Оценка структурно-механической неоднородности материала рабочих колес гидротурбин по результатам измерений твердости

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.

1. Брызгалов 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.

2. 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.

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

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

5. Соколкин Ю. В., Ташкинов А. А. Механика деформирования и разрушения структурно-неоднородных тел. — М.: Наука, 1984. — 116 с.

6. 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.

7. 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.2023.34.14.023

8. Грановский С. А., Малышев В. М., Орго В. М., Смоляров Л. Г. Конструкции и расчет гидротурбин. — Л.: Машиностроение, 1974. — 408 с.

9. 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: 10.21285/1814-3520-2020-5-1007-1018

10. Волкова 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: 10.18577/2307-6046-2018-0-5-24-33

11. 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.2023.34.14.023

12. Анискович 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.

13. Орлов А. И. О требованиях к статистическим методам анализа данных (обобщающая статья) / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 11. С. 98 – 106. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-11-98-106

14. Снегирев С. Г. Статистический анализ и использование взаимосвязей между физико-механическими свойствами сталей и чугунов. — Минск: Беларуская навука, 2021. — 145 с.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Георгиевская Е. В. Ресурс гидротурбин — гарантия надежности и безопасности эксплуатации ГЭС. Аналитический обзор литературы. — LAP Lambert Academic Publishing, 2018. — 157 с.

19. Марковец М. П. Определение механических свойств металлов по твердости. — М.: Машиностроение, 1979. — 191 с.

20. Барышев Е. Е. Механические свойства материалов: Учебное электронное текстовое пособие. — Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008.

21. Несущая способность и безопасность металлокомпозитных баков космических аппаратов / Под ред. В. В. Москвичева, Н. А. Тестоедова. — Новосибирск: Наука, 2021. — 440 с. DOI: 10.7868/978-5-02-041474-7

22. Анискович 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: 10.26896/1028-6861-2023-89-6-62-75

23. Москвичев 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: 10.7868/978-5-02-038832-1

24. Георгиевская 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.2023.48.85.009

25. Махутов 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: 10.26896/1028-6861-2023-89-10-55-62