Партон В.З. - Механика разрушения. От теории к практике (1015817), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Надежное определение ьремепп безопасной эксплуатации и остаточного ресурса вв) роторов нлп корпусных элементов возможно только при использовании теоретических методов меха- пики разрушения в сочетаппп с эксперимептальпыьш и, в частности, с дпагпостическпмп методамн. е) Автор к«гиги эа работу «Разработка и вкедрепие научных основ расчета и повышении прочности энергооборудования по критериям трещивостойкостп» удостоен премвв Совета Министров СССР.
ьПрннеч. ред.) "т) Ыы употребляем нрпвлтый в энергетике терьпш «ресурс» в эвачовии «периода безопасной эксплуатации> или «способность к безопасной эксплуатации в течение данного периода», хотя инженеры часто вкладывают в вето различные дополпительиые оттенки. Предел»неси или проектный ресурс — это расчетвое время эксплуатации нового элемента конструкции, по прошествии которого ов подвоя«ит списапиьо или восставовлевиьо. Межренонтный ресурс — это расчетное вромя мевтду плаповыь«и остановками иа ремонт, остаточный ресурс — расчетное время до полпого разрушения. 13 в. 3, нартов В роторах и корпусах турбин перепады напряжений у поверхности концентраторов напряжений могут достигать 0,5 о,.
Поэтому важнейшей составной частью решения проблемы расчета их ресурса является создание набора надежных программ, по которым на ЭВМ с приемлемой для ни>венера точностью (скажем, не менее 10 7о) можно определять напряжения, деформации и, конечно же, коэффициенты интенсивности напряягешнг в элементе конструкции с растущей трещиной. Расчет напряженно-деформированного состояния с учетом пластнчносси и теьшературных эффектов очень сложен, но его можно успешно провести, например, методом конечных элементов, который мы кратко обсудили в з 15. Этот метод лежал и в основе наших расчетов ресурса деталей турбин.
Конечноэлементная схема расчета ротора паровой турбины ТЭС очень похожа на вышеприведенную схему расчета ротора газовой гурбины (рис. 58 и 59) . На рис. 120, изображающем часть корпуса стопорного клапана турбины, можяо увидеть, что здесь используются те же принципы встраиванпя фрагментов сепги, содержащпх трещину, в сетку конечных элементов, моделирующую бездефектпый объект.
Конечноэлемептные расчеты ротора позволяют пам получить зависимости жесткостных (илп электрических) характеристик и коэффпцпента интенсивности напряжений от относительных размеров трещины, геометрии н схемы нагружения. Этп зависимости поаволяют оценить допустимое число циклов нагружеппя до возникновения макротрещины и допустимое число циклов нагружения на стадии ее медленного развития до момента хрупкого разрушения, с одной стороны, п организовать эксплуа сацвонную диагностику ротора, с другой.
Для диагностики очень удобен, например, так называемый метод вибродиагностики, позволяющий по измерениям собственных частот и форм колебании контролировать рост скрытых трещин. Математический эксперимент по определению мея'- ремонтиого ресурса корпусных элементов дополняется натурным экспериментом. В том месте, где корпус имеет минимальный запас щючностп, перпендикулярно линни действия макспмальпого растягивающего напряжения делается искусственный надрез. Глубына его имеет порядок размера пластической зоны. длина в 2 — 10 раз больше глубины, радиус основания надреза пе превышает 0,1 мм.
Деталь с таким искусственным надрезом эксплуа- 194 тнруется в условиях реальной ТЭС, разумеется, при постоянном контроле размеров трещипы дефеьтоскопическими методами. Ресурс считается исчерпанпым, если глубипа трещины достигнет величипы примерпо в 45— 55 $ толщины стенки. Этот критический размер определен опытным путем, причем установлено, что удалепие. гпсм Рис.
