способ магнитной диагностики лопаток турбомашин из легированных сталей

Формула изобретения

1. Способ магнитной диагностики лопаток турбомашин из легированных сталей, включающий определение структуры остаточного магнитного поля детали, возникшей в результате естественного эксплуатационного намагничивания, сравнения ее с эталонными образцами и определение локальных зон с аномальным магнитным полем, соответствующим формируемым и/или сформированным зонам разрушения, дополнительную оценку параметров магнитного поля в аномальных зонах и определение степени деградации материала лопатки в аномальных зонах путем сравнения измеренных параметров с параметрами эталонов, отличающийся тем, что о степени деградации материала (D_i) лопатки в зонах с аномальным магнитным полем судят по разности ( M_i) двух максимальных пиковых значений магнитных параметров (M'_i, М _i), измеренных в пределах каждой из этих зон на одной линии измерения в направлении (L_i), пересекающем оцениваемую аномальную зону (i), согласно выражения:

D_i=K( M_i)=K(M'_i-M _i);

где i - номер аномальной зоны (i=от 0 до n);

n - количество аномальных зон;

К - коэффициент (функциональная зависимость), связывающий выбранный магнитный параметр с состоянием (деградацией) материала лопатки.

2. Способ магнитной диагностики по п.1, отличающийся тем, что о состоянии лопатки (D_лоп) судят по разности ( M^D) двух максимальных значений величин M^max, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями M^max:

D_лоп=К_л M^D=К_л( M₁ ^max- M₂ ^max);

где D_лоп - состояние материла в зоне с максимальной деградацией материала лопатки;

M₁ ^max, M₂ ^max - два самых максимальных значения двух разностей максимальных пиковых значений магнитных параметров, измеренных в двух различных зонах 1 и 2 (где 1 - индекс зоны с самым максимальным значением величины M₁ ^max, 2 - индекс зоны со вторым по величине максимальным значением величины M₂ ^max) с аномальным магнитным полем;

M^D - разность двух максимальных значений величин M^max, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями M^max.

3. Способ магнитной диагностики по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что линию измерения магнитных параметров берут в направлении нормали к линии аномальной зоны.

4. Способ магнитной диагностики по п.1, отличающийся тем, что об увеличении степени максимальной деградации материала судят по увеличению значения M^D.

5. Способ магнитной диагностики по любому из пп.1 и 2, 4, отличающийся тем, что в качестве параметров магнитного поля в аномальных зонах используют нормальные составляющие Н_р напряженности магнитного поля на поверхности пера лопатки.

6. Способ магнитной диагностики по любому из пп.1 и 2, 4, отличающийся тем, что в качестве параметров магнитного поля в аномальных зонах используют градиенты величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля на поверхности пера лопатки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю изделий магнитным методом и может быть использовано при выявлении дефектов на деталях, эксплуатирующихся в условиях воздействия значительных механических, в том числе знакопеременных нагрузок, например лопаток турбомашин энергетических или газоперекачивающих установок, а также газотурбинных двигателей.

Направляющие и рабочие лопатки турбин ГТД и ГТУ в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, высоких температур, а также коррозионному и эрозионному разрушению.

В этой связи для своевременного ремонта турбомашин и предотвращения аварийных ситуаций необходимы неразрушающие экспресс-методы контроля и диагностики лопаток, учитывающие влияние эксплуатационных факторов на изменение состояния материала лопатки. Известен способ магнитного контроля [П.А.Халилеев. Феррозондовые датчики импедансного типа // Дефектоскопия, 1976, № 1, с.70-71], который заключается в том, что феррозондовый датчик перемещают по контролируемому объекту. При этом датчиком регистрируется тангенциальная составляющая поля, по амплитудному значению сигнала этой составляющей и среднему значению фона определяют приращение поля и наличие дефекта. Подобные способы магнитной дефектоскопии приведены в источниках: [Шелихов Г.С. Магнитопорошковая дефектоскопия деталей и узлов. - М.: Государственное предприятие Научно-технический центр "Эксперт", 1995,]; [ГОСТ 21105-85. Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод].

