zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2025-91-8-65-74zldm-2577Research ArticleМЕХАНИКА МАТЕРИАЛА: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬMATERIALS MECHANICS: STRENGTH, DURABILITY, SAFETYОценка структурно-механической неоднородности материала рабочих колес гидротурбин по результатам измерений твердостиAssessment of structural and mechanical heterogeneity of the material of turbine runners based on the results of hardness measurementsАнисковичЕ. В.AniskovichE. V.

Евгений Валериевич Анискович

660049, Красноярск, просп. Мира, д. 53

Evgeniy V. Aniskovich

53, prosp. Mira, Krasnoyarsk, 660049

МосквичевВ. В.MoskvichevV V.

Владимир Викторович Москвичев

660049, Красноярск, Свободный просп., д. 79

Vladimir V. Moskvichev

53, prosp. Mira, Krasnoyarsk, 660049

79, Svobodny prosp., Krasnoyarsk, 660041

krasn@ict.nsc.ruФедеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий (Красноярский филиал)РоссияFederal research center for Information and Computational Technologies (Krasnoyarsk Branch)Russian FederationФедеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий (Красноярский филиал); Сибирский федеральный университетРоссияFederal research center for Information and Computational Technologies (Krasnoyarsk Branch); Siberian Federal UniversityRussian Federation2025310820259186574Copyright © Анискович Е.В., Москвичев В.В., 20252025Анискович Е.В., Москвичев В.В.Aniskovich E.V., Moskvichev V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2577

Исследованы структурная неоднородность и характеристики механических свойств материала рабочих колес гидроагрегатов гидроэлектростанций с эксплуатационной дефектностью. Отмечены конструктивные особенности колес гидроагрегатов, приведена структура металла. Химический состав стали определен методом лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии с помощью портативного лазерного стилоскопа. Механические свойства получены по результатам испытаний образцов на статическое растяжение на разрывной машине. Такие характеристики, как работа удара и ударная вязкость, найдены по результатам испытаний образов с U-образным концентратором на ударный изгиб на маятниковом копре в диапазоне температур от +20 до –30 °C. Проведены также испытания образов на трещиностойкость на испытательной машине. Образцы для всех испытаний были вырезаны из фрагмента лопасти рабочего колеса. Значения твердости металла получены с помочью динамического переносного твердомера методом измерения твердости по Бринеллю на четырех лопастях с ненапорной стороны в зонах кавитационных повреждений. Описаны основные проблемы эксплуатации гидротурбин, связанные с кавитационными повреждениями металла. Лопасти рабочих колес условно разделены на зоны по степени наличия кавитационных повреждений. По результатам замеров твердости по Бринеллю рассчитаны характеристики механических свойств — предел текучести и временное сопротивление. Проведена статистическая обработка полученных значений, построены гистограммы распределений и установлен характерный закон распределения случайной величины, найдены коэффициенты неоднородности и построены графики статистических распределений значений механических свойств.

The article presents an assessment of the structural heterogeneity and mechanical properties of the turbine runners of hydroelectric power plants in the presence of operational defects based on the hardness measurements. The article presents the design features and structure of the turbine runner’s metal. The chemical composition of the steel was determined by laser spark emission spectrometry using a portable laser steeloscope. The mechanical properties were determined based on the static tension testing of the samples using an tensile testing machine. The impact work and impact toughness characteristics were obtained based on the impact bending testing of samples with a U-shaped concentrator using a pendulum impact test machine in the temperature range from +20 to –30°C. The crack resistance characteristics were obtained based on the crack resistance testing of samples using a testing machine. The samples for all tests were cut from a fragment of the turbine runner’s blade. The metal hardness values were obtained using the dynamic portable hardness tester by measuring the Brinell hardness on four blades from the non-pressure side in the areas of cavitation damage. The main problems of hydraulic turbine operation associated with cavitation damage to the metal are described. The division of the turbine runner’s blades into zones according to the degree of cavitation damage is shown. Based on the results of Brinell hardness measurements, the characteristics of mechanical properties — the yield strength and tensile strength — were calculated. Based on their values, statistical processing was made and histograms of distributions were constructed with the determination of the characteristic law of distribution of a random variable, the heterogeneity coefficients were determined and graphs of the statistical distributions of the values of the characteristics of mechanical properties were constructed.

