Способ определения ресурса деталей
ОП И(:АН ИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ р ц 769033
Союз Советских
Социалистических
Республик
К АВТОРСКОМУ СВМДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 17.10.78 (21) 2670154/24-06 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.10.80. Бюллетень № 37 (45) Дата опубликования описания 07.10.80 (51) М. Кл.з
F 01D 25/00
G 01М 19/00
G 01N 33/20 государственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.438:620. .171(088,8) (72) Авторы изобретения (71) Заявитель
1О. Л. Израилев, Н. А. Махутов и Г. П. Никишков
Всесоюзный дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт им. Ф. 3. Дзержинского (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ
Изобретение относится к области энергетического машиностроения, преимущественно паротурбостроения, в частности к способам определения межремонтного ресурса элементов статора турбины. 5
Известен способ определения ресурса несущих элементов с учетом их дефектности, конструктивных форм и условий эксплуатации (1), при котором деталь, содержащую трещиноподобные дефекты, моделируют образцом с надрезом, в основании которого формируют трещину. Образец испытывают, доводя до разрушения в условиях, которые должны имитировать натурные. В результате испытаний определяют величины, которые трактуются как константы материала (детали) для данной температуры испытания, скорости нагружения, среды. Проводят расчетное определение соответствующих параметров для реального тела под действием нагрузок, которые должны воспроизводить условия эксплуатации этой детали. Из эмпирических уравнений, связывающих текущие (расчетные) значения определяющих параметров (К, б, У, G, 1) и их критические значения (К„К,„, д., 1„
G„У,), определяют продолжительность стадии устойчивого развития магистральной трещины и тем самым долговечность дета- ЗО ли. При этом К вЂ” коэффициент интенсивности напряжений; К, — критическое значение коэффициента интенсивности напряжений; б —; б, — критическое значение раскрытия трещины; У— интеграл по контуру в области трещины;
У, — критическое значение У интеграла;
G — удельная энергия продвижения трещины; G, — критическое значение энергии продвижения трещины; I — трещиностойкость;
1„— предел трещиностойкости.
Недостаток этого способа заключается в том, что он позволяет получить путем испытания образцов с трещиной ценную информацию по определению ресурса сравнительно простых деталей, нагружаемых достаточно простым видом нагрузок, работающих при уровне температур, исключающих процессы ползучести. Применение этого способа для сложных деталей, изготовленных из пластичных низкопрочных сталей и широко используемых для изготовления корпусов и роторов турбин, корпусов клапанов, требует применения уникальных испытательных машин большой мощности.
Стоимость таких испытаний, проводимых на образцах с надрезами, приближается, а в ряде случаев и превышает стоимость натурных испытаний.
769033
Известен способ определения ресурса сложных энергетических деталей, при котором на натурном корпусе наносят искусственный надрез на 90 толщины стенки, а затем корпус доводится до разрушения при статическом гидроиспытании (2).
Достоинством этого способа является то, что испытания проводят на натурной детали, а недостатком то, что условия испытаний далеки от натурных и не позволяют изучать закономерности устойчивой стадии развития магистральной трещины.
Указанные способы характеризуются недостаточной обоснованностью положения о равенстве констант (К„У„G„, 6.), полученных на образце или детали с трещиной, испытанных в нейтральной среде, при постоянной температуре, при простом типе нагрузок, и для реальных условий, в которых конфигурация трещины, среда, характер распределения и уровень температуры иные, а также неправомерностью применения закономерностей хрупкого и квазихрупкого развития магистральных трещин при их небольшой исходной длине и для зон конструктивных концентраторов, когда неприменимо фундаментальное понятие механики разрушения о тонкой структуре, о автомодельности процессов в зоне вершины трещины.