Известны способы магнитной диагностики изделия по магнитным полям, включающие определение структуры магнитного поля детали, сравнение ее с эталонными образцами и определение локальных зон с аномальным магнитным полем, соответствующих формируемым и/или сформированным зонам разрушения [А.С. № 1255911, МПК G01N 27/82, Способ магнитографического контроля изделий из ферромагнитных материалов], [Хватов Л.А., Лисицин В.И., Красин А.И., Жукова Г.А. Распознавание дефектов при магнитоферрозондовом контроле // Дефектоскопия. - 1984. - № 6. - С.63-71].

Недостатком известных способов является их низкая информативность.

Наиболее близким по своей технической сущности, выбранным в качестве прототипа является способ магнитной диагностики изделия по магнитным полям рассеяния, включающий определение структуры остаточного магнитного поля детали, возникшей в результате естественного эксплуатационного намагничивания, и определение локальных зон с аномальным магнитным полем, соответствующим формируемым и/или сформированным зонам разрушения, дополнительную оценку параметров магнитного поля в аномальных зонах и определение степени деградации материала лопатки в аномальных зонах путем сравнения измеренных параметров с параметрами эталонов [Патент РФ № 2029262, МПК G01L 1/12. Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Опубл. 1995 г.] (Подобные способы магнитной дефектоскопии приведены также в источниках: [Патент РФ № 2155943, МПК G01L 1/12. Способ определения напряженно-деформированного состояния изделия из ферромагнитного материала и устройство для осуществления этого способа. Опубл. 2000 г.]; [РСТ WO 99/02982, G01L 1/12, опубл. 1999 г.]).

Прототип за счет использования информации, связанной с остаточным магнитным полем детали, имеющим эксплуатационное происхождение, а также за счет определения локальных зон с аномальным магнитным полем, соответствующим формируемым и/или сформированным зонам разрушения, позволяет, по сравнению с приведенными аналогами, повысить достоверность результатов диагностики. Однако как аналоги, так и прототип не позволяют с достаточной степенью достоверности определить на какой стадии деградации материала или разрушения находится деталь, обратимы или необратимы процессы деградации материала детали при использовании соответствующих методов восстановления структуры и свойств материала до исходного состояния. Поэтому как прототип, так и аналоги способа магнитной дефектоскопии деталей или элементов конструкций из магнитных материалов не обладают достаточной информативностью и не позволяют определить степень и стадии деградации материала лопатки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение информативности и достоверности оценки степени и стадии деградации материала лопатки из легированных сталей.

Технический результат достигается тем, что в способе магнитной диагностики лопаток турбомашин из легированных сталей, включающем определение структуры остаточного магнитного поля детали, возникшей в результате естественного эксплуатационного намагничивания, сравнение ее с эталонными образцами и определение локальных зон с аномальным магнитным полем, соответствующим формируемым и/или сформированным зонам разрушения, дополнительную оценку параметров магнитного поля в аномальных зонах и определение степени деградации материала лопатки в аномальных зонах путем сравнения измеренных параметров с параметрами эталонов, в отличие от прототипа, о степени деградации материала (D_i) лопатки в зонах с аномальным магнитным полем судят по разности ( M_i) двух максимальных пиковых значений магнитных параметров (M'_i, M''_i,), измеренных в пределах каждой из этих зон на одной линии измерения в направлении (L_i), пересекающем оцениваемую аномальную зону (i), согласно выражению:

D_i=K( M_i)=K(M'_i-M''_i );

где i - номер аномальной зоны (i = от 0 до n);

n - количество аномальных зон;

К - коэффициент (функциональная зависимость), связывающий выбранный магнитный параметр с состоянием (деградацией) материала лопатки.

