книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

и другая, близкая по строению к обычному для данного металла виду излома от статической нагрузки.

При изучении причин разрушения деталей под воздействием циклических нагрузок следует использовать результаты специ­ альных исследований, посвященных анализу вида и характера изломов. Начинать изучение необходимо именно с излома, так как часто определение его вида оказывается достаточным для того, чтобы правильно установить путь всего исследования.

При исследовании случаев разрушения необходимо также оце­ нивать ориентировочно число циклов нагрузки, которые могла испытать сломавшаяся деталь за время ее работы. Если разру­

ВИЯХ циклических на­ грузок — циклической вязкости, под которой понимают способ­ ность металлов поглощать в необратимой форме, не разрушаясь, механическую энергию при воздействии переменных, циклически повторяющихся напряжений. Величина циклической вязкости характеризуется работой, необратимо поглощаемой металлом на единицу объема за один полный цикл нагружения, и проявляется в несоответствии деформации напряжениям (явление гистерезиса). Энергию гистерезиса металлов определяют обычно при изучении свободного затухания колебаний образца, записываемых при по­ мощи осциллографа или иного прибора. При этом на полученной кривой затухания (рис. 31) выбирают участок, имеющий п полных периодов колебаний, измеряют амплитуды аг и ап колебаний, ограничивающих этот участок, и устанавливают величину ло­ гарифмического декремента затухания

g__lnay — ln ап

п— 1

Если обозначить через W энергию одного упругого колебания и через АW потерю энергии на деформацию за один цикл, то от­ ношение ф = AWIW будет характеризовать рассеяние энергии. Энергия колебания прямо пропорциональна квадрату его ампли­ туды, поэтому W = ka2-, AW = dka2 = 2kada,

70

Таким образом, коэффициент рассеяния энергии равен удвоен­ ному логарифмическому декременту затухания колебаний.

Исследования (при напряжениях, равных пределу выносли­ вости металла) циклической вязкости многих металлов, применяе­ мых в машиностроении, позволяют сделать следующие выводы:

величина циклической вязкости не зависит от предела вынос­ ливости;

из двух металлов с одинаковыми значениями предела выносли­ вости более высокой работоспособностью при переменных цикли­ ческих нагрузках и наличии участков концентрации напряжений обладает тот металл, циклическая вязкость которого больше;

наклеп и термическая обработка (закалка с высоким отпуском) в ряде случаев уменьшают циклическую вязкость металла;

крупнозернистая сталь, по-видимому, имеет большую цикли­ ческую вязкость, чем мелкозернистая (это положение требует дополнительной экспериментальной проверки);

чугун имеет весьма значительную циклическую вязкость; цветные металлы и сплавы, как правило, имеют малую цикли­

ческую вязкость.

Циклическая вязкость металла изменяется в зависимости от величины сообщаемых ему циклических напряжений, от нара­ стания числа циклов и пр.

МЕТОДЫ ДЕФЕКТОСКОПИИ

Дефекты металла (трещины, раковины, волосовины и др.) могут явиться причиной выхода из строя турбины в период эксплуатации. Для выявления этих дефектов используют различные методы.

Магнитный метод. Широкое применение в турбостроении на­ шел магнитный метод выявления дефектов металла, применяемый для контроля качества лопаток и дисков, реже — валов и ро­ торов.

Чтобы выявить тонкие трещины, волосовины и другие дефекты, невидимые невооруженным глазом, турбинные лопатки подвер­ гают контролю методом магнитной суспензии. Испытываемую ло­ патку намагничивают при помощи сильного электромагнита по­ стоянного или переменного тока (предпочтительнее применение постоянного тока), затем погружают в сосуд с керосином, в котором во взвешенном состоянии находится очень мелкая металлическая пудра. Кроме керосина можно применять также отработанное трансформаторное масло, негустое веретенное масло или водно­ щелочные растворы разного состава (например, 10 г углекислого натрия, 5 г двухромовокислого калия, 5 г эмульгатора и 30 г магнитного порошка).

