как после ручных способов абразивной обработки, вследствие значительного субъективного воздействия оператора на результат обработки, такой стабильной картины в свойствах поверхностного слоя стали не наблюдается.
Полученные данные были использованы при разработке рекомендаций по изысканию эффективного способа окончательной обработки лопастей гидротурбин и, именно, ленточным шлифованием. Впоследствии были определены основные рабочие параметры процесса и разработана принципиальная конструкция специализированного устройства для ленточного шлифования лопастей гидротурбин [15], заключен контракт на поставку данного оборудования с фирмой «Farros Blatter AG» (Швейцария). С 1986 г. ленточное шлифование - действующий процесс окончательной обработки лопастей поворотно-лопастных и радиально осевых гидротурбин на турбостроительных фирмах «Ленинградский металлический завод» (г. Санкт-Петербург) и «Турбоатом» (г. Харьков).
Процесс деформационного упрочнения лопастей гидротурбин, в частности, обдувкой дробью, показавшим на образцах прирост коррозионной выносливости стали 06Х12Н3Д по сравнению с ленточным шлифованием еще на 10 % (см. рисунок, кривая 1), следует рассматривать как перспективный способ упрочняющей технологии при изготовлении лопастей гидротурбин, ожидающий своей реализации. Как показали исследования [16, 17], упрочнение стали 06Х12Н3Д разными методами ППД способствует повышению ее не только предела коррозионной выносливости, но так же кавитационной и гидроабразивной стойкости.
Список литературы
1 Сотников, А.А. Анализ технического уровня, тенденций развития и конкурентоспособности современных гидравлических турбин: Конъюнктурный обзор / А. А. Сотников, В.В. Кочан / НИИЭинформэнергомаш. - М., 1992. - Вып. 74: Зарубежная информация. - 15 с.
2 Зайцев, Г.З. Усталостная прочность деталей гидротурбин / Г.З. Зайцев, А.Я. Аронсон. - М.: Машиностроение, 1975. - 160 с.
3 Соколова, Л.С. Финишная обработка лопастей гидротурбин / Л.С. Соколова // Энергомашиностроение. - 1979. - №12. - С. 25-29.
4 Иванова, В.С. Природа усталости металлов / В.С. Иванова, В.Ф. Терентьев. - М.: Машиностроение, 1975. - 456 с.
5 Эванс, Ю.Р. Коррозия, пассивность и защита металлов: пер. с англ. / Ю.Р. Эванс / Под ред. Г.В. Акимова - М: Мир, 1941. - 885 с.
6 Карпенко, Г.В. Прочность стали в коррозионной среде / Г.В. Карпенко. -М.: Машиностроение, 1963. - 188 с.
7 Сулима, А.М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин и приборов: Материалы семинара Моск. дома науч.-техн. пропаганды под рук. А.М. Сулимы / А.М. Сулима. - М, 1980. - С. 3-13.
8 Хватов, Б.Н. Изыскание и разработка технологического процесса абразивной обработки лопастей гидротурбин, обеспечивающего повышение их эксплуатационных свойств. - Автореф. дис. ... канд. техн. наук / Б.Н. Хватов. - М., 1987. - 20 с.
9 Похмурский, В.И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и методы ее повышения / В.И. Похмурский. - Киев: Наукова Думка, 1974. - 187 с.
10 Кудрявцев, И.В. Современное состояние и перспективы развития методов повышения прочности и долговечности деталей машин ППД / И.В. Кудрявцев // Вестник машиностроения. - 1970. - № 1. - С. 9-13.
11 Рябченков, А.В. Коррозионно-усталостная прочность стали / А.В. Ряб-ченков. - М.: Машинотсроение, 1953. - 179 с.
12 Технологические остаточные напряжения / под ред. А. В. Подзея. - М.: Машиностроение, 1973. - 216 с.
13 Зайцев, Н.З. Упрочнение наклепом колес гидротурбин / Г.З. Зайцев, А.Я. Аросон, Н.М. Шведова и др. // Машиностроитель. - 1970. - № 1. - С. 7-9.