Технический результат достигается также тем, что в способе магнитной диагностики лопаток турбомашин из легированных сталей о состоянии лопатки (D_лоп) судят по разности ( M^D) двух максимальных значений величин M^max, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями M^max:

D_лоп=К M^D=К( M₁ ^max- M₂ ^max);

где D_лоп - зона с максимальной деградацией материала лопатки;

M₁ ^max, M₂ ^max - два самых максимальных значения двух разностей максимальных пиковых значений магнитных параметров, измеренных в двух различных зонах 1 и 2 (где: 1 - индекс зоны с самым максимальным значением величины M₁ ^max, 2 - индекс зоны со вторым по величине максимальным значением величины M₂ ^max) с аномальным магнитным полем;

M^D - разность двух максимальных значений величин M^max, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями M^max.

Технический результат достигается также тем, что в способе магнитной диагностики лопаток турбомашин из легированных сталей линию измерения магнитных параметров берут в направлении нормали к линии аномальной зоны, а об увеличении степени максимальной деградации материала судят по увеличению значения M^D.

Технический результат достигается также тем, что в способе магнитной диагностики лопаток турбомашин из легированных сталей в качестве параметров магнитного поля в аномальных зонах используют: нормальные составляющие Н _р напряженности магнитного поля на поверхности пера лопатки, градиенты величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля на поверхности пера лопатки.

Определение структуры остаточного магнитного поля детали, возникшей в результате естественного эксплуатационного намагничивания, сравнение ее с эталонными образцами и определение локальных зон с аномальным магнитным полем имеет следующее отличие от того метода, который использован в прототипе. Прототип [Патент РФ № 2029262, МПК G01L 1/12. Способ определения остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Опубл. 1995 г.] достаточно четко позволяет определить формируемое и/или сформированное место разрушения, через определение зоны концентраций напряжений на лопатках турбин, т.е., как это описано в прототипе « с целью обеспечения возможности определения зон концентрации напряжений на лопатках турбин, измеряют нормальную составляющую величины напряженности магнитного поля вдоль входной, выходной кромок и вдоль выпуклой поверхности лопатки, фиксируют точки с нулевыми и максимальными значениями нормальной составляющей величины напряженности магнитного поля в указанных зонах лопатки, по точкам с нулевыми значениями нормальной составляющей величины напряженности магнитного поля строят линии на поверхности лопатки и по расположению этих линий и максимальным значениям нормальной составляющей величин магнитной напряженности, измеренных на входной и выходной кромках, определяют зоны концентраций напряжений на лопатках турбин.» Линия с нулевым значением нормальной составляющей величины напряженности магнитного поля характеризует зону концентраций напряжений на лопатке турбины, в которой при циклическом воздействии рабочих нагрузок могут развиваться линии усталости и трещины. В предлагаемом техническом решении определение структуры остаточного магнитного поля детали производится одним из известных методов, позволяющих определить все основные локальные зоны с аномальным магнитным полем, соответствующим формируемым и/или сформированным зонам разрушения (системы потенциальных или развивающихся линии усталости и трещин). При этом каждое из потенциальных мест образования трещин характеризуется изменением состояния материала лопатки, которое отражается изменением магнитных параметров этой зоны. Поведение системы основных локальных зон с аномальным магнитным полем, а также сравнение их характеристик позволяет на ранних стадиях формирования процессов разрушения лопатки получить информацию о степени и стадии деградации материала лопатки из легированных сталей.

Как было установлено авторами, магнитные параметры предполагаемой зоны разрушения характеризуются «эффектом асимметрии». Сущность этого эффекта заключается в том, что значения магнитных параметров (M'_i, M _i) в предполагаемой (или уже проявившейся в виде трещины) зоне разрушения, измеренные по обе стороны от потенциальной зоны образования трещины (несплошности) имеют разные величины, отличающиеся на величину M_i. Причем чем больше значение величины M_i, тем более развиты процессы деградации материала в этой области. С учетом конкретных материалов и условий эксплуатации (учитываемых коэффициентом К) о степени деградации материала (D_i) лопатки судят по величине M_i согласно выражению:

D _i=K( M_i)=K(M'_i-M''_i );

где i - номер аномальной зоны (i = от 0 до n);

n - количество аномальных зон;

К - коэффициент (функциональная зависимость), связывающий выбранный магнитный параметр с состоянием (деградацией) материала лопатки.