71

Если на лопатке имеется тонкая трещина, то металлическая пудра оседает на ее краях, как на полюсах магнита, четко обри­ совывая трещину. При этом методе используется остаточное на­ магничивание испытываемой лопатки. Можно намагничивать ло­ патку и в течение всего времени ее нахождения в суспензии. В этом случае испытание может оказаться более эффективным вследствие большей интенсивности намагничивания. Лопатку можно не по­ гружать в суспензию, а обливать ею, делая это весьма осторожно, чтобы не смыть оседающий на краях трещины порошок. Методом магнитной суспензии хорошо выявляются дефекты, ориентиро­ ванные в направлении, перпендикулярном к магнитному сило­ вому потоку, или под небольшими углами к этому направлению.

Лопатку можно намагничивать не только при помощи электро­ магнита но и помещая ее в поле соленоида. Используют также и так называемое циркулярное намагничивание полем тока, непо­ средственно пропускаемого через лопатку.

Испытание изделия методом магнитной суспензии целесооб­ разно проводить дважды: один раз при продольном намагничи­ вании в магнитном поле и второй раз — при циркулярном на­ магничивании. Очередность испытаний роли не играет; иногда их осуществляют одновременно, используя комбинированное на­ магничивание. Двойное испытание целесообразнее, так как каж­ дое в отдельности выявляет только определенные и притом раз­ личным образом ориентированные дефекты. Сочетание двух мето­ дов позволяет выявить дефекты, расположенные в лопатке любым образом.

После магнитных испытаний лопатку следует размагнитить, для чего в установках предусмотрены специальные соленоиды или электромагниты. Если намагничивание осуществляли в по­ стоянном магнитном поле, то и размагничивание проводят в та­ ком же поле. При размагничивании обязательна перемена направ­ ления поля по отношению к полю намагничивания и постепенное уменьшение напряженности поля до нуля. Если изделие намагни­ чивали в переменном поле, то и размагничивание проводят в та­ ком же поле с напряженностью, дрстепенно убывающей до нуля. Напряженность размагничивающего поля должна быть несколько выше, чем намагничивающего.

Аналогичным испытаниям подвергают пружины. При выборе способа намагничивания следует иметь в виду, что в пружинах дефекты часто располагаются на поверхности проволоки в направ­ лении, параллельном ее оси.

Турбинные диски также испытывают методом магнитной сус­ пензии. Обычно этим методом исследуют намагниченную внутрен­ нюю поверхность втулочной части диска, поливая ее суспензией.

Суспензию иногда приходится изготовлять непосредственно на заводе. Простой и проверенный способ ее приготовления следую­ щий. В качестве исходного материала используют измельченную в пудру окись железа в виде железного сурика или крокуса. Эту

72

пудру смешивают с керосином или чистым минеральным маслом до тестообразного состояния. Смесь в металлической коробке, стенки и дно которой внутри покрыты асбестом, а крышка снаб­ жена небольшими отверстиями для выхода газов, помещают в уста­ новленную в вытяжном шкафу электропечь, нагретую до темпера­ туры 500—550° С (или до 800—850° С). Керосин или масло в этих условиях сгорают, выделяя много дыма, а окись железа восста­ навливается. Порошок следует выдержать в печи при указанной температуре до полного прекращения выделения дыма и дополни­ тельно в течение 30—40 мин. Затем печь полностью охлаждают, коробку из печи извлекают и раскрывают. Полученный порошок должен быть черным. Перед употреблением его следует тщательно растереть до полного удаления комков, чтобы и на ощупь не ощу­ щались отдельные зерна. Качество порошка проверяют постоян­ ным магнитом, к которому хорошо изготовленный порошок должен быстро и в большом количестве притягиваться.

Суспензию следует периодически менять в зависимости от ко­ личества проводимых испытаний. Рекомендуется иметь эталонный образец с очень тонким дефектом и каждый раз после подготовки ванны, и периодически в процессе работы, проверять суспензию по этому эталону.

