ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГОБЛОКОВ И КОНСТРУКЦИЙ АЭС НА ОСНОВЕ РАЗРУШАЮЩЕГО И НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Введение

В работе [1] были рассмотрены вопросы неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов энергоблоков и конструкций АЭС. В последующих работах [2, 3] исследовались вопросы вибронадежности оборудования энергоблоков и конструкций АЭС.

В работе [1] отмечались недостатки магнитоэлектрических и акустических методов. Для неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) предложено использовать метод тензометрирования, позволяющий осуществлять диагностику вращающихся машин и механизмов.

Следует заметить, что методы неразрушающего контроля и технической диагностики приобрели широкое распространение в современной технике.

Ежегодно проводятся Международные научно-технические конференции [1], систематически выходит ежеквартальный научно-технический и производственный журнал «Техническая диагностика и неразрушающий контроль» [4].

Значительно меньшее внимание уделяется разрушающему контролю, поскольку при этом, как правило, осуществляется разрушение машины, либо механизма. Тем не менее, в ря-де случаев использование разрушающего контроля позволяет получать необходимые сведе-ния о напряженно-деформированном состоянии машины либо механизма. Так, например, центральная заводская лаборатория «Насосэнергомаша» состоит из лабораторий разрушаю-щего и неразрушающего контроля и насчитывает 47 чел. [10].

Здесь мы рассмотрим совместное использование разрушающего и неразрушающего контроля на примере исследования НДС рабочих лопаток центробежных насосов ядерной энергетики.

Постановка цели и задач научного исследования

Целью данной работы является разработка комплексного подхода для исследования напряженно-деформированного состояния оборудования энергоблоков и конструкций АЭС с использованием разрушающего и неразрушающего контроля НДС.

Напряженно-деформированное состояние рабочих колес центробежных насосов ядерной энергетики

Рассмотрим картину напряженно-деформированного состояния рабочих лопаток центробежных насосов (рис.1).

Основной диск рабочего колеса представляет собой коническую оболочку, либо кольце-вую пластину в общем случае переменной толщины, покрывающий диск-коническую обо-лочку переменной толщины, соединенными между собой нерадиально расположенными реб-рами-лопатками. Основной нагрузкой, вызывающей в деталях рабочего колеса статические напряжения являются центробежные силы инерции собственной массы лопаток, гидродинамическое давление потока, а также температурные деформации для центробежных насосов,  работающих  в  условиях высокотемпературного нагрева. Кроме основной нагрузки на каждую деталь рабочего колеса действуют сложные системы сил, возникающие от взаимного стеснения свободных перемещений деталей, т.е. задача о напряженно-деформированном состоянии колеса является в целом статически неопределимой.

Рис.1. Усилия и моменты, действующие на элементы рабочего колеса: 1 – покрывающий диск; 2 – основной диск; 3 – рабочие лопатки.

В общем случае точное решение задачи не представляется возможным. Используются, как правило, приближенные подходы для расчета дисков, рабочих лопаток, других элементов центробежных и осевых насосов, компрессоров, нагнетателей.

Рассмотрим взаимодействие элементов рабочего колеса центробежных насосов между собой (рис.1). При вращении колеса в основном и покрывающем дисках появляются изгиб-ные деформации, которые обуславливают осевые смещения покрывающего диска, что в свою очередь приводит к появлению осевых усилий . Кроме того, различие в радиальных перемещениях покрывающего и основного дисков приводит к дополнительному смещению края лопатки, прилегающего к покрывающему диску на величину Δ и повороту покрыва-ющего диска на угол β. В связи с этим в опорных сечениях лопатки возникают опорные реак-ции и изгибающие моменты . От действия центробежных сил в местах сопряжения лопатки с дисками появляются контактные усилия  и изгибающие моменты  (рис.1). При расчетах дисков совокупность этих усилий и моментов учитывается как “боковая нагрузка”.

Таким образом из проведенного анализа следует, что точное решение задачи о напряжен-но-деформированном состоянии дисков и лопаток рабочих колес центробежных насосов связано со значительными трудностями. Следует также отметить, что геометрия рабочих ло-паток (трапециевидная панель), а также сложная картина взаимодействия элементов рабоче-го колеса между собой практически исключают постановку граничных условий в точной ма-тематической формулировке, принятой в теории оболочек, а также вызывают значительные трудности при определении нагрузок, действующих на элементы рабочих колес.

