СПОСОБ МАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ С УЧЕТОМ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК Российский патент 2009 года по МПК G01N27/82 

Изобретение относится к способам магнитной дефектоскопии металлических изделий и может быть использовано при обследовании лопаток турбомашин из легированных сталей с учетом воздействия эксплуатационных нагрузок.

Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) и газотурбинной установки (ГТУ), а также паровых турбин в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению.

В этой связи, для своевременного ремонта турбомашин и предотвращения аварийных ситуаций необходимы неразрушающие экспресс-методы контроля и диагностики состояния лопаток.

Известен способ электромагнитной дефектоскопии, основанный на сканировании изделия электромагнитным преобразователем, подсчете общего числа импульсов от краев и дефектов изделия и выделении информации о его дефектности путем определения превышения общего числа импульсов над числом импульсом от краев [см. А.С. СССР №333460, МПК G01N 27/86, 1970].

Недостатком известного способа является его низкая информативность.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ распознавания дефектов при магнитоферрозондовом контроле (см. Хватов Л.А., Лисицин В.И., Красин А.И., Жукова Г.А. Распознавание дефектов при магнитоферрозондовом контроле // Дефектоскопия. - 1984. - 6. - С.63-71), включающий измерение распределения магнитного поля группы дефектов ферромагнитного изделия, аппроксимации топографии данного магнитного поля через треугольники, изменении параметров треугольных сигналов и их суперпозиции с воспроизведением формы сигнала от магнитного поля группы дефектов. Магнитное поле группы дефектов над ферромагнитным изделием равно суперпозиции магнитных полей отдельных дефектов.

Недостатком известного способа является низкая информативность и достоверность оценки степени деградации материала лопатки в процессе эксплуатации.

Необходимо отметить, что известные неразрушающие методы оценки деградации металлических материалов, основанные на магнитных, термоэлектрических и других эффектах, не позволяют оценить изменение состояния материала лопатки при изменении температуры, что значительно снижает достоверность оценки характера деградации материалов. Кроме того, магнитные методы преимущественно используются для оценки состояния изделий, выполненных из ферромагнитных материалов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение информативности и достоверности оценки степени деградации материала лопатки из легированных сталей с учетом влияния температуры эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в способе дефектоскопии лопаток турбомашин из легированных сталей, включающем настройку прибора магнитной дефектоскопии по эталонному бездефектному объекту контроля, имеющего нормальную температуру Т_о, при отсутствии нагрузки (P₀=0) и по своим размерам и материалу соответствующему контролируемым лопаткам, сканирование прибором магнитной дефектоскопии, в аналогичных условиях, контролируемой лопатки и оценку степени повреждения материала лопатки по разнице величин параметров, полученных с эталонной и контролируемых лопаток, в отличие от прототипа, дополнительно производят снятие параметров материала лопатки при нагрузке, для чего нагружают эталонный объект контроля в области упругих напряжений, прилагая к нему нагрузку Р_З, настраивают по нему прибор магнитной дефектоскопии, затем аналогично нагружают контролируемую лопатку, прилагая к ней нагрузку Р_З, и производят повторное ее сканирование измерительным устройством, а по изменению величин полученных параметров судят об изменении состояния материала контролируемой лопатки до и после ее нагружения.

Технический результат достигается также тем, что в способе дефектоскопии лопаток турбомашин величина нагрузки, прилагаемой к эталонному объекту контроля и к лопатке, соответствует эксплуатационной нагрузке (Р_З=Р_эк); как вариант - к эталонному объекту контроля и к лопатке прилагают знакопеременную нагрузку, соответствующую эксплуатационной нагрузке (Р_З=Р_эк/з.п.).

Технический результат достигается также тем, что в способе дефектоскопии лопаток турбомашин в качестве параметров, по величине которых судят об изменении состояния материала контролируемой лопатки, выбирают разность значений параметров, снятых с контролируемой лопатки, без приложения (Р₀=0) и с приложением (Р_З=Р_эк и/или Р_З=Р_эк/з.п.) нагрузки.