В отдельных случаях при темной поверхности исследуемых деталей дефекты обрисовываются более четко, если магнитный порошок имеет светлую окраску. Такой порошок изготовляют из черного порошка, окрашивая его алюминиевой пудрой. Для этого одинаковые объемы магнитного порошка и алюминиевой пудры смешивают, растирая их в ступе. Затем в ступу добавляют нитро­ лак (цапон-лак), растворенный в двух-трех частях ацетона, и про­ должают растирать смесь, не давая образоваться комьям, до тех пор, пока смесь не станет сухой (обычно около 1 ч). Применяют также цветные и люминесцентные магнитные порошки.

Впроцессе испытаний того или иного изделия, выявив дефект, не следует делать выводов до повторной проверки, так как иногда по случайным причинам скопления порошка на отдельных участ­ ках детали могут выглядеть так, как и при наличии дефекта. Если при двух-трех повторных испытаниях порошок откладывается на одних и тех же местах, то можно считать, что металл действи­ тельно имеет дефект (если в этих местах нет механических повре­ ждений поверхности, рисок и пр.).

ВСССР изготовляют магнитные дефектоскопы промышлен­ ного назначения (передвижные и переносные), позволяющие испы­ тывать отдельные участки крупных изделий. В турбостроении

применяют ряд дефектоскопов специальной конструкции для круп­ ных деталей, сварных соединений и т. п.

Для испытаний турбинных дисков с целью выявления не только поверхностных, но и глубинных дефектов на отдельных предприя­ тиях в СССР и в других странах использовали специальную уста­ новку, в которой через исследуемый участок диска пропускали

73

магнитный поток, создаваемый мощными электромагнитами по­ стоянного тока. Полюсы таких электромагнитов располагают по обе стороны испытываемого участка диска. Неметаллические вклю­ чения, раковины, заполненные воздухом или газами, и другие дефектные участки металла обладают иным магнитным сопротив­ лением, чем неповрежденный металл. Наличие подобных дефектов или участков местной структурной неоднородности металла вы­ зывает искажение магнитного потока. Это искажение улавливается измерительными катушками, соединенными со шлейфом осцилло­ графа; его можно наблюдать на прозрачной шкале или записать на светочувствительной бумаге.

При испытании диск медленно вращается между магнитными полюсами. Стол машины, на котором диск установлен в горизон­ тальном положении, приводится в движение от двигателя через редуктор. После того как диск совершит один полный оборот и наблюдения в данном кольцевом поясе будут закончены (и запи­ сана, в случае необходимости, осциллограмма исследованного

Таким образом, по поясам постепенно исследуют весь диск. Этот дорогостоящий и сложный метод контроля качества металла дисков не нашел широкого применения, хотя и является высоко­ чувствительным.

Рентгеновский метод. Для выявления дефектов литья и свар­ ных соединений в турбостроении используют рентгеновский метод дефектоскопии (просвечивание). Рентгеновское просвечивание по­ зволяет обнаруживать такие дефекты металла, как раковины, пористость, рыхлость, трещины, шлаковые включения, непро­ вары в сварных соединениях и др.

Рентгеновские лучи представляют собой одну из разновидностей электромагнитных волн. Длина волн рентгеновских лучей, при­ меняемых^ современной практике, весьма мала и составляет 0,006 — 2 А. Замечательной особенностью рентгеновских лучей, обусловливаемой малой длиной волны, является их способность проникать через металлы значительной толщины. При этом чем меньше длина волны или, как говорят, чем «жестче» лучи, тем больше их способность проникать в металл.

