Оценка остаточного ресурса рабочих колес гидротурбин с эксплуатационной дефектностью

Описаны основные проблемы эксплуатации гидротурбин, связанные с технологической дефектностью и исчерпанием нормативного ресурса. Сформулированы требования к прогнозированию остаточного ресурса (ОР) рабочих колес (РК) по результатам выполненных обследований и анализа технического состояния, а также — к исходным данным для оценки остаточного ресурса. Приведена авторская классификация применяемых подходов и методик к оценке остаточного ресурса. Установлены основные повреждающие факторы, влияющие на остаточный ресурс рабочих колес, — деформационное старение металла, кавитационные, коррозионные и усталостные повреждения элементов. По результатам проведенного анализа представлены наиболее характерные дефекты РК, которые разделены на три группы — зоны кавитационной эрозии; трещины коррозионно-усталостного происхождения; дефекты сварных швов. Особое внимание уделено выявленным в результате дефектоскопического контроля коррозионно-усталостным трещинам. Показаны механизм образования таких трещин, их наиболее вероятное расположение в зонах РК, приведены статистические данные о количестве трещин с начала эксплуатации и на момент остановочных ремонтов. По статистическим данным определены основные статистические параметры выборки и параметры распределений размеров трещин, в том числе — законы распределения. Для параметра длины трещин установлен экспоненциальный закон распределения, для ширины раскрытия трещин — логнормальный. Выявленные трещины — разнонаправленные, расположены в поверхностном, подповерхностном или внутреннем слое металла, возникают из эксплуатационных дефектов (язв, кратеров, подрезов или отслоений) и растут во время эксплуатации агрегатов турбины. Представлены также расчетные схемы элементов с трещинами, использованные для количественных оценок ресурсов по критериям механики разрушения. Выполнены расчеты на статическую и динамическую трещиностойкость, результаты приведены в виде зависимости коэффициентов интенсивности напряжений от размеров трещин. Определены уровни суммарных накопленных повреждений РК, значений остаточного ресурса на стадиях возникновения и развития трещин для 11 гидроагрегатов в циклах «пуск-останов» и «рабочий». Основной вывод заключается в том, что общий уровень наработки рабочих колес гидротурбины существенно превышает нормативно установленные сроки эксплуатации, при этом остаточный ресурс оказывается недостаточным для дальнейшего периода длительной эксплуатации.

1. Махутов Н. А. Актуальные проблемы безопасности критически и стратегически важных объектов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 1. С. 5 – 9. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-1-1-05-09

2. Георгиевская Е. В. Ресурс гидротурбин — гарантия надежности и безопасности эксплуатации ГЭС. Аналитический обзор литературы. — LAP LAMBERT Academic Publishing, 2018. — 164 с.

3. Матвиенко Ю. Г., Резников Д. О., Кузьмин Д. А., Потапов В. В. Оценка вероятности усталостного разрушения конструкционных элементов с учетом разброса начальных размеров трещин при детерминированном и случайном характерах нагружения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 10. С. 44 – 53. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-10-44-53

4. Махутов Н. А., Гаденин М. М., Чернявский О. Ф., Чернявский А. О. Механические свойства материалов в расчетах малоциклового деформирования конструкций / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 6. С. 52 – 59. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-6-52-59

5. 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. C. 19 – 27.

6. 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.

7. Разрушение гидроагрегата № 2 Саяно-Шушенской ГЭС: причины и уроки: сборник материалов. В 3-х т. — М.: Гидроэнергетика России, 2013. Т. 1. — 480 с.; Т. 2. — 496 с.; Т. 3. — 408 с.

8. Петреня Ю. К., Судаков А. В. Прочность и ресурс энергооборудования / Труды НПО ЦКТИ. Вып. 291. — СПб.: НПО ЦКТИ, 2002. — 306 с.

9. 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.

10. Смелков Л. Л., Гаврилов С. Н., Левина С. М. и др. Оценка остаточного ресурса и вероятности безотказной работы гидроагрегата №1 Иркутской ГЭС / Гидротехническое строительство. 2009. № 9. С. 21 – 26.

11. Ржаницын А. Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. — М.: Стройиздат, 1978. — 239 с.

12. Лепихин А. М., Махутов Н. А., Москвичев В. В., Черняев А. П. Вероятностный риск-анализ конструкций технических систем. — Новосибирск: Наука, 2003. — 174 с.

13. Пат. RU 2 721 514 С1 Российская Федерация, МПК G 05 В 23/00. Способ оценки остаточного ресурса рабочего колеса гидротурбины на запроектных условиях эксплуатации / Георгиевская Е. В., Георгиевский Н. В.; заявитель и патентообладатель Георгиевская Е. В. — № 2019111714; заявл. 17.04.2019; опубл. 19.05.2020.

14. Ковчик С. Е., Морозов Е. М. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие в 4-х т. / Под общ. ред. В. В. Панасюка. Т. 3. Характеристики кратковременной трещиностойкости материалов и методы их определения. — Киев: Наукова думка, 1988. — 434 с.

15. Романив О. Н., Ярема С. Я., Никифорчин Г. Н. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие в 4-x т. / Под общ. ред. В. В. Панасюка. Т. 4. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов. — Киев: Наукова думка, 1990. — 679 с.

16. Москвичев В. В., Махутов Н. А., Шокин Ю. И., Лепихин А. М. Прикладные задачи конструкционной прочности и механики разрушения технических систем. — Новосибирск: Наука, 2021. — 796 с.

17. Матвиенко Ю. Г. Модели и критерии механики разрушения. — М.: Физматлит, 2006. — 328 с.

18. Anderson T. L. Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications. — Boca Raton: CRC Press, 1991. — 793 p.

19. Egusquiza E., Valero C., Xingxing H., Jou E., Guardo A., Rodriguez C. Failure investigation of a large pump-turbine runner / Engineering Failure Analysis. 2012. Vol. 23. P. 27 – 34.

20. Сивков В. Г. Проблемы трещинообразования в лопастях рабочих колес гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС / Гидротехническое строительство. 2003. № 11. С. 51 – 52.

21. Габайдулин Д. Ю., Гречнева М. В. Возможности восстановления лопастей гидротурбин, поврежденных кавитацией / Вестник ИрГТУ. 2012. № 12. С. 40 – 43.

22. Мураками Ю. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2-х томах. Т. 2 / Пер. с англ. — М.: Мир, 1990. — 1016 с.

23. Лукинский В. С., Котиков Ю. Г., Зайцев Е. И. Долговечность деталей шасси автомобиля. — Л.: Машиностроение, 1984. — 231 с.

24. Иванченко И. П., Прокопенко А. Н. Анализ эксплуатационных материалов по образованию трещин на лопастях радиально-осевых гидротурбин Красноярской ГЭС / Гидротехническое строительство. 2019. ¹ 10. С. 6 – 18.