14 Овсеенко, А.Н. Состояние поверхностного слоя и коррозионная усталость гидротурбинной стали 06Х12НЗД / А.Н. Овсеенко, Б.Н. Хватов, Г.3. Зайцев // Энергомашиностроение. - 1982. - № 4. - С. 22-24.
15 А.с. №918042 (СССР). Устройство для шлифования лопастей гидротурбин / А.Н. Овсеенко, Б.Н. Хватов, В.И. Бахмутов, В. А. Любченко. - Б.И. - 1982. - № 13. - С. 53.
16 Овсеенко, А.Н. Влияние состояния поверхностного слоя на кавитационную эрозию гидротурбинной стали / А.Н. Овсеенко, Б.Н. Хватов, М.Г. Тимербу-латов // Энергомашиностроение. - 1982. - № 12. - С. 26-29.
17 Овсеенко, А.Н. Влияние состояния поверхностного слоя на гидроабразивную стойкость гидротурбинной стали / А.Н. Овсеенко, Б.Н. Хватов, М.Г. Ти-мербулатов // Энергомашиностроение. - 1986. - № 8. - С.22-25.
The Effect of State Parameters of Upper Layer on Corrosion-Fatigue Durability of Hydraulic Turbines Blades and the Choice of Method of their Finish Processing
B.N. Khvatov
Department “Machine Engineering Technology, Metal Cut Machines and Tools ”,
TSTU
Key words and phrases: upper layer quality; corrosion-fatigue durability; tape grinding; hydraulic turbines blades; mechanical hardening; residual efforts; surface plastic deformation; corrosion fatigue limit; surface roughness; manual grinding.
Abstract: The review of current hypotheses about the nature of corrosion-fatigue durability as well as the effect of physical and mechanical metal parameters of the parts surface layer is carried out. The results of experimental research into the influence of different methods of mechanical processing in the state of upper layer and corrosion fatigue of hydraulic turbine steel are given, thus enabling to ground scientifically effective method of finish processing of hydraulic turbine blades by tape grinding. The long-term process of hardening by surface plastic deformation to improve the performance characteristics of hydraulic turbine blades is shown.
Einwirkung der Zustandsparameter der Oberflachenschichte auf die Korrosionszeitfestigkeit der Hydroturbinenfltigel und die Methodenauswahl ihrer Endbearbeitung
Zusammenfassung: Es wurde eine Ubersicht der gegenwartigen Hypothesen uber das Wesen der Korrosionszeitfestigkeit und den Mechanismus der Einwirkung auf es der Parameter des physikalisch-mechanischen Zustandes der Oberflachenschichte der Maschinenteile verwirklicht. Es sind die Ergebnisse der Experimentelluntersuchungen der Einwirkung der verschiedenen Methoden der mechanischen Bearbeitung auf den Zustand der Oberflachenschichte und die Korrosionsermudung des Hydroturbinenstahls angefuhrt. Sie erlauben, das effektive Verfahren der Endbearbeitung der Hydro-turbinenflugel durch das Bandschleifen wissenschaftlich zu begrunden. Es ist die Perspektive der Festigungsprosesse durch die oberflachenschichtig-plastischen Deformierung fur die Erhohung der Ausnutzungseigenschaften der Hydroturbinenflugel gezeigt.
Influence des parametres de l’etat du sol sur la resistance a la corrosion aux contraintes alterees des palettes des turbines hydrauliques et choix de la methode de leur traitement final
Resume: Est effectuee la revue des hypotheses modernes concernant la nature de la resistance a la corrosion aux contraintes alterees et le mecanisme de l’influence des parametres de l’ etat physique et mecanique du metal de la couche de surface des pieces sur cette resistance. Sont cites les resultats des etudes experimentales de l’influence des methodes differentes du traitement mecanique sur l’etat de la couche de surface et sur la resistance a la corrosion de l’acier de turbine hydraulique permettant d’argumenter de la maniere scientifique le moyen efficace du traitement final des palettes des turbines hydrauliques par la rectification a ruban. Est montree la perspectivite des processus de la solidite par la deformation plastique de surface dans l’augmentation des proprietes d’exploitation des palettes des turbines hydrauliques.