Интенсивность рентгеновских лучей при прохождении через металл ослабевает вследствие поглощения и рассеяния их. Коэф­ фициенты ослабления в различных средах неодинаковы. Когда рентгеновские лучи проходят через изделие, они по-разному ослаб­ ляются в основном металле, в полости раковины или газового пу­ зыря, в зоне ликвации отдельных составляющих и пр. Закон ослабления интенсивности рентгеновских лучей выражают за­ висимостью

/ = / 0е - м ,

74

где / о — интенсивность лучей, падающих на исследуемое веще­ ство; I — интенсивность лучей после их проникновения в иссле­ дуемое вещество на определенную глубину; е — основание нату­ ральных логарифмов; ц — коэффициент ослабления энергии лучей

вданном веществе; %— толщина ослабляющего слоя в см. Так как ослабление интенсивности рентгеновских лучей опре­

деляется поглощением и рассеянием их, коэффициент ослабления

ц = р -f б,

где р — коэффициент поглощения; б — коэффициент рассеяния. Принцип использования закона ослабления рентгеновских лу­ чей для просвечивания изделий состоит в следующем. Пучок рент­

геновских лучей направляют на исследуемое изделие (рис. 32) с одной стороны. По другую сторону изделия располагают приемник— регистратор лучей. Обычно это рентгеновская плен­ ка, позволяющая получить фото­ графическое отображение интен­ сивности лучей после выхода их из изделия на различных его участках, или флуоресцирую­ щий экран для визуального изу­ чения результатов просвечива­ ния.

Наиболее распространено фотографирование на пленку.

При наличии в изделии участков с различной толщиной или с раз­ ными значениями коэффициента ослабления ц (дефекты, структур­ ная неоднородность и пр.) на фотопленку будут действовать лучи различной интенсивности, что позволит по неодинаковому затем­ нению пленки выявить дефекты металла.

Рентгеновские лучи получают при помощи специальных устройств — рентгеновских трубок и аппаратов различных типов и мощности, позволяющих просвечивать стальные изделия зна­ чительной толщины. Наряду со стационарными изготовляют пере­ движные рентгеновские аппараты, которые используют непосред­ ственно в цехах.

Чтобы применять рентгеновскую дефектоскопию для просве­ чивания швов на крупных сварных конструкциях ответственного назначения (например, конденсаторах турбин), сооружают спе­ циальные большие камеры с раскрывающимся потолком, в кото­ рые сверху мостовым краном опускают изделия. Такие сложные и дорогостоящие сооружения существуют на отдельных турбин­ ных заводах, где к крупным сварным конструкциям предъявляют особо повышенные требования.

75

Радиографический метод. В турбостроении применяют также радиографический метод выявления внутренних дефектов метал­ лов и сварных швов, сущность которого заключается в просвечи­ вании исследуемого изделия у-лучами радиоактивных препаратов— радия-мезотория, радиоактивного кобальта и др. Гамма-лучи характеризуются большей жесткостью, чем рентгеновские лучи. Способность к выявлению дефектов у у-лучей при толщине стали, начиная с 40 мм и выше, примерно такая же, как и у рентгеновских лучей. При меньшей толщине изделия у-лучи значительно менее чувствительны к дефектам. Поэтому при просвечивании у-лучами приходится иногда наблюдать довольно грубые ошибки в оценке качества, например, сварных соединений тонкостенных труб.

Техника радиографирования сравнительно проста: ампулу с радиоактивным веществом помещают по одну сторону просвечи­ ваемого изделия, а фотопленку, на которой получают проекцию просвечиваемого изделия, — по другую сторону. Расстояние между ампулой и пленкой обычно равно 400—600 мм. Время вы­ держки при просвечивании у-лучами зависит от толщины изделия, причем для малых толщин выдержка значительно больше, а для больших — меньше, чем при просвечивании рентгеновскими лучами.

В некоторых случаях ампулы с препаратами радия имеют пре­ имущества перед рентгеновскими установками, так как они порта­ тивны и доступ с ними к контролируемому изделию весьма прост. Например, при исследовании одного сложного случая выхода из строя сварного ротора мощной турбины ампула радия была вве­ дена через сравнительно небольшое отверстие внутрь ротора и использована для оценки качества швов. При помощи рентгенов­ ских аппаратов обычной конструкции осуществить такую опера­ цию было бы невозможно.