Технический результат достигается также тем, что в способе дефектоскопии лопаток турбомашин в качестве параметров, по величине которых судят об изменении состояния материала контролируемой лопатки, выбирают разность значений параметров, снятых при нагрузке Р_З, с эталонной и контролируемой лопаток.

Технический результат достигается также тем, что в способе дефектоскопии лопаток турбомашин берут дополнительный эталонный объект контроля, по своим размерам и материалу соответствующий контролируемым лопаткам и имеющий дефекты, соответствующие предельным состояниям эксплуатации лопаток, по нему производят дополнительную настройку прибора магнитной дефектоскопии в ненагруженном (Р₀=0) и нагруженном (Р_З=Р_эк и/или Р_З=Р_эк/з.п.) состояниях, а о степени повреждения материала лопатки судят по степени приближения сигнала к сигналу эталонного объекта контроля, имеющего указанные дефекты; как вариант - берут, по крайней мере, еще один дополнительный эталонный объект контроля, по своим размерам и материалу соответствующий контролируемым лопаткам и имеющий дефекты, соответствующие промежуточным состояниям эксплуатации лопаток, по нему производят дополнительную настройку прибора магнитной дефектоскопии в ненагруженном (Р₀=0) и нагруженном (Р_З=Р_эк и/или Р_З=Р_эк/э.п.) состояниях, а о степени повреждения материала лопатки судят путем сравнения сигналов от контролируемой лопатки эталонных объектов контроля.

Технический результат достигается также тем, что в способе дефектоскопии лопаток турбомашин дополнительные эталоны и контролируемую лопатку нагревают до температуры эксплуатации и Т_эк, а о свойствах материала контролируемой лопатки судят по разности величин магнитных параметров между дополнительными эталонами и контролируемой лопаткой, полученных при температуре эксплуатации

Т_эк; как вариант - берут дополнительные эталоны и контролируемые лопатки, нагревают их до температуры эксплуатации Т_эк, и через каждый интервал температур, равный ΔТ, производят замер параметров, а об изменении свойств материала контролируемой лопатки судят по величинам изменения параметров материалов, полученных при изменении температуры эталонов и контролируемой лопатки, причем величину интервала температуры ΔT выбирают из диапазона ΔT=(1°С…50°С).

При исследовании степени деградации материала лопаток из легированных сталей авторами экспериментально установлено, что магнитные методы дефектоскопии позволяют оценить изменение состояния материала лопатки при различных нагруженных состояниях. Полученные результаты позволили разработать метод оценки степени деградации материала лопатки, позволяющий определить влияние механических, в том числе и знакопеременных, нагрузок на состояние материала детали.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Одним из известных методов производят замер магнитных параметров материала лопатки. Для этого вначале производят настройку прибора, осуществляя замеры значений магнитных параметров материала на ряде эталонных лопаток, имеющих, различную (заданную) степень деградации материала. При этом используются эталоны, выполненные из одного и того же исходного материала, что и контролируемые лопатки, а также имеющие одинаковые размерные и геометрические параметры. Для оценки характера зависимости значений магнитных параметров материала от степени его деградации во всем исследуемом диапазоне берут начальный эталонный образец, соответствующий нулевой степени деградации, а конечный эталонный образец - максимально возможной (предельной) степени деградации материала. Для повышения достоверности результатов оценки используют дополнительные промежуточные эталонные образцы с фиксированным значением деградации материала. Затем, используя шкалу от нуля до ста процентов деградации материала, производят настройку прибора для измерения значений магнитных параметров по указанным эталонам в фиксированных зонах лопатки. Аналогично производят настройку второго прибора по эталонным образцам, находящимся под воздействием заданной механической нагрузки.

Производят замер значений магнитных параметров у контролируемой лопатки и по полученной зависимости «величина магнитных параметров - степень деградации» определяют величину деградации материала контролируемой лопатки при заданных значениях механической нагрузки.

После проведения оценки степени деградации материала контролируемой лопатки при различных механических нагрузках оценивают влияние последних на состояние материала контролируемой лопатки.

Имея информацию об изменении состояния деградированного материала лопатки, можно судить о доминирующем механизме разрушения лопаток и принимать соответствующие технологические или эксплуатационные меры для продления или увеличения срока службы деталей турбомашин.

Для повышения степени достоверности можно производить, дополнительно, разделения выявленных дефектных зон материала лопатки по их размерам и расположению.

Пример реализации способа

Для оценки степени и характера деградации материала лопаток турбин были изготовлены эталонные образцы лопаток из стали 20Х13, с различной степенью деградации. Снятие магнитных характеристик при различных механических нагрузках производилось магнитным дефектоскопом. После получения данных с эталонных образцов производился замер магнитных характеристик с лопаток, деградация материала которых была осуществлена в процессе эксплуатации. Для контрольной оценки степени деградации материалов эталонных и контролируемых лопаток были использованы разрушающие методы контроля с приготовлением шлифов и проведением металлографических исследований. Результаты по оценки параметров материалов эталонных и контролируемых лопаток при различных нагрузках приведены в таблицах 1 и 2.

Табл.1.
Эталонные лопатки № Степень деградации материала, % Среднее значение магнитных параметров, Ht_cp, (ед. шкалы прибора) Примечание 1 2 3 4 1 0 8,1 Отсутствие дефектов 2 28 11,9 - 3 61 15,1 - 4 91 21,7 Предельное состояние

Табл.2.
Эталонные лопатки № Степень деградации материала, % Величина нагрузки при изгибе, Р (Н) Среднее значение магнитных параметров,
Нр_ср (ед. шкалы прибора) Величина изменения значений магнитных параметров,
ΔHр_ср Величина фона от приложен ной нагрузки, ΔНр_f Величина изменения значений магнитных параметров, характеризующих состояние материала от нагрузки, ΔНр_ср Эквивалент-ная степень деградации материала при Р_э.изм, % 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 0 8,1 1,4   0,0 0 2 0 60 9,5 1,4 0 3 91 0 21,7 2,5 1,1 91 4 91 60 24,2 98

Табл.3.
Контролируемые лопатки № лопатки № замеpa Величина нагрузки при изгибе, Р (Н) Среднее значение магнитных параметров, Pt_cp (ед. шкалы прибора) Степень деградации материала при Р_з, % Эквивалентная степень деградации материала при
Р_э.изм, % 1 2 3 4 5 6 1 1 0 13,1 36 36 2 60 14,3 36 44 2 3 0 16,2 61 61 4 60 17,5 61 71 3 5 0 18,4 74 74 6 60 19,7 74 82

Приведенные данные по оценке величин деградации материала с использованием предлагаемого способа дефектоскопии лопаток турбомашин из легированных сталей показали, что предлагаемый способ неразрушающего контроля позволяет повысить информативность и достоверность результатов оценки характера деградации материала лопатки в процессе эксплуатации, что подтверждает заявленный технический результат.

Использование: для магнитной дефектоскопии лопаток турбомашин. Сущность: заключается в том, что осуществляют настройку прибора магнитной дефектоскопии по эталонному бездефектному объекту контроля, имеющего нормальную температуру, при отсутствии нагрузки и по своим размерам и материалу, соответствующему контролируемым лопаткам, сканируют прибором магнитной дефектоскопии в аналогичных условиях контролируемую лопатку и оценивают степень повреждения материала лопатки по разнице величин параметров, полученных с эталонной и контролируемой лопаток, при этом дополнительно производят снятие параметров материала лопатки при нагрузке, для чего нагружают эталонный объект контроля в области упругих напряжений, прилагая к нему нагрузку P_З, настраивают по нему прибор магнитной дефектоскопии, затем аналогично нагружают контролируемую лопатку, прилагая к ней нагрузку Р_З, и производят повторное ее сканирование измерительным устройством, а по изменению величин полученных параметров судят об изменении состояния материала контролируемой лопатки до и после ее нагружения. Технический результат: повышение информативности и достоверности оценки степени деградации материала лопатки из легированных сталей с учетом влияния механических нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации деталей, и с учетом влияния температуры эксплуатации. 8 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ магнитной дефектоскопии лопаток турбомашин из легированных сталей, включающий настройку прибора магнитной дефектоскопии по эталонному бездефектному объекту контроля, имеющего нормальную температуру Т₀, при отсутствии нагрузки (Р₀=0) и по своим размерам и материалу, соответствующему контролируемым лопаткам, сканирование прибором магнитной дефектоскопии в аналогичных условиях контролируемой лопатки и оценку степени повреждения материала лопатки по разнице величин параметров, полученных с эталонной и контролируемых лопаток, отличающийся тем, что дополнительно производят снятие параметров материала лопатки при нагрузке, для чего нагружают эталонный объект контроля в области упругих напряжений, прилагая к нему нагрузку Р_З, настраивают по нему прибор магнитной дефектоскопии, затем аналогично нагружают контролируемую лопатку, прилагая к ней нагрузку Р_З, и производят повторное ее сканирование измерительным устройством, а по изменению величин полученных параметров судят об изменении состояния материала контролируемой лопатки до и после ее нагружения.

2. Способ магнитной дефектоскопии по п.1, отличающийся тем, что величина нагрузки, прилагаемой к эталонному объекту контроля и к лопатке, соответствует эксплуатационной нагрузке (Р_З=Р_эк).

3. Способ магнитной дефектоскопии по п.2, отличающийся тем, что к эталонному объекту контроля и к лопатке прилагают знакопеременную нагрузку, соответствующую эксплуатационной нагрузке (Р_З=P_эк/з.п.).

4. Способ магнитной дефектоскопии по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров, по величине которых судят об изменении состояния материала контролируемой лопатки, выбирают разность значений параметров, снятых с контролируемой лопатки без приложения (Р₀=0) и с приложением
(Р_З=Р_эк и/или Р_З=Р_эк/з.п.) нагрузки.

5. Способ магнитной дефектоскопии по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров, по величине которых судят об изменении состояния материала контролируемой лопатки, выбирают разность значений параметров, снятых при нагрузке Р_З, с эталонной и контролируемой лопаток.

6. Способ магнитной дефектоскопии по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что берут дополнительный эталонный объект контроля, по своим размерам и материалу соответствующий контролируемым лопаткам и имеющий дефекты, соответствующие предельным состояниям эксплуатации лопаток, по нему производят дополнительную настройку прибора магнитной дефектоскопии в ненагруженном (Р₀=0) и нагруженном (Р_З=Р_эк и/или Р_З=Р_эк/з.п.) состояниях, а о степени повреждения материала лопатки судят по степени приближения сигнала к сигналу эталонного объекта контроля, имеющего указанные дефекты.

7. Способ магнитной дефектоскопии по п.6, отличающийся тем, что берут, по крайней мере, еще один дополнительный эталонный объект контроля, по своим размерам и материалу соответствующий контролируемым лопаткам и имеющий дефекты, соответствующие промежуточным состояниям эксплуатации лопаток, по нему производят дополнительную настройку прибора магнитной дефектоскопии в ненагруженном (Р₀=0) и нагруженном (Р_З=Р_эк и/или Р_З=Р_эк/з.п.) состояниях, а о степени повреждения материала лопатки судят путем сравнения сигналов от контролируемой лопатки и эталонных объектов контроля.

8. Способ магнитной дефектоскопии по п.7, отличающийся тем, что дополнительные эталоны и контролируемую лопатку нагревают до температуры эксплуатации и Т_эк, а о свойствах материала контролируемой лопатки судят по разности величин магнитных параметров между дополнительными эталонами и контролируемой лопаткой, полученных при температуре эксплуатации Т_эк.

9. Способ магнитной дефектоскопии по любому из пп.1-5, 7-8, отличающийся тем, что дополнительные эталоны и контролируемые лопатки нагревают до температуры эксплуатации Т_эк и через каждый интервал температур, равный ΔT, производят замер параметров, а об изменении свойств материала контролируемой лопатки судят по величинам изменения параметров материалов, полученных при изменении температуры эталонов и контролируемой лопатки, причем величину интервала температуры ΔT выбирают из диапазона ΔТ=(1…50°С).