Более того, было установлено, что сравнение магнитных параметров, отражающих развитие каждого из элементов системы потенциальных или развивающихся линии усталости и трещин, позволяет определить стадию деградации (разрушения) материала лопатки.

О состоянии лопатки (D_лоп) судят по разности ( M^D) двух максимальных значений величин M^max, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями M^max:

D_лоп=К M^D=К( M₁ ^max- M₂ ^max);

где D_лоп - состояние материла в зоне с максимальной деградацией материала лопатки;

M₁ ^max, M₂ ^max - два самых максимальных значения двух разностей максимальных пиковых значений магнитных параметров, измеренных в двух различных зонах 1 и 2 (где: 1 - индекс зоны с самым максимальным значением величины M₁ ^max, 2 - индекс зоны со вторым по величине максимальным значением величины M₂ ^max) с аномальным магнитным полем;

M^D - разность двух максимальных значений величин M^max, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями M^max.

Например, если значение величины M^D незначительно и в процессе воздействия эксплуатационных нагрузок остается постоянной, то степень деградации материала еще не достигла степени, когда восстановление исходных свойств структуры (методами восстановительного ремонта) становится невозможной. Однако, при заметном увеличении этой величины M^D, возникают необратимые процессы деградации материала лопатки. Поэтому об увеличении степени максимальной деградации материала судят по увеличению значения M^D. С точки зрения продления общего ресурса лопатки, путем увеличения количества циклов восстановления эксплуатационных свойств, важно не допускать пересечения «точки невозврата», т.е. периода эксплуатации лопатки, при превышении которого начинается необратимая деградация материала лопатки. Теоретически указанная «точка невозврата» находится на участке второй фазы широко известного процесса накопления усталостной поврежденности металла. Поэтому для практических целей эксплуатации лопатки целесообразно разделять указанной «точкой невозврата» вторую фазу процесса накопления поврежденности металла на две подфазы, отражающие стадии обратимых и необратимых процессов восстановления исходной структуры материала лопатки.

Для повышения точности и достоверности результатов оценки целесообразно также использование варианта с линией измерения магнитных параметров, взятых в направлении нормали к линии аномальной зоны.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Одним из известных методов производят замер магнитных параметров материала лопатки, определяют общую структуру магнитного поля и его аномальные зоны. Общую структуру магнитного поля оцениваемой лопатки сравнивают с эталонной структурой магнитного поля. Отмечают места расхождения структур магнитных полей исследуемой и эталонной лопатки и, особенно, всплески, характеризующие резкое изменение значений магнитных параметров исследуемой лопатки. Затем, более подробно исследуют обнаруженные на пере лопатки локальные зоны с аномальным магнитным полем. Для этого в качестве параметров магнитного поля в аномальных зонах используют нормальные составляющие Н_р и/или градиенты величин нормальной составляющей Н_р напряженности магнитного поля на поверхности пера лопатки. Снимают картину изменения магнитных параметров в обнаруженных аномальных зонах и оценивают степень деградации материала согласно выражению:

D_i=K( M_i)=K(M'_i-M''_i );

где i - номер аномальной зоны (i = от 0 до n);

n - количество аномальных зон;

К - коэффициент (функциональная зависимость), связывающий выбранный магнитный параметр с состоянием (деградацией) материала лопатки.

Путем сравнения измеренных параметров определяют два максимальных значения величин M^max, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями M^max, и, сопоставляя с эталонами с различными стадиями деградации, определяют состояние материала лопатки в зоне с максимальной деградацией согласно выражению:

D_лоп=К M^D=К( M₁ ^max- M₂ ^max);

где D_лоп - состояние материла в зоне с максимальной деградацией материала лопатки;

M₁ ^max, M₂ ^max - два самых максимальных значения двух разностей максимальных пиковых значений магнитных параметров, измеренных в двух различных зонах 1 и 2 (где: 1 - индекс зоны с самым максимальным значением величины M₁ ^max, 2 - индекс зоны со вторым по величине максимальным значением величины M₂ ^max) с аномальным магнитным полем;

M^D - разность двух максимальных значений величин M^max, взятых из двух аномальных зон с максимальными значениями M^max.