Ультразвуковой метод. На предприятиях, где производят по­ ковки дисков, валов и роторов турбин, и на турбостроительных заводах для контроля качества металла деталей широкое примене­ ние находит метод ультразвуковой дефектоскопии (рис. 33), раз­ работанный и внедренный советскими учеными С. Я- Соколо­ вым и др.

Принципиальная сущность этого метода заключается в сле­ дующем. Через испытываемое изделие при помощи какого-либо излучателя пропускают параллельный пучок упругих колебаний с частотой, превышающей верхнюю границу слухового восприятия. Если металл по всему сечению однороден, то упругие колебания пройдут через изделие и могут быть восприняты и зарегистриро­ ваны при помощи приемника колебаний той или иной конструкции, обладающего достаточной чувствительностью. При наличии в изде­ лии дефекта или неоднородности пучок отражается и дальше через изделие не проходит. В этом случае приемник на соответствующем участке изделия не воспримет и не зарегистрирует колебаний, что позволит обнаружить наличие дефекта.

76

Приемник колебаний можно располагать и с той же стороны изделия, что и излучатель (см. рис. 33, б). Если металл не имеет дефектов, то приемник колебаний зарегистрирует упругие коле­ бания, отраженные от противоположной стенки изделия (донный сигнал). Если же в металле есть дефект, то на приемник, кроме этого, попадут колебания, отраженные от дефекта или неоднород­ ностей в толще металла.

* 5

Рис. 33. Схемы ультразвуковой дефектоскопии:

а — схема выявления дефектов методом звуковой тени; б — скелет­ ная схема импульсного дефектоскопа; 1 — испытываемый предмет (образец); 2 — приемный щуп (искатель); 3 — генератор; 4 — уси­ литель; 5 — начальный импульс; € — сигнал от дефекта; 7 — дон­ ный сигнал; 8 — генератор развертки; 9 — излучающий щуп

Такой метод обнаружения дефектов используют в тех случаях, когда поперечные размеры дефектов больше длины волны упругих колебаний, пропускаемых через металл. Поэтому для выявления малых дефектов следует применять упругие колебания с малыми длинами волн, т. е. с достаточно высокими частотами.

Для получения ультразвуковых колебаний используют пьезо­ электрический эффект — способность пластинки из кварца или сегнетовой соли мгновенно преобразовывать электрические коле­ бания в механические и наоборот. В ультразвуковой дефектоско­ пии металлов для возбуждения колебаний обычно используют пластину из кварца, расположенную между двумя металлическими обкладками. На обкладки подают переменное напряжение от ра­ диогенератора высокой частоты. Кварцевая пластина при этом начинает колебаться с той же частотой. Колебания передаются на испытываемое изделие и распространяются в нем со скоростью звука. В качестве приемника колебаний используют такую же

77

пластину из кварца. Под действием доходящих до нее от изделия упругих колебаний кварцевая пластина выделяет на обкладках электрические заряды, которые усиливаются и подаются на инди­ каторное устройство, представляющее собой показывающий или записывающий прибор.

Если направление предполагаемых в изделии дефектов заранее известно, то необходимо располагать пластины кварца таким обра­ зом, чтобы плоскость дефекта была перпендикулярна ходу лучей. Если расположение дефектов неизвестно или не имеет определен­ ной ориентировки, то следует проводить испытания параллельно трем координатным осям.

Ультразвуковой метод обнаружения дефектов применим, прак­ тически, ко всем материалам. Однако необходимо учитывать осо­ бенности каждой среды как проводника упругих колебаний. Как отмечалось выше, на границе раздела двух различных сред, на­ пример металла без дефектов и участка с дефектами или неодно­ родностями, ультразвуковые колебания отражаются. Коэффи­ циент отражения или отношение отраженной энергии 1Котр к па­ дающей 1Кпад

где р и V— плотность среды и скорость звука в каждой из сопри­ касающихся сред.

Значения р и ѵ для различных сред изменяются в весьма зна­ чительных пределах. Произведение рѵ для каждой данной среды называют ее акустической жесткостью.