Разрушающий контроль

Для определения несущей способности рабочих колес турбомашин (насосов, нагнетателей, компрессоров и т.п.) проводятся разгонные испытания.

Качественный анализ и экспериментальные данные по тензометрированию рабочих колес радиальных турбомашин, а также результаты испытаний рабочих колес на разгонных

Рис.2. Разгонный стенд для исследования НДС рабочих колес турбомашин.

стендах (при которых изделие не доводится до разрушения, а лишь до определенного уровня остаточных деформаций), позволили сделать вывод, что основным напряженным состоянием рабочих лопаток является продольно-поперечный изгиб (рис.3), при этом было установлено, что изгибные напряжения на порядок выше напряжений, обусловленных растяжением лопатки. Конструктивные особенности крепления лопаток к дискам посредством сварки позволяют рассматривать лопатки как жестко защемленные по краям оболочки. С достаточной для практики точностью крепления лопаток к дискам при помощи заклепок можно считать соответствующими условиям шарнирного опирания.

Рис.3. Деформированное рабочее колесо радиального нагнетателя после испытаний на разгонном стенде.

Полное разрушение рабочих колес показывает, что разрушение колес происходит в зонах, прилегающих к сварочным швам, вследствие остаточных напряжений, возникающих при сварке деталей колеса. Для увеличения прочности рабочего колеса рекомендуется отжиг после сварки в среде аргона или в вакууме для снятия остаточных напряжений.

Неразрушающий контроль напряженно-деформированного состояния

Неразрушающий контроль (НК) напряженно-деформированного состояния (НК НДС) является весьма важным для диагностики текущего состояния элементов оборудования и конструкций [5]. Большое внимание к данному направлению определяется влиянием напряжений на остаточный ресурс элементов оборудования и конструкций с учетом деградации материала и условиями эксплуатации. При этом имеются в виду напряжения I рода (упругие напряжения).

Отметим, что несмотря на то, что сами по себе упругие напряжения редко вызывают разрушение в пластичных конструкционных материалах, тем не менее они создают среду, в которой под воздействием эксплуатационных условий и приложенных нагрузок происходит деградация материала в результате усталости, ползучести, деформационного старения, эволюции дислокационной структуры и межкристаллитной коррозии.

Подчеркнем, что широко используемые в технике методы НК НДС не позволяют точно, быстро и надежно получить картину НДС в элементах оборудования и конструкциях. В связи с этим зачастую используются расчетные методы, использующие в качестве исходной информации результаты НК таких параметров как толщина (в процессах корро-зионно-эрозионного износа [6]), твердость металла, наличие макроскопических дефектов сплошности и др. Однако, в зонах концентрации напряжений (ЗКН) напряжения могут быть весьма далеки от действительности, хотя напряжения в ЗНК собственно и определяют предельное состояние элементов оборудования и конструкций, а также остаточный ресурс.

Вполне очевидно, что НК НДС должен регламентироваться стандартами. Тем не ме-нее, вследствие принципиальных метрологических трудностей измерения методами НК на-пряжений, имеющих тензорную природу, стандартизация этой области еще недостаточна и в настоящее время не способствует широкому применению физических методов диагностики НДС.

Следует отметить, что в 2005 г появился ГОСТ РФ «Контроль НДС объектов промышленности и транспорта. Общие требования» [7]. В этом ГОСТе понятие НК напряжений сведено только к НК ЗКН.

Рассмотрим магнитные методы НК напряжений. Отметим, что несмотря на высокую чувствительность магнитных параметров к изменению напряжений, имеются тем не менее причины возникновения неопределенности оценки напряжений по изменению магнитных параметров. В частности, это относится к макроскопическим магнитным параметрам: коэрцитивной силе, остаточной индукции и магнитной проницаемости.

Получение достоверной информации о величине и форме контролируемых дефектов различных металлических изделий возможно только при условии значительного снижения влияющего воздействия помех на процесс измерения. Анализируя уровень помехоустойчи-вости электромагнитных дефектоскопов, находящихся в эксплуатации, можно сделать вывод о существовании проблем, связанных с указанным показателем, нерешенным и на сегод-няшний день.