Об увеличении степени максимальной деградации материала судят по увеличению значения M^D, относя область максимальной деградации к зоне с самым максимальным значением величины M₁ ^max, а также сопоставляя и сравнивая со значениями параметров эталонов.

Величина M^D оценивается с эталонными значениями M^D _эi, характеризующими различные стадии деградации материала, при этом рассматриваемая величина M^D сравнивается с эталонной величиной M^D _эк разности двух максимальных значений величин M^max, соответствующей области начала необратимых процессов деградации материала лопатки.

При этом используются эталоны лопаток, выполненные из одного и того же исходного материала, имеющие одинаковые размерные и геометрические параметры. Для оценки зависимости значений магнитных параметров материала от степени его деградации во всем исследуемом диапазоне берут начальный эталонный образец, соответствующий нулевой степени деградации, а конечный эталонный образец - максимально возможной (предельной) степени деградации материала. Для повышения достоверности результатов оценки используют дополнительные промежуточные эталонные образцы с фиксированным значением деградации материала.

Пример реализации способа. Для оценки степени и стадии деградации материала лопаток турбин из легированных сталей были взяты эталонные образцы лопаток из стали 20Х13 с различной степенью деградации материала. Снятие магнитных характеристик производилось с помощью магнитоизмерительного феррозондового комбинированного прибора Ф-205.30А. После получения данных с эталонных образцов производился замер магнитных параметров с лопаток, деградация материала которых была осуществлена в процессе эксплуатации. Для контрольной оценки степени и стадии деградации материала эталонных и контролируемых лопаток были использованы разрушающие методы контроля с приготовлением шлифов и проведением металлографических исследований, включая оценку структурно-фазового и химического составов материалов. В таблице 1 приведены магнитные параметры эталонных лопаток, соответствующих соответственно стадиям накопления повреждаемости: исходное состояние лопатки (эталонная лопатка № 1), первая фаза накопления повреждаемости (эталонная лопатка № 2), начало второй фазы накопления повреждаемости (эталонная лопатка № 3), первая половина второй фазы - зарождения зоны деградации (эталонная лопатка № 4), зона, близкая к «точке невозврата», - (эталонная лопатка № 5), вторая половина второй фазы накопления повреждаемости - (эталонная лопатка № 6). В таблице 2 приведены магнитные параметры исследуемых лопаток. Величины К и К_л определены экспериментально.

Таблица 1
№ № эталон. лопаток	Эталонная лопатка № 1	Эталонная лопатка № 2	Эталонная лопатка № 3
№	L, мм	Нр лев, А/м	Нр прав, А/м	Нр, А/м	Нр лев, А/м	Нр прав, А/м	Нр, А/м	Нр лев, А/м	Нр прав, А/м	Нр, А/м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2	1	5	5	0	10	10	0	40	35	5
3	2	0	0	0	15	10	5	45	40	5
4	3	5	5	0	15	10	5	55	45	10
5	4	0	0	0	20	15	5	70	50	20
6	5	0	0	0	25	15	10	80	60	20
7	6	5	0	5	25	15	10	80	60	20
8	7	0	0	0	25	15	10	80	60	20
Продолжение таблицы 1
№ № эталон. лопаток	Эталонная лопатка № 4	Эталонная лопатка № 5	Эталонная лопатка № 6
№	L, мм	Нр лев, А/м	Нр прав, А/м	Нр, А/м	Нр лев, А/м	Нр прав, А/м	Нр, А/м	Нр лев, А/м	Нр прав, А/м	Нр, А/м
1	2	12	13	14	15	16	17	18	19	20
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2	1	60	40	20	110	80	30	250	180	70
3	2	75	50	25	230	160	70	430	310	120
4	3	90	60	30	320	270	90	520	390	130
5	4	160	90	70	410	315	95	570	430	140
6	5	190	115	75	440	340	100	610	450	160
7	6	195	120	75	450	350	100	610	450	160
8	7	195	120	75	440	340	100	610	450	160