рабочие колеса гидроагрегатовхарактеристики механических свойств и трещиностойкостикавитационные поврежденияизмерения твердости по Бринеллюстатистический анализкоэффициенты неоднородностиостаточный ресурс лопастей рабочих колесturbine runnerscharacteristics of mechanical properties and crack resistancecavitation damageBrinell hardness measurementsstatistical analysisheterogeneity coefficientsresidual life of turbine runnersReferencesБрызгалов В. И., Клюкач А. А. Состояние рабочих колес гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС и основные направления по поддержанию их работоспособности / Гидротехническое строительство. 2000. № 1. С. 26 – 29.Bryzgalov V. I., Klyukach A. A. Condition of the impellers of the Sayano-Shushenskaya HPP hydroelectric units and the main directions for maintaining their operability / Gidrotekhn. Stroit. 2000. No. 1. P. 26 – 29 [in Russian].Анискович Е. В., Москвичев В. В., Черняев А. П. Анализ результатов диагностирования рабочих колес гидротурбин Красноярской ГЭС при длительных сроках эксплуатации / Гидротехническое строительство. 2019. № 10. С. 19 – 27.Aniskovich E. V., Moskvichev V. V., Chernyaev A. P. Analysis of the results of diagnostics the turbine runners of the Krasnoyarsk hydroelectric station with long operation life / Gidrotekhn. Stroit. 2019. No. 10. P. 19 – 27 [in Russian].Сивков В. Г. Проблемы трещинообразования в лопастях рабочих колес гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС / Гидротехническое строительство. 2003. № 11. С. 51 – 52.Sivkov V. G. Problems of crack formation in the blades of the impellers of the Sayano-Shushenskaya HPP hydroelectric units / Gidrotekhn. Stroit. 2003. No. 11. P. 51 – 52 [in Russian].Габайдулин Д. Ю., Гречнева М. В. Возможности восстановления лопастей гидротурбин, поврежденных кавитацией / Вестник ИрГТУ. 2012. № 12. С. 40 – 43.Gabaydulin D. Yu., Grechneva M. V. Resources to repaire hydroturbine blades affected by cavitation / Vestn. IrGTU. 2012. No. 12. P. 40 – 43 [in Russian].Соколкин Ю. В., Ташкинов А. А. Механика деформирования и разрушения структурно-неоднородных тел. — М.: Наука, 1984. — 116 с.Sokolkin Yu. V., Tashkinov A. A. Mechanics of Deformation and Fracture of Structurally Heterogeneous Bodies. — Moscow: Nauka, 1984. — 116 p. [in Russian].Романов А. Н. Проблемы материаловедения в механике деформирования и разрушения на стадии образования трещин (часть 2). Структурная и деформационная неоднородность конструкционных материалов и рассредоточенное трещинообразование / Вестник научно-технического развития. 2014. Т. 77. № 1. С. 37 – 54.Romanov A. N. Problems of materials science in mechanics of deformation and fracture at the stage of crack formation (Part 2). Structural and deformation heterogeneity of structural materials and dispersed crack formation / Vestn. Nauch.-Tekhn. Razv. 2014. Vol. 77. No. 1. P. 37 – 54 [in Russian].Анискович Е. В. Комплексный подход к оценке неоднородности механических свойств в металле элементов нагруженных конструкций / VIII Всероссийская конференция с международным участием «Безопасность и мониторинг природных и техногенных систем». — Новосибирск: ФИЦ ИВТ, 2023. С. 102 – 108. DOI: 10.25743/ssts.2023.34.14.023Aniskovich E. V. An integrated approach to assessing the heterogeneity of mechanical properties in the metal of elements of loaded structures / VIII All-Russian Conference with international participation «Safety and monitoring of natural and man-made systems». — Novosibirsk: FRC IVT, 2023. P. 102 – 108 [in Russian]. DOI: 10.25743/ssts.2023.34.14.023Грановский С. А., Малышев В. М., Орго В. М., Смоляров Л. Г. Конструкции и расчет гидротурбин. — Л.: Машиностроение, 1974. — 408 с.Granovsky S. A., Malyshev V. M., Orgo V. M., Smolyarov L. G. Designs and calculation of hydraulic turbines. — Leningrad: Mashinostroenie, 1974. — 408 p. [in Russian].Осипок Т. В., Зайдес С. А. Оценка анизотропии механических свойств листового проката из углеродистой стали / Вестник ИрГТУ. 