ПРИЛОЖЕНИЕ 7
Основы теории живучести: новые результаты
Ю. Л. Израилев
Π7.1. Критерии живучести рабочих лопаток, восстанавливаемых электроискровым легированием
Краткая экспертиза и история проблемы. Для электроэнергетики метод электроискрового легирования (далее — ЭИЛ) традиционен. Он применяется уже свыше 40 лет. Так, Харьковский турбогенераторный завод (ХТГЗ) имеет почти 40-летний опыт нанесения защитных покрытий методом ЭИЛ в стационарных заводских условиях. По различным причинам ХТГЗ, как и иные организации, специализирующиеся на решении проблемы живучести турбин ТЭС и АЭС, до последних лет не создали мобильных и эффективных ЭИЛ-установок, вибраторов и технологий, позволяющих в условиях ремонта на ТЭС без разлопачивания осуществлять периодически ЭИЛ для восстановления живучести рабочих лопаток.
Специалисты Отраслевой Службы Костромского филиала ВТИ и МКС «Живучесть ТЭС» (А. В. Беляков, Н. Г. Шепталина, В.Н. Куликов, В. И. Шапин, А. Ю. Пьянзин, А. В. Филиппенко, А. В. Баукин, Ю. Л. Израилев и др.) осуществили первый этап решения проблемы восстановления и контроля живучести стальных рабочих лопаток, включающий создание, испытание и применение компактных, удобных и эффективных ЭИЛ-установок, позволивших наