ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ДЕФЕКТОСКОПИИ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ С УЧЕТОМ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК Российский патент 2009 года по МПК G01N25/72 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а точнее к способам термоэлектрической дефектоскопии металлических изделий, и может быть использовано при обследовании лопаток турбомашин из никелевых сплавов с учетом воздействия эксплуатационных нагрузок.

Направляющие и рабочие лопатки турбин ГТД и ГТУ, изготовленные из жаропрочных и жаростойких никелевых сплавов типа ЖС-6, ЖС-6У и др., в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, высоких температур, 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.

Термоэлектрический способ контроля поверхностной неоднородности электропроводящих материалов, заключающийся в определении термоэлектрической чувствительности исследуемой поверхности по отношению к термоЭДС, генерируемой термопарой горячий электрод - контролируемая поверхность, к термоЭДС, генерируемой стандартной термопарой [патент РФ №2229703, МПК G01N 25/32. Термоэлектрический способ контроля неоднородности металлов и сплавов, 2004].

Известен способ контроля металлических материалов, включающий приведение в контакт электродов с материалом изделия, измерение термоЭДС и оценку по полученным значениям термоЭДС свойств исследуемого материала [патент РФ №2229117, МПК G01N 25/32. Термоэлектрический способ контроля металлических материалов, 2004].

Недостатком известного способа является его низкая информативность.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля металлических материалов, включающий приведение в контакт электродов с материалом изделия, измерение термоЭДС и оценку по полученным значениям термоЭДС свойств исследуемого материала [патент РФ №2229117, МПК G01N 25/32. Термоэлектрический способ контроля металлических материалов, 2004].

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 термоэлектрических и других эффектах, не позволяют оценить изменение состояния материала лопатки при изменении напряженного состояния лопатки в результате воздействия механических нагрузок, что значительно снижает достоверность оценки характера деградации материалов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение информативности и достоверности оценки степени деградации материала лопатки из никелевых сплавов с учетом воздействия на лопатку механических нагрузок.

Технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом способе дефектоскопии лопаток турбомашин из никелевых сплавов, включающий настройку прибора термоэлектрической дефектоскопии для определения параметров материала по эталонному бездефектному объекту контроля, по своим размерам и материалу, соответствующему контролируемым лопаткам, без приложения к нему механической нагрузки (Р₀=0), определение в аналогичных условиях прибором термоэлектрической дефектоскопии параметров 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 термоэлектрической 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 термоэлектрическом способе дефектоскопии лопаток 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 термоэлектрическом способе дефектоскопии лопаток 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.) механической нагрузки.

Технический результат достигается также тем, что в термоэлектрическом способе дефектоскопии лопаток 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 термоэлектрическом способе дефектоскопии лопаток 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 термоэлектрической 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.

Технический результат достигается также тем, что в термоэлектрическом способе дефектоскопии лопаток 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 термоэлектрической 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 эталонных объектов контроля.

При исследовании степени деградации материала лопаток из никелевых сплавов, авторами экспериментально установлено, что термоэлектрические 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 термоэлектрических параметров материала лопатки. Для этого вначале производят настройку прибора, осуществляя замеры значений термоэлектрических 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 термоэлектрических 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 термоэлектрических 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 термоэлектрических параметров у контролируемой лопатки и по полученной зависимости «величина термоэлектрических параметров - степень деградации материала» 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 никелевого сплава ЖС-6У, с различной степенью деградации материала. Снятие термоэлектрических параметров осуществлялось прибором ТЭП 10-К. После получения данных с эталонных образцов производился замер термоэлектрических параметров характеристик с лопаток, деградация материала которых была осуществлена в процессе эксплуатации. Для контрольной оценки степени и вида деградации материала эталонных и контролируемых лопаток были использованы разрушающие методы контроля с приготовлением шлифов и проведением металлографических исследований. Результаты измерений и оценки степени деградации материала лопаток турбин приведены в таблицах 1-3.

Приведенные данные по оценке величин деградации материала с использованием предлагаемого способа термоэлектрической дефектоскопии лопаток турбомашин из никелевых сплавов 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 термоэлектрической дефектоскопии лопаток турбомашин. Сущность: заключается в том, что осуществляют настройку прибора термоэлектрической дефектоскопии для определения параметров материала по эталонному бездефектному объекту контроля по своим размерам и материалу, соответствующему контролируемым лопаткам, без приложения к нему механической нагрузки, определяют в аналогичных условиях прибором термоэлектрической дефектоскопии параметры контролируемой лопатки 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 Р₃, настраивают по нему прибор термоэлектрической дефектоскопии, затем аналогично нагружают контролируемую лопатку, прилагая к ней нагрузку Р₃, 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 никелевых сплавов с учетом воздействия на лопатку механических нагрузок. 6 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Термоэлектрический способ дефектоскопии лопаток турбомашин из никелевых сплавов, включающий настройку прибора термоэлектрической дефектоскопии для определения параметров материала по эталонному бездефектному объекту контроля, по своим размерам и материалу соответствующему контролируемым лопаткам, без приложения к нему механической нагрузки (P₀=0), определение в аналогичных условиях прибором термоэлектрической дефектоскопии параметров 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 термоэлектрической 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. Термоэлектрический способ дефектоскопии лопаток по п.1, отличающийся тем, что величина нагрузки, прилагаемой к эталонному объекту контроля и к лопатке соответствует эксплуатационной нагрузке (Р_З-Р_эк).

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

4. Термоэлектрический способ дефектоскопии лопаток 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=_эк/з.п.) нагрузки.

5. Термоэлектрический способ дефектоскопии лопаток 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. Термоэлектрический способ дефектоскопии лопаток 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 термоэлектрической 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. Термоэлектрический способ дефектоскопии лопаток 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 термоЭДС 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 эталонных объектов контроля.