Наиболее близким к описываемому способу является способ определения ресурса деталей, заключающийся в том, что натурную деталь, имещую трещину, подвергают воздействию эксплуатационной нагрузки, периодически измеряют параметры трещины и определяют время ее развития вплоть до разрушения детали!(3). Под разрушением понимается вторая стадия разрушения, когда макротрещина достигает размеров, соизмеримых с характерными размерами детали.
Описанный способ позволяет испытать натурную деталь в условиях, имитирующих натурные, что позволяет изучать закономерности устойчивой стадии развития макротрещины.
Недостатком этого способа является то, что процесс разрушения начинается от случайного дефекта. Случайным, произвольным является место его расположения на детали, его форма и размеры, что снижает надежность определения ресурса.
Целью изобретения является повышение надежности определения ресурса.
Для достижения этой цели в зоне минимальных запасов прочности детали формируют трещину глубиной h= f (1( З0 65 прочности, кг/мм, 1 — длина трещины, мм, h — глубина трещины, мм; h,, — толщина стенки детали в зоне минимальных запасов прочности, Зону минимальных запасов прочности опредсляют на основе упругих и упругопластических расчетов (например методом коночных элементов) и уточняют с помощью статических данных по дсфсктоскопии испытываемых деталей. Так для корпусов клапанов цилиндров и роторов турбин тепловых и атомных электростанций (ТЭС и АЭС) такими зонами являются в основном зоны концентраторов (подфланцевые зоны, зоны проточек под обоймы, зоны перехода от патрубков к цилиндрам), а для роторов и зона центральной полости. Трещину выполняют при капитальном ремонте установки. Выполнение и заострение искусственной трещины осуществляют известными методами с использованием резца, фрезы, кислот, Тщательно измеряют размеры трещины, особенно ее радиус. Так как размер радиуса у вершины усталостной трещины составляет 0,01 — 0,03 мм, то радиус искусственной трещины выполняют в пределах 0,03— 0,1 мм, что соответствует методике испытания образцов с надрезами, Трещину располагают перпендикулярно действию максимальных растягивающих напряжений. Характсрные исходные размеры трещины (глубина, длина, радиус надреза) выбирают на основе следующих положений. 1. Минимальные размеры исходной трещины не должны быть меньше тех, которые допускаются техническими условиями для эксплуатации деталей, например для энергоустановок, в течение их расчетного срока службы — 10 ч. Допустимый размер трещины оценивают по формуле: h = f (Ê,ñ/îü), (1) где К, — трещиностойкость материала, константа, имеющая размерность кг/мм 3/2 (МН/м) (смысл этой величины аналогичен тому, который вкладывается в понятие предела прочности сплошного бездефектного тела); оь — предел прочности, кг/мм ; f — безразмерный коэффициент, учитывающий форму трещины, характер деформирования. Для полуэллиптической трещины в условиях плоской деформации f=0,25. Выбор коэффициента для различных случаев может быть проведен на основе рекомендаций, приведенных в литературе. Длина трсщины l при определении величины h по формуле (1) может находиться в пределах l= (2 — 10) h. Левая часть рекомендуемой области l= (2 — 6) h выбирается для высокопрочных материалов (оь,) 70 кг/мм ), а правая l= (6 — 10) h— для низкопрочных (оь(70 кг/мм ), Формула (1), соотношения l и и без принципиаль769033 15 Формула изобретения Составитель Е. Крейдии Редактор Т. Загребельная Техред А. Калашникова Корректор Т. Трушкина Тираж 583 Подписное Заказ 2271 8 Изд. № 526 Сапунова, 2 Типография, пр. I1bIx изменений использованы и в номограммах допустимых дефектов. Для роторов, изготовленных из сталей средней прочности, значения констант материала К1, и о составляют 350 кг/мм / и 70 кг/мм соответственно. В этом случае значение параметров трещины h=6,25 мм и 12,5(/(37,5 мм. Этот дефект развивается до критических размеров в течение 106000 ч эксплуатации. Этот пример