120. Конечноэлементная модель корпуса стопорного клапана содержащая трещину трещипы такого размера даже с последующей заваркой не гараптирует от возможности хрупкого разрушения дета-. ли. В результате синтеза результатов натурного и математического эксперимента возникает 6олее надежная Методика определения ресурса реальных массивных де13е 195 талек с макрадефектамн, работающнх в сложных условиях. Параметры, описывающие процесс устойчивого развития трещины (например, константы в законе Париса), могут определяться в полунатурных термамеханическнх испытаниях спецпальпых образцов, а ват параметры тре- 77 ~ 10 15 15 7 15 20 б 5 5 и и а 01 а 15 21 б Рис.
12й Образец-свидетель для уточнения скорости развнтпя корроэиокных повреждений элементов ротора. о — образец из металла эксплуатвровавшегося ротора, содержащий каррозионные поврево девиа; б — образец, моделирующий соединение хвостика лопатки с диском ротора; в — образец, моделиругащнй шпаночное соединение диска с валом. 5 — датчик повреждения, б — образец-свидетель; 7 — дефект; 8 — перфорированный кожух; 9 — съемный установочный шток, закрепленный в корпусе; 10, 11 — захваты; 12, 12 — выступы па образце; 14, 15 — распорпые стойки; 10, 17 — электроды и провода для контроля за развитием дефеьта методом электропотепциала, соединенные с источником тока и потепцнометром; 20— модель хвостика лопатки; 21 †моде зоны посадки шпанки в вал ротора, 22 — модель шнаппи $96 зципостойкостн оказывается удобнее и надежнее определять пе на стандартных обраацах, а расчетом, исходя из размеров наиболее опасных дефектов, обнаруженных при реьгопте эггергоустаповок Такой ' етод оо едовап я атурных нопструкций позволяет получить более обоснованную оценку *) трещиностойкости, учитывающую наличие ремонтных заварок, агрессивных сред, особенностей реального цикла пагружепия и т.
д, Для определения трещнпостойкостп роторов паровых турбин весьма перспективной оказалась установка образг)ов-свидетелей (рис. 121). Такие образцы содержат усталостную трещину, ориентированную в наиболее опасном направлении. Конструкция образца, устанавливаемого в псследусмуго зону ротора (например, в цептральпуго полость), должна обеспечивать в пем те же термомехапическпе нагрузки, что в исследуемой зоне, Специальные датчики выполняют постоянный контроль состояния образца-свидетеля в ходе эксплуатации турбины.
Г1олпое разрушение образца не сказываетсн па падеж- ности работы эпергоустаповни. Достижения механики разрушения помогают не только в прогнозе ресурса турбин, по н в разработке способов восстановления ресурса роторов в ходе капитального л — ) Рис. 122. Устройство для восстановления ресурса роторов: 1 — опоры ротора; 2 — тихоходный (4 об/ьгин) привод для механической обработки ротора; 8 — стойка для установки суппорта и шли4ювального устройства; и — суппорт; 5 — фиксатор осевого положения ротора ремонта после каждых 60 — 100 тысяч часов эксплуатации, а также конструктивных мер увеличения остаточного ресурса роторов и корпусов турбин.
Без теоретических расчетов н дефектоскопических исследований нельзя обоснованно определить, например, толщину повреж- *) Кан правило, метод дает нижнюю оценку, ведь обследуются но окончательно разрушенные детали турбин. 197 денного поверхностного слоя, подлежащего снятию на. специальном устройстве (рис. 122). Теоретические расчеты позволили предложить устройство специальных Т- образных разгружающих полостей для снижения осевых температурных напряжений в наиболее опасных зонах или систему оптимального регулирования таках напряжений путем обогрева фланцевых соединений корпуса Успеха в решении сложной проблемы увеличения безопасной эксплуатации роторов и корпусных элементов турбин ТЭС удалось достичь только в результате комплексного использования методов механики разрушения в сочетании с натурными и полунатурными испытаниями, диагностическими методами и рядом схемных и конструктивных решений, 9 30.
Механика разрушения и неразрушающие испытания В январе 1986 г. практически сразу после старта трагически погиб американский космический корабль еЧеленджер» с семью астронавтами на борту. Картина взрыва потрясла всех, кто смотрел телевизионный репортаж, совпавший для меня еще с одним обстоятельством— случившееся показалось ужасной иллюстрацией к докладу, который мы буквально накануне обсуждалп на научном семинаре. В нем речь шла о разрушении тела с трещинообразной полостью, внутри которой в результате горения повып|ается давление газа. Решение подобных задач связано с моделированием повыгпепия давления п даже внезапным разрушением твердого топлива в ракетном двигателе.
