Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

Наиболее распространенным типом ультразвуковых дефекто­ скопов является отражательный импульсный дефектоскоп. Для выявления дефектов в испытываемое изделие вводят при помощи кварцевого щупа короткие ультразвуковые импульсы. При от­ сутствии в изделии дефектов введенный импульс доходит до про­ тивоположной стенки изделия и, отражаясь от нее, возвращается на принимающий щуп. Возвратившийся импульс усиливается и поступает на регистрирующее устройство. При наличии на пути колебательного пучка какого-либо дефекта последний частично отражает импульс. На приемную кварцевую пластину направ­ ленный в изделие импульс возвращается отраженным от границы дефекта и от противоположной стенки исследуемого изделия. Зная скорость распространения звука в металле, можно определить глубину расположения дефекта.

Ультразвуковой искатель выбирают в зависимости от конфи­ гурации исследуемого изделия, ожидаемого расположения де­ фекта, его формы и ориентации.

В ЦНИИТМАШе для проверки качества отливок деталей тур­ бин мощностью 300, 500 и 800 тыс. кВт разработана аппаратура, позволяющая осуществлять ультразвуковой контроль без чисто­ вой обработки поверхности отливок. Последнюю достаточно обра­ ботать на исследуемых участках наждачным кругом до металли­ ческого блеска, удалив заусенцы, окалину и местные неровности. Ультразвуковые искатели выполнены в виде замкнутых, напол­ ненных жидкостью эластичных оболочек, которые плотно сопри­ касаются с поверхностью исследуемого изделия. Это позволяет обеспечить надежный акустический контакт пьезовибратора с изде­ лием. Для сферических и цилиндрических поверхностей с радиу­ сом кривизны 200 мм и более искатели выполняют в виде катков, внутри которых расположены пьезодатчики. Для радиусных пере­ ходов предложен искатель также в форме катка, но с внешним расположением пьезодатчика.

Ультразвуковой метод применяют для обнаружения дефектов в лопатках турбин. На электростанциях в период капитального ремонта турбин перед их пуском в дальнейшую эксплуатацию этим методом проверяют, нет ли трещин в рабочих лопатках. Широкое распространение на электростанциях получил ультра­ звуковой метод контроля сварных соединений, литых деталей и пр.

Люминесцентный метод. В турбостроении используется люми­ несцентный метод выявления поверхностных дефектов на заготов­ ках и деталях из магнитных и немагнитных металлов. Исследуе­ мый объект покрывают интенсивно флуоресцирующим раствором или погружают в этот раствор. Через непродолжительное время флуоресцирующий раствор с поверхности детали тщательно уда­ ляют и деталь подвергают действию ультрафиолетовых лучей" Наблюдение проводят в темном помещении. Дефекты на поверх­ ности детали, в которых осталось люминесцирующее вещество, выявляются в виде светящихся линий или пятен.

79

Перед испытанием деталь очищают и подогревают до 40—60° С для некоторого увеличения размеров дефектов. В качестве флуо­ ресцирующего раствора применяют трансформаторное масло; смесь авиационного масла с керосином; смесь легкого минерального масла с керосином с добавлением небольшого количества (5%) ан­ траценового масла.

Люминесцентный метод применяют и в несколько измененном виде. Изделие погружают на несколько минут в смесь, состоящую из 15% авиационного масла и 85% керосина или из 25% автола и 75% керосина. Затем изделие просушивают и смесь минераль­ ного масла с керосином остается только в полостях дефектов, если таковые имеются в изделии (эта смесь способна проникать

вочень тонкие трещины). Высушенные изделия посыпают тонко­ размолотой окисью магния, которая в местах расположения де­ фектов пропитывается минеральным маслом и частично проникает

вполости дефектов. Далее на изделие направляют ультрафиолето­ вые лучи, под действием которых окись магния, пропитанная минеральным маслом, флуоресцирует ярким желто-зеленым цветом.

Метод цветной дефектоскопии. На явлении капиллярного про­ никновения хорошо смачивающей жидкости в трещины, поры и другие поверхностные дефекты основан успешно применяемый в турбостроении метод цветной дефектоскопии. Испытываемую деталь погружают на 10— 15 мин в смесь керосина и трансфор­ маторного масла (отношение объемов примерно 2 : 1) или керосина и скипидара (в равных объемах). Смесь окрашивают в ярко-крас­ ный или красно-оранжевый цвет. Если погрузить деталь в ванну с указанным раствором невозможно, то раствор наносят на поверх­ ность детали кистью. Затем деталь промывают сильной струей холодной воды для удаления с поверхности окрашивающего рас­ твора. Если деталь имеет трещины, поры и другие дефекты подоб­ ного рода, то раствор остается в полостях дефектов. Далее по­ верхность детали покрывают тонким слоем каолина, разведенного в воде, и просушивают теплым воздухом. Дефекты четко высту­ пают на покрытой каолином поверхности. Детали следует осматри­ вать дважды: через 3—5 мин и через 20—30 мин после про­ сушки.

Пескоструйный метод. Выявить дефекты можно также при помощи пескоструйной очистки поверхности деталей, предвари­ тельно обильно смоченных керосином. В результате керосин пол­ ностью удаляется с поверхности и остается только в полостях де­ фектов. При испарении из этих полостей керосин делает дефекты видимыми. Как и при методе цветной дефектоскопии, керосин можно окрашивать, а поверхность детали после пескоструйной очистки покрывать мелом или раствором каолина.