2020. Т. 24. № 5. С. 1007 – 1018. DOI: 10.21285/1814-3520-2020-5-1007-1018Osipok T. V., Zaides S. A. Evaluation of anisotropy of mechanical properties of carbon steel flat products / Vestn. IrGTU. 2020. Vol. 24. No. 5. P. 1007 – 1018 [in Russian]. DOI: 10.21285/1814-3520-2020-5-1007-1018Волкова Е. Ф., Мостяев И. В., Акинина М. В. Сравнительный анализ анизотропии механических свойств и микроструктуры деформированных полуфабрикатов из высокопрочных магниевых сплавов c РЗЭ / Труды ВИАМ. 2018. № 5. С. 24 – 32. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-5-24-33Volkova E. F., Mostyaev I. V., Akinina M. V. Comparative analysis of mechanical properties anisotropy and microstructure of semi-finished products from high-strength magnesium alloys with REE / Tr. VIAM. 2018. No. 5. P. 24 – 32 [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-5-24-33Анискович Е. В. Комплексный подход к оценке неоднородности механических свойств в металле элементов нагруженных конструкций / VIII Всероссийская конференция с международным участием «Безопасность и мониторинг природных и техногенных систем». — Новосибирск: ФИЦ ИВТ, 2023. С. 102 – 108. DOI: 10.25743/ssts.2023.34.14.023Aniskovich E. V. Integrated approach to assessing the heterogeneity of mechanical properties in the metal of elements of loaded structures / VIII All-Russian Conference with International Participation «Safety and Monitoring of Natural and Man-Made Systems». — Novosibirsk: FRC IVT, 2023. P. 102 – 108 [in Russian]. DOI: 10.25743/ssts.2023.34.14.023Анискович Е. В., Москвичев В. В. Исследование характеристик трещиностойкости металла в зонах неоднородности случайно распределенных механических свойств / Научные труды 6-й Международной научно-технической конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение» (ЖивКоМ-2022) / Под ред. А. Н. Романова. — М.: ИМАШ РАН, 2022. С. 25 – 30.Aniskovich E. V., Moskvichev V. V. Study of the characteristics of crack resistance of metal in zones of heterogeneity of randomly distributed mechanical properties / Scientific works of the 6th International Scientific and Technical Conference «Durability and Structural Materials Science» (ZhivKom-2022) / A. N. Romanov, Ed. — Moscow: IMASh RAS, 2022. P. 25 – 30 [in Russian].Орлов А. И. О требованиях к статистическим методам анализа данных (обобщающая статья) / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 11. С. 98 – 106. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-11-98-106Orlov A. I. On the requirements for statistical methods of data analysis (generalizing article) / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 11. P. 98 – 106 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-11-98-106Снегирев С. Г. Статистический анализ и использование взаимосвязей между физико-механическими свойствами сталей и чугунов. — Минск: Беларуская навука, 2021. — 145 с.Snegirev S. G. Statistical analysis and use of relationships between the physical and mechanical properties of steels and cast irons. — Minsk: Belarusian Science, 2021. — 145 p. [in Russian].Михайлов В. Е., Хоменок Л. А., Судаков А. В., Обухов С. Г. К вопросу комплексного диагностирования и экспертизы состояния оборудования ТЭС и ГЭС / Надежность и безопасность энергетики. 2010. № 2. С. 9 – 14.Mikhailov V. E., Khomenok L. A., Sudakov A. V., Obukhov S. G. On the issue of comprehensive diagnostics and examination of the condition of thermal power plants and hydroelectric power plants equipment / Reliability Safety Energy. 2010. No. 2. P. 9 – 14 [in Russian].Иванченко И. П., Прокопенко А. Н. Анализ эксплуатационных материалов по образованию трещин на лопастях радиально-осевых гидротурбин Красноярской ГЭС / Гидротехническое строительство. 2019. № 10. С. 6 – 18.Ivanchenko I. P., Prokopenko A. N. Analysis operational materials about educational cracks on radial axial water turbine blades Krasnoyarsk hydropower station / Gidrotekhn. Stroit. 