Твердотопливные двигатели, а именно такие ускорители работали на «Челепджере», могли выйти на нерасчетный режим и даже взорваться*), если в твердом топливе были трещиноподобпые дефекты недопустимых размеров. В процессе прогара топлива фронт горения пламени достигает края дефекта и горение быстро охватывает всю полость дефекта. Так как выход продуктов сгорания через узкое входное отверстие (конец трещины) затруднен, то в полости повьппается давление. Суммирование таких же эффектов, имеющих место в других трещинах, может привести к резкому повышению давления в твердом топливе, потере устой- ') Сейчас наиболее распространепнан версия катастрофы— налнчне нпзкой температуры, потеря упругости и быстрый прогар уплотнптеля.
198 чивостп горящих трещин и взрыву с отрывом оболочки, содержащей твердое топливо. Язык пламени может перекинуться па соседние баки твердотопливных ускорителей, и произойдет непоправимое. Для получения безопасных оценок в этой сложной проблеме приходится уравнения теории трещин комбинировать с уравнениями газовой динамики, преодолевать всевозможные математпческие трудности, но результат получается примечательным: для каждого конкретного вида твердого топлива люжно указать предельный допустимый размер технологического дефекта, превышение которого может привести к нарыву.
Контролем твердого ракетного топлива па отсутствие опасного дефекта должны заниматься специалисты по дефоктоскоппп пли нераарушающему контролю. 0 трудностях, стоящих перед ними пе в техническом, а прежде всего в принципиальном плане, мы п поговорим ниже. Развптпе современной техники п технологии немыслимо без самого широкого использования неразруп|ающих испытаний. В неразрушающпх испытаниях пользуются физическими методамп, которые не наносят материалу дополнительных повреждений.
Таких методов существует очень много, но самый старгай п нпх, один из луп-,их н простейших — зто визуальнык метод. Пм пользуются в обувном магазине, когда рассматривают пару ботинок перед покупкой, и если освещение достаточно, то можно успешно обнаружить поверхностные дефекты. Этот метод незаменим для авиатехников — прп подготовке самолета они должны тщательно осм лрпвать шасси, поскольку острые камешки, вылетающие из-под колес, могут повредить поверхность стоек.
Последствия развптпя коррознонных трещин в условиях сильной влажности, болыпих перепадов температур п ударных нагрузок нетрудно себе представить. Гслн же необходимо обследовать недоступные для непосредственного наблюдения те илп инь1е области изучаемого терц то в наше время широко пспользуется электронная микроскопия и волоконная оптика. В арсенале спецналпстов по перазрушающему контроля есть и более язощренныо методы: тепловые, радиоактивные, акустические, электромагнитные, голографпческпе н т.
д, Современная дефектоскопня дает возможность достаточно надежно и быстро обнаруживать дефекты материала, в том числе и внутренние, определять нх внд, размеры, расположение. Большое значение имеют не 199 только разрешающая способность приборов и квалификация персонала, по и знание технологии изготовления, а также условий эксплуатации элемента копструьцпи, Дефекты могут быть собственными (включения в металле, расслоения в композите), появиться прп изготовлении (непровары и трещины в сварных швах), а могут образоваться в процессе эксплуатации изделия (усгалостные и коррозиоппые трещины). Для успешного выявления дефектов, конечно же, необходимо представлять, что нужно искать и где следует искать. Однако пря всем его могуществе у перазрушаюшего контроля есть слабое место. Дефект обпаружеп, и что же дальше: оставить его без внимания, продолжить рабочий процесс, по периодически повторять контроль, остановить процесс и пачать ремонт конструкции, а может быть, списать ее? С выдачей таких рекомепдацпй у специалистов по неразрушающему контролю воаникают затруднения, хотя вопросами целостности конструкции онп озабочены чрезвычайно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