Таблица 2
№ №	Исследуемая	Исследуемая	Исследуемая
эталон. лопаток	лопатка № 1	лопатка № 2	лопатка № 3
№	L, мм	Нр лев, А/м	Нр прав, А/м	Нр, А/м	Нр лев, А/м	Нр прав, А/м	Нр, А/м	Нр лев, А/м	Нр прав, А/м	Нр, А/м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2	1	90	70	20	220	170	50	300	170	130
3	2	210	150	60	410	300	110	460	300	160
4	3	300	220	80	490	370	120	550	370	180
5	4	390	310	90	550	420	130	620	400	220
6	5	420	325	95	590	445	145	660	420	240
7	6	420	325	95	590	445	145	690	430	260
8	7	420	325	95	590	445	145	690	430	260

Сравнительный анализ таблиц 1 и 2 показал, что исследуемая лопатка № 1 близка к эталонной лопатке № 5, исследуемая лопатка № 2 близка к эталонной лопатке № 6, исследуемая лопатка № 3 превышает параметры эталонной лопатки № 6.

1) Максимальные пиковые значения лопатки № 1 составили:

M'_i=Н_р ^лев=420 А/м;

M'' _i=H_p ^прав=325 A/м.

Степень деградации материала:

D_i=К( M_i)=K(M'_i-M''_i )=К(420-325)=(0,0015×95)×100%=14,3%.

2) Максимальные пиковые значения лопатки № 2 составили:

M'_i=H_p ^лев=590 A/м;

M'' _i=H_p ^прав=445 А/м.

Степень деградации материала:

D_i=К( M_i)=K(M'_i-M''_i )-К(590-445)=(0,0015×145)×100%=21,8%.

3) Максимальные пиковые значения лопатки № 3 составили:

M'_i=Н_р ^лев=690 A/м;

M'' _i=H_p ^прав=30 А/м.

Степень деградации материала:

D_i=К( M_i)=K(M'_i-M''_i )=К(690-430)=(0,0015×260)×100%=39%.

4) Максимальные значения M₁ ^max, M₂ ^max лопатки № 1 составили:

M₁ ^max= H_p1=95 А/м;

M₂ ^max= Н_р2=90 А/м.

D_лоп=К _л M^D=К_л( M₁ ^max- M₂ ^max)=1(95-90)=5.

(Поскольку величина M^D не превышает критического значения величины M^D _крит=10 для данных лопаток, определенной экспериментально, то исследуемая лопатка № 1 находится в зоне первой части второй фазы накопления повреждаемости до «точки невозврата»).

5) Максимальные значения M₁ ^max, M₂ ^max лопатки № 2 составили:

M₁ ^max= H_p1=145 А/м;

M₂ ^max= Н_р2=80 А/м.

D_лоп=К _л M^D=К_л( M₁ ^max- M₂ ^max)=1(145-80)=55.

(Поскольку величина M^D превышает критическое значение величины M^D _крит для данных лопаток, то исследуемая лопатка № 2 находится в зоне второй части второй фазы накопления повреждаемости после «точки невозврата»).

6) Максимальные значения M₁ ^max, M₂ ^max лопатки № 3 составили:

M₁ ^max= H_p1=260 А/м;

M₂ ^max= Н_р2=85 А/м.

D_лоп=К _л M^D=К_л( M₁ ^max- M₂ ^max)=1(260-85)=175.

(Поскольку величина M^D значительно превышает критическое значение величины M^D _крит для данных лопаток, то исследуемая лопатка № 3 находится во второй части второй фазы накопления повреждаемости после «точки невозврата»).

Приведенные данные по оценке величины деградации материала лопаток с использованием предлагаемого способа магнитной диагностики лопаток турбомашин из легированных сталей показали, что предлагаемый способ неразрушающего контроля позволяет повысить информативность и достоверность оценки степени и стадии деградации материала лопатки из легированных сталей, что подтверждает заявленный технический результат.