2019. No. 10. P. 6 – 18 [in Russian].Анискович Е. В., Москвичев В. В., Махутов Н. А. и др. Оценка остаточных напряжений в лопастях рабочих колес гидроагрегатов / Гидротехническое строительство. 2018. № 11. С. 178 – 184.Aniskovich E. V., Moskvichev V. V., Makhutov N. A., et al. Evaluation of residual stresses in the blades of the impellers of hydraulic units / Gidrotekhn. Stroit. 2018. No. 11. P. 178 – 184 [in Russian].Георгиевская Е. В. Ресурс гидротурбин — гарантия надежности и безопасности эксплуатации ГЭС. Аналитический обзор литературы. — LAP Lambert Academic Publishing, 2018. — 157 с.Georgievskaya E. V. Hydroturbine lifespan — a guarantee of reliability and safety of hydroelectric power station operation. Analytical literature review. — LAP Lambert Academic Publishing, 2018. — 157 p. [in Russian].Марковец М. П. Определение механических свойств металлов по твердости. — М.: Машиностроение, 1979. — 191 с.Markovets M. P. Determination of mechanical properties of metals by hardness. — Moscow: Mashinostroenie, 1979. — 191 p. [in Russian].Барышев Е. Е. Механические свойства материалов: Учебное электронное текстовое пособие. — Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008.Baryshev E. E. Mechanical properties of materials. Educational electronic textbook. — Yekaterinburg: USTU-UPI, 2008 [in Russian].Несущая способность и безопасность металлокомпозитных баков космических аппаратов / Под ред. В. В. Москвичева, Н. А. Тестоедова. — Новосибирск: Наука, 2021. — 440 с. DOI: 10.7868/978-5-02-041474-7Bearing capacity and safety of metal-composite tanks of spacecraft / V. V. Moskvichev, N. A. Testoyedov, Eds. — Novosibirsk: Nauka, 2021. — 440 p. [in Russian]. DOI: 10.7868/978-5-02-041474-7Анискович Е. В., Москвичев В. В., Черняев А. П. Оценка остаточного ресурса рабочих колес гидротурбин с эксплуатационной дефектностью / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 6. С. 62 – 75. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-6-62-75Aniskovich E. V., Moskvichev V. V., Chernyaev A. P. Assessment of the residual life of turbine runners with operational defectiveness / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 6. P. 62 – 75 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-6-62-75Москвичев В. В., Махутов Н. А., Шокин Ю. И. и др. Прикладные задачи конструкционной прочности и механики разрушения технических систем. — Новосибирск: Наука, 2021. — 796 с. DOI: 10.7868/978-5-02-038832-1Moskvichev V. V., Makhutov N. A., Shokin Yu. I., et al. Applied problems of structural strength and fracture mechanics of technical systems. – Novosibirsk: Nauka, 2021. — 796 p. [in Russian]. DOI: 10.7868/978-5-02-038832-1Георгиевская Е. В. Методические основы прогнозирования ресурса гидротурбин в условиях длительной фактической эксплуатации / VIII Всероссийская конференция с международным участием «Безопасность и мониторинг природных и техногенных систем». — Новосибирск: ФИЦ ИВТ, 2023. С. 46 – 51. DOI: 10.25743/43/ssts.2023.48.85.009Georgievskaya E. V. Methodological foundations for predicting the resource of hydraulic turbines under long-term actual operation conditions / VIII All-Russian Conference with International Participation «Safety and Monitoring of Natural and Man-Made Systems». — Novosibirsk: FRC IVT, 2023. P. 46 – 51 [in Russian]. DOI: 10.25743/43/ssts.2023.48.85.009Махутов Н. А., Гаденин М. М., Юдина О. Н. Анализ циклической прочности технических систем при сложных режимах эксплуатационного нагружения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. ¹ 10. С. 55 – 62. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-10-55-62Makhutov N. A., Gadenin M. M., Yudina O. N. Analysis of the cyclic strength of technical systems in conditions of complex operation loading / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 10. P. 55 – 62 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-10-55-62

The authors declare that there are no conflicts of interest present.