Явление изменения намагниченности ферромагнитных изделий (сталь, чугун, сплавы) под действием температурно-силовых нагрузок широко используется в технике измерений и контроля. Однако при неразрушающей поточном контроле магнитоупругий эффект и механострикция вносят помехи в сигнал преобразователя дефектоскопа. По амплитуде и длительности сигнал помехи при ударных нагрузках и упруго-пластических деформациях, контролируемого изделия может быть сопоставим и даже превосходить полезный сигнал от дефекта. В результате регистрация преобразователем дефектоскопа сигнала помехи приводит к перебраковке годных изделий.

Одна из причин – влияние явления магнитоупругого гистерезиса и зависимости измеряемых магнитных параметров от микроструктуры остаточной пластической деформации, скрывающих влияние напряжений.

Это дает основание считать, что магнитные методы могут быть на практике использо-ваны для НК одноосного НДС при соблюдении определенных технологических процедур калибровки и отстройки от мешающих факторов.

Отметим, что неопределенность контроля напряжений сильно возрастает при двухосном НДС.

На основании всего вышеизложенного можно сделать вывод, что количественная оценка НДС современными неразрушающими методами, в основном магнитоакустичес-кими, относятся к задачам с большой неопределенностью из-за зависимости измеряемых магнитных параметров от микроструктуры, остаточный пластической деформации и т.д. Таким образом данные методы не позволяют быстро, надежно и точно отображать картину распределения напряжений в элементах оборудования и конструкциях.

Достоверность количественной оценки НДС можно существенно повысить, применяя метод тензометрирования.

Неразрушающий контроль НДС методом тензометрирования

Неразрушающий контроль является по своей сути оценкой надежности и определения ресурсных характеристик оборудования неразрушающими методами или проверкой без разрушения изделия. Неразрушающий контроль (НК) особенно важен при создании и эксплуатации жизненно важных изделий, машин и конструкций.

Многие виды неразрушающего контроля имеют широкое распространение в мире. Среди них можно отметить следующие: радиографический; ультразвуковой; радиоскопический; магнитный (магнитопорошковый, магнитографический, магнитоферрозондовый, индукцион-ный, магнитодинамический); вихретоковый; стилоскопирование; измерение твердости; конт-роль напряженно-деформированного состояния конструкций, изделий и сварных соедине-ний.

В настоящей работе будет  рассмотрен последний вид неразрушающего контроля, в частности НК на основе метода тензометрирования. Метод тензометрирования широко используется в современной технике. В бывшем СССР он начал свое применение с определения напряженно-деформированного состояния винтов самолетов, а позже широко использовался в автомобилестроении.

Особенно важное значение приобретает неразрушающий контроль в ядерной энергетике. Так, в ряде случаев центробежные насосы ядерной энергетики, работают в специфических условиях. Так, например, главный циркуляционный насос типа ГЦН-195М обеспечивающий циркуляцию теплоносителя через реактор ВВЭР-1000 и передачу тепла в парогенератор, работает при температуре теплоносителя Т = 350⁰С, то есть в условиях высоко-температур-ного нагрева. В этих условиях необходимо учитывать изменение физико-механических характеристик материала элементов рабочих колес от температуры: E(T) = E(x, y, z); α(T) = α(x, y, z).

Вполне очевидно, что неразрушающий контроль главных циркуляционных насосов типа ГЦН-195М должен осуществляться непрерывно.

Важной особенностью методики является использование специальных вращающихся токосъемников, передающих деформации и напряжения с вращающихся элементов машин и механизмов.

Методика и результаты неразрущающего контроля напряженно-деформированного состояния рабочих колес (лопаток и дисков) радиальных и осевых турбомашин: нагне-тателей, компрессоров, насосов, вентиляторов приводится в [8].

В данной методике одним из основных элементов является токосъемник. Отметим, что связь между датчиками, установленными на вращающемся колесе, и аппаратурой осу-ществляется посредством контактных или индукционных токосъемников. В исследованиях применялись ртутно-амальгамированный токосъемник  торцевого  типа  и индукционный  токосъемник  НАМИ.  Следует отметить, что индукционный токосъемник, работа которого основана на принципе индуктивной связи, более стабилен и точен в показаниях.

Экспериментальные исследования и критерий экстремальных значений НДС

Исследуем  напряженно-деформированное  состояние  рабочих  лопаток  радиального

нагнетателя при следующих его параметрах. Для рабочего колеса: R₁ = 290 мм; R₂ = 400 мм;

n = 1500 мм; z = 12 – число лопаток. Для лопатки: l =  = 200 мм; h = 3 мм; R = 500 мм; = 0,314 рад; = 0. Материал лопатки Ст-20.