показывает надежность оценки размеров исходной трещины. Последнее очевидно с учетом еще и следующих обстоятельств: в отличие от естественных трещин при осуществлении предложенного способа точно известно место расположения и все параметры дополнительной искусственной трещины, имеется возможность контролировать ход ее развитйя при каждом останове агрегата. Возможен также контроль и в процессе эксплуатации установки с записью показаний изменений параметров трещины. Сформировав искусственную трещину на натурной детали, эксплуатируют эту деталь в естественных условиях, подвергая ее натурной последовательности температурных, вибрационных, компенсационных нагрузок, воздействию рабочей среды. Периодически методами неразрушающего контроля измеряют параметры трещины. Выполнение этой операции на корпусе цилиндра или клапана можно проводить при каждом останове установки без вскрытия (разборки) клапана, цилиндра. С этой целью в зоне трещины выполняют съемный блок изоляции. Результаты измсрсний параметров развивающейся трещины используют для проведения расчетов соответствующих трехмерных упругопластических задач для тел с надрезом. Синтез экспериментальных результатов и результатов исследования расчетных моделей позволяет построить надежную теорию для определения ресурса массивных деталей, содержащих трещины и работающих в сложных условиях. Ресурс детали считается исчерпанным, когда характерный размер трещины Й достигает (0,45 — 0,65) h„. Этот критерий основан на результатах экспсриментальных исследований по развитию трещин в деталях энергетического оборудования. Результаты статистической обработки фактического материала по развитию трещин в натурных деталях в процессе их эксплуатации показывают, что при достижении величиной h= (0,45 — 0,65) йст удаление трещины из зоны минимальных запасов прочности даже с последующей заваркой этой зоны не гарантирует от возможности хрупкого разрушения детали. Левая часть области критических значсниш h= (0,45 — 0,50) h,, рекомендуется для клапанов, правая часть h== (0,5 — 0,65) h„— для корпусов цилиндров турбин. Важным моментом является получение результатов определения ресурса детали на статистически достоверном материале. Рассматриваемый способ позволяет, например, только па одной ГРЭС с 12 турбинами К-200-130, имеющей 24 корпуса цилиндров, 43 корпуса стопорных клапанов, работающих в условиях малоцикловой усталости и ползучести, нанося по две-три трещины на корпусе, успешно решать эту задачу. Предложенный способ позволяет существенно повысить надежность оценки ресурса паиболес ответственных массивных деталей ротора и статора турбоагрегатов ТЭС и ЛЭС. Это особенно актуально в связи с тем, что чисто расчетное теоретическое решение этой проблемы пока невозможно. Способ определения ресурса деталей, преимущественно элементов статора паровых турбин, заключающийся в том, что натурную деталь, имеющую трещину, подвергают воздействию эксплуатационной нагрузки, периодически измеряют параметры трещины и определяют время ее развития вплоть до разрушения детали, о т л н ч а юшийся тем, что, с целью повышения надежности определения ресурса, упрощения технологии и снижения стоимости испытаний, в зоне минимальных запасов прочности дстали формируют трсщину глубиной h=f(K< /оь )в, длиной l= (2 — 10) h и радиусом вершины трещины, равпым 2 — 3 радиусам усталостпой трещины, а ресурс определяют по достижении h= (0,45 — 0,65) h„, где f — безразмерный коэффициент, учитывающий форму трещины и характер нагружения; ʄ— трещиностойкость материала, кг/мм /, oI, — предел прочности, кг/мм, l — длина трещины, мм; h — глубина трещины, мм; h„— толщина стенки детали в зоне минимальных запасов прочности. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Госкомитет стандартов СССР. — М., 1977, с. 28. 2. Разрушение, т. 5. Под ред. Г. Либовпц. — М.: Машиностроение, 1977, с. 149. 3. Разрушение, т. 5. Под ред. Г. Либовиц. — М.: Машиностросние, 1977, с. 424.