В научно-исследовательских институтах и лабораториях турбо­ строительных заводов ведется систематическая работа по дальней­ шему совершенствованию существующих и изысканию новых

80

эффективных и надежных методов выявления поверхностных и внутренних дефектов в металлических заготовках турбинных деталей.

Дефектоскопию осуществляют не только на заводах, поставля­ ющих литье, поковки, штамповки и прокат для турбин, но и на турбинных заводах, а также на электростанциях в процессе эксплуатации турбин. Например, на электростанциях осуществ­ ляют ультразвуковым и магнитным методами контроль турбинных лопаток, сварных швов на трубопроводах; выполняют макротрав­ ление отливок корпусов клапанов и пр. Хорошо поставленный де­ фектоскопический контроль имеет важнейшее значение для на­ дежной работы турбин.

6 М. Ф . Сичиков

Глава II

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТАЛЛОВ

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Большинство ответственных деталей турбин работает в усло­ виях длительного воздействия высоких температур. В условиях воздействия температуры свежего пара или близкой к ней рабо­ тают детали парораспределения и регулирования, сопловой ап­ парат, рабочие и направляющие лопатки и диски первых ступеней турбины и ступеней после промежуточного перегрева пара и др. Тепловая энергия пара, поступающего в турбину, превращается в механическую энергию вращения ротора турбины. Давление и температура пара, движущегося через неподвижные сопла и вра­ щающиеся каналы, образуемые рабочими лопатками турбины, по­ степенно снижаются по мере этого движения. Таким образом, детали турбин испытывают воздействие повышенных температур в диапазоне от температуры свежего пара до температуры влаж­ ного пара, уходящего с последней ступени турбины в конденсатор.

Прочность сталей и сплавов при высоких температурах опре­ деляется прочностью межатомных связей в кристаллических ре­ шетках. С повышением температуры амплитуда тепловых колеба­ ний атомов и подвижность их в кристаллической решетке возра­ стают, а связи между атомами ослабевают. Вследствие этого со­ здаются условия, способствующие разупрочнению металла. В ре­ зультате деформация металла будет развиваться быстрее и при меньших значениях действующих внешних сил.

По границам зерен, на поверхностях раздела внутри зерен (между блоками и их группами) при повышении температуры воз­ растает диффузионная подвижность атомов, с которой связаны структурные превращения, ведущие к разупрочнению.

Чтобы металл или сплав могли более или менее длительно ра­ ботать под нагрузкой при высоких температурах, надо принимать такие меры, которые бы усиливали межатомные связи в кристал­ лической решетке, способствовали снижению подвижности атомов, задерживали их перемещения при данной температуре. Если от­ влечься от влияния структурных факторов, то можно прибли­ женно считать, что межатомные связи тем прочнее, чем выше тем­ пература плавления металли и больше работа, необходимая для расчленения кристаллов на атомы. Прочность этих связей зависит и от других факторов —■от модуля упругости, коэффициента ли­ нейного расширения, амплитуды отклонения атомов от положения

82

равновесия при тепловых колебаниях и пр. Результаты многолет­ них исследований показали, что один и тот же уровень подвиж­ ности атомов' у разных металлов наблюдается при существенно различных температурах, например, у железа, кобальта и ни­ келя — при 700—800° С, у хрома — при 1000° С, у молибдена — при 1200° С и у вольфрама — при 1600° С.

Важнейшее значение для повышения жаропрочности метал­ лов и сплавов имеет их структурное состояние. Внутризеренная и межзеренная деформация в металле развивается с разной интен­ сивностью в зависимости от препятствий, которые встречают на своем пути перемещающиеся атомы. Деформационные сдвиги бло­ кируются частицами упрочняющих фаз в твердом растворе. При этом существенное значение имеют количество, размеры, форма и расположение выделившихся частиц. Дисперсионное твердение (старение), связанное с выделением мелкодисперсных частиц упрочняющих фаз, является одним из эффективных методов повы­ шения жаропрочности металлов и сплавов. Тонкая субмикроско­ пическая структура в основном твердом растворе, дробление бло­ ков в пределах зерна также способствуют повышению жаропроч­ ности. Большое значение имеют несовершенства кристаллической структуры — вакансии, дислокации и др. — их взаимодействие и движение. Следует отметить и роль дисперсных частиц, которые препятствуют передвижению дислокаций, замедляя или приоста­ навливая его.

Значительное влияние на жаропрочность оказывает состояние границ зерен, так как искажения кристаллической решетки в гра­ ничных зонах зерен разрыхляют металл. Диффузионные процессы в этих зонах протекают быстрее, чем в самом зерне, и для развития диффузии по границам зерен требуется значительно меньшая теп­ ловая энергия.

В процессе кристаллизации металла на границах зерен скап­ ливаются примеси, в том числе и легкоплавкие. Присутствие та­ ких примесей даже в небольших количествах может резко сни­ зить пластичность металла при высоких температурах. Примене­ ние чистых шихтовых материалов, специальных методов выплавки в производстве жаропрочных металлов и сплавов, ужесточение требований в отношении допустимого содержания в них вредных примесей способствуют, в частности, повышению межзеренной прочности. На процессы, протекающие в граничных зонах, и на структуру границ зерен можно активно влиять специальным ле­ гированием. Жаропрочность сплава обычно повышается с ростом величины зерна.

На основе современных представлений о физической природе прочности и пластичности кристаллических тел при высоких, температурах, о свойствах различных металлов и их взаимодей­ ствии в сплавах, о влиянии на жаропрочность микроскопической и субмикроскопической структуры и несовершенств кристалли­ ческого строения металлов, о течении процессов деформации, ее