При введении пучка колебаний от вибрирующей кварцевой пластины в испытываемое изделие приходится считаться с тем, что тонкая воздушная прослойка между такой пластиной и стен­ кой изделия, с которой она соприкасается, обладает акустической жесткостью, значительно отличающейся от акустической жесткости кварца. В связи с этим значение Worp будет велико и в изделие попадет лишь очень небольшая часть энергии упругих колебаний кварцевой пластины.

Для устранения этого недостатка между кварцем и испыты­ ваемой деталью вводят какую-либо среду с акустической жест­ костью, близкой к жесткости кварца, например масло или ртуть. Для этих целей пригодны также вазелин, глицерин и др. Дефекты в изделиях выявляются тем отчетливее, чем больше разница между акустическими жесткостями металла и дефектной зоны.

Сказанное справедливо и для дефектоскопов, в которых излу­ чающая и воспринимающая пластины расположены на разных концах изделия, и для отражательных дефектоскопов, где они размещены по одну сторону. Для обеспечения надлежащего аку­ стического контакта поверхность исследуемых участков детали, подвергают механической обработке до 6-го или 7-го класса чи­ стоты.

78

Наиболее распространенным типом ультразвуковых дефекто­ скопов является отражательный импульсный дефектоскоп. Для выявления дефектов в испытываемое изделие вводят при помощи кварцевого щупа короткие ультразвуковые импульсы. При от­ сутствии в изделии дефектов введенный импульс доходит до про­ тивоположной стенки изделия и, отражаясь от нее, возвращается на принимающий щуп. Возвратившийся импульс усиливается и поступает на регистрирующее устройство. При наличии на пути колебательного пучка какого-либо дефекта последний частично отражает импульс. На приемную кварцевую пластину направ­ ленный в изделие импульс возвращается отраженным от границы дефекта и от противоположной стенки исследуемого изделия. Зная скорость распространения звука в металле, можно определить глубину расположения дефекта.

Ультразвуковой искатель выбирают в зависимости от конфи­ гурации исследуемого изделия, ожидаемого расположения де­ фекта, его формы и ориентации.

В ЦНИИТМАШе для проверки качества отливок деталей тур­ бин мощностью 300, 500 и 800 тыс. кВт разработана аппаратура, позволяющая осуществлять ультразвуковой контроль без чисто­ вой обработки поверхности отливок. Последнюю достаточно обра­ ботать на исследуемых участках наждачным кругом до металли­ ческого блеска, удалив заусенцы, окалину и местные неровности. Ультразвуковые искатели выполнены в виде замкнутых, напол­ ненных жидкостью эластичных оболочек, которые плотно сопри­ касаются с поверхностью исследуемого изделия. Это позволяет обеспечить надежный акустический контакт пьезовибратора с изде­ лием. Для сферических и цилиндрических поверхностей с радиу­ сом кривизны 200 мм и более искатели выполняют в виде катков, внутри которых расположены пьезодатчики. Для радиусных пере­ ходов предложен искатель также в форме катка, но с внешним расположением пьезодатчика.

Ультразвуковой метод применяют для обнаружения дефектов в лопатках турбин. На электростанциях в период капитального ремонта турбин перед их пуском в дальнейшую эксплуатацию этим методом проверяют, нет ли трещин в рабочих лопатках. Широкое распространение на электростанциях получил ультра­ звуковой метод контроля сварных соединений, литых деталей и пр.

Люминесцентный метод. В турбостроении используется люми­ несцентный метод выявления поверхностных дефектов на заготов­ ках и деталях из магнитных и немагнитных металлов. Исследуе­ мый объект покрывают интенсивно флуоресцирующим раствором или погружают в этот раствор. Через непродолжительное время флуоресцирующий раствор с поверхности детали тщательно уда­ ляют и деталь подвергают действию ультрафиолетовых лучей" Наблюдение проводят в темном помещении. Дефекты на поверх­ ности детали, в которых осталось люминесцирующее вещество, выявляются в виде светящихся линий или пятен.

79