Следует отметить, что в методе тензометрирования измеренные величины напряже-ний не превосходит предел текучести материала [σ_Т].

Следует подчеркнуть, что к методу тензометрирования примыкает и метод термометри-рования вращающихся деталей, когда через термопары осуществляется измерение темпера-турных полей.

Выводы

1. Для более точного получения картины напряженно-деформированного состояния вращающихся машин и механизмов используются разрушающий и неразрушающий контроль.
2. Предлагается для НК НДС использовать метод тензометрирования
3. При исследованиях важное значение имеет критерий экстремальных значений НДС. В качестве такого критерия предлагаются использовать критерий НДС, введенный в работе [8].

 

PROBE OF THE IS INTENSE-DEFORMED CONDITION OF THE EQUIPMENT OF POWER UNITS AND CONSTRUCTIONS OF THE ATOMIC POWER STATION ON THE BASIS OF DESTROYING AND THE NONDESTRUCTIVE EXAMINATIO

E.N.Sychov, V.A.Puhly

Questions of the destroying and not destroying control of the stressed-strained state of the equipment of power units and designs of the atomic power station for more exact reception of a picture of the VAT are considered. At research the criterion of extreme values of the stressed-strained state, before entered by professor V.A.Puhly is used.

 Список использованных источников

1. Пухлий В.А., Смирнов С.Б., Наземцев А.П. Методы неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния оборудования энергоблоков и конструкций АЭС. – Тезисы доклада на 17-й международной научно-технической конференции «Электромагнитные и акустические методы неразрушающего контроля материалов и изделий. – Леотест-2012» – Славское, 2012, с.122-127.
2. Смирнов С.Б., Пухлий В.А., Чарыков С.Н. Вибронадежность оборудования энергоблоков АЭС при воздействии вибрационных и ударных нагрузок. – В сб.: Научные труды СНУЯЭиП, вып.1(41), 2012, с.52-61.
3. Смирнов С.Б., Пухлий В.А., Чарыков С.Н. Вибронадежность оборудования энергоблоков и конструкций АЭС при переходных режимах и полигармонических процессах. – В сб.: Научные труды СНУЯЭиП, вып.2(42), 2012, с.62-70.
4. Пухлий В.А., Маловик К.Н. Ресурс оборудования реакторов АЭС при воздействии высокотемпературных и радиационных полей. – Техническая диагностика и неразрушающий контроль, №4. Киев, 2011, с. 33-38.
5. Неразрушающий контроль. Справочник в 7-ми томах. Под общ. Ред. В.В.Клюева: – М.: Машиностроение, 2003.
6. Пухлий В.А., Маловик К.Н. Ресурс эксплуатации оборудования реакторов АЭС. – Тезисы Доклада на 16-й международной научно-технической конференции «Электромагнитные и акустические методы неразрушающего контроля материалов и изделий. Леотест, 2011» – Славское, 2011, с.156-160.
7. ГОСТ РФ 52330-2005. Контроль НДС объектов промышленности и транспорта. Общие требования. – 32 с.
8. Пухлий В.А. Научные труды в 4-х томах. Том III. Динамика и прочность радиальных и осевых турбомашин. – Севастополь: Изд-во «Черкасский ЦНТЭИ», 2002, 500 с.
9. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. – М.: Мир, 1965. – 450 с.
10. Заец А.Н. Актуальные вопросы неразрушающего контроля на ОАО «Насосэнергомаш». – материалы 16-й международной научно-технической конференции «Электромагнитные и акустические методы неразрушающего контроля материалов и изделий Леотест-2011». – Славское, 2011, с.213.[schema type=»book» name=»ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГОБЛОКОВ И КОНСТРУКЦИЙ АЭС НА ОСНОВЕ РАЗРУШАЮЩЕГО И НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ» description=»Рассматриваются вопросы разрушающего и неразрушающего контроля НДС оборудования энергобло-ков и конструкций АЭС для более точного получения картины НДС. При исследовании используется критерий экстремальных значений НДС, ранее введенный проф. В.А.Пухлий.» author=»Сычев Е. Н., Пухлий В. А.» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-08″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)» ebook=»yes» ]