Оценка фактического состояния металла элементов гидротурбин с

применением фазохронометрического метода

Москва, 2014

II Всероссийский ФорумТехногенные катастрофы: технологии предупреждения и ликвидации

Зав. Лаб., д.т.н. Мишакин В.В.

С.н.с., к.т.н. Гончар А.В.

Институт проблем машиностроения РАН

Актуальность

Безопасность и эффективность природопользования

Наработка свыше 30 лет

Отсутствие комплексных методик диагностирования

Устаревшая нормативная база, не учитывающая современное

развитие методов НК

Цель исследований - установить связь повреждения и разрушения

ответственных элементов гидроагрегата с параметрами фазохронометрии.

Задачи

Создание комплексной методики определения фактического состояния ответственных элементов ГЭС методами НК.

Разработка модели связывающей параметры фазохрономертии с дефектами элементов гидроагрегата.

Используемые методы и применяемое оборудование:Используемые методы и применяемое оборудование:

•Ультразвуковая томография: дефектоскоп OmniScan MX-PA1664M с фазированной решеткой •Ультразвуковой контроль: ЭМА толщиномер А1270, установка для измерения поврежденности АИП•Вихретоковый контроль: дефектоскоп вихретоковый ВД-70•Измерение коэрцитивной силы: магнитный структуроскоп КРМ-Ц-К2М•Измерение микротвердости и твердости: цифровой микротвердомер HVS-1000, портативный твердомер ТЭМП-3•Металлографический анализ: портативный комплекс металлографической микроскопии МикроконМет, растровый электронный микроскоп TESCAN VEGA II LSU, комплекс микроскопии ALTAMI MET•Определение механических свойств: испытательная машина Tinius Olsen H100KU•Анализ химического состава•Магнитопорошковый контроль

Ультразвуковой томограф

на фазированных решетках

Omniscan MX

Определение размеров и

координат дефектов в

объеме на всем пути

сканирования.

Методика проведения эксперимента

Портативный металлографический комплекс «СПЕКТР-МЕТ» (МИКРОКОН-МЕТ)

Методика проведения эксперимента

Литые лопатки направляющего аппарата г/а

Сталь 30Л

Срок эксплуатации – более 40 лет

Обнаружены

усталостные

трещины

размерами от 20 до

150 мм

Вес: 7 000 кг, длина 7м.

Срок эксплуатации более 30 лет.

Исследовалось 58 лопаток, на 80% лопаток обнаружены трещины протяженностью от 10 до 40 мм.

Сварные лопатки направляющего аппарата г/а

Трещины и трещиноподобные дефекты в лопатках г/а

h, мм

x, ×100 ммy, ×10 мм

Результаты ультразвуковых исследований

Ступица подпятника г/аТрещины протяженностью до 350 мм и глубиной до 140 мм.

Структура материала ступицы подпятника г/а

Материал: Сталь 45. Ферритная сетка. Включения 3 балл.

Корпус статора гидрогенератораОбследовано: 4 тыс. сварных швов, 90 сварных швов признаны

дефектными. 2,5% поврежденных швов – ощущались сильные вибрации,

г/а был выведен из эксплуатации на капитальный ремонт.

Смещение регулирующего кольца направляющего аппарата г/а

Нержавеющие накладки, упорные планки и само

регулирующее кольцо были частично повреждены

или полностью разрушены.

Принцип фазохронометрической диагностики гидротурбины

kMI taM 04cos

tnbk 0cos

tnbktaMI 000 cos14cos1

tnnI

bkt

I

ak000 sin4sin

4

tnnI

bkt

I

akT

000 sin4sin4

22

а, b – малые параметры, k – коэффициент трения.

Уравнение движения:

Добавка в крутящий момент от рабочего колеса:

Учет трения, связанного с электромагнитным взаимодействием:

Зависимость частоты вращения ротора гидротурбины от времени

1,99996

1,99997

1,99998

1,99999

2

2,00001

2,00002

2,00003

2,00004

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

t, c

f, Гц

1,99996

1,99997

1,99998

1,99999

2

2,00001

2,00002

2,00003

2,00004

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

t , c

f , Гц

1,99996

1,99997

1,99998

1,99999

2

2,00001

2,00002

2,00003

2,00004

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

t, c

f, Гц

t, c

t, c

стационарный случай

случай повреждения одной лопатки

случай смещения кольца направляющего аппарата

Выводы• В лопатках направляющего аппарата имеются дефекты, которые

развиваются в процессе эксплуатации и могут снизить эксплуатационную надежность гидротурбины. Неплотное прилегание лопаток, выход лопаток из строя из-за разрушения срезного пальца, потеря жесткости, повышенный износ основных элементов направляющего аппарата, смещение регулирующего кольца приводят к изменению напора и асимметрии потока воды, поступающей на лопасти рабочего колеса гидротурбины. Изменение условий работы гидротурбины отражается на периоде вращения ротора, который с высокой точностью (10-7 с) может измеряться фазохронометрическим методом.

• Износ трущихся поверхностей регулирующего кольца, нержавеющих накладок и упорных планок может привести к смещению регулирующего кольца направляющего аппарата и ассиметричному отклонению лопаток направляющего аппарата. Изменение кинематических характеристик элементов гидротурбины может регистрироваться в процессе фазохронометрической диагностики.

• Показана возможность по данным фазохронометрических исследований получить оперативную информацию о развитии повреждений лопаток и кольца направляющего аппарата, произвести экспертную оценку и сделать вывод о более детальном контроле поврежденности современными средствами неразрушающего контроля.

Выражаем благодарность главному инженеру «КАМСПЕЦЭНЕРГО» А.Л. Руденко и ген. директору А.И. Байкову за помощь в проведении исследований.

Публикации по теме

1. Руденко А.Л., Байков А.И., Мишакин В.В. Повышение эксплуатационной надежности

лопаток направляющих аппаратов гидротурбин // Безопасность труда в промышленности.

- 2013. - № 4. - С. 68-71 (эксперим., импакт-фактор 0,105).

2. Мишакин В.В., Сорокина С.А., Клюшников В.А., Байков А.И., Руденко А.Л. Исследование

структурного состояния и механических свойств материала лопаток направляющего

аппарата гидроагрегата ГЭС // Гидротехническое строительство, 2012, №5, С. 42–47.

(эксперим., импакт-фактор 0,115).

3. Руденко А.Л., Мишакин В.В. Оценка эффективности мероприятий для повышения

эксплуатационной надежности лопаток направляющего аппарата ГЭС при

восстановлении их работоспособности // Прикладная механика и технологии

машиностроения: сборник научных трудов / под ред. В.И. Ерофеева, С.И. Смирнова и Г.К.

Сорокина. – Н.Новгород: Изд-во «Интелсервис», №2 (21), 2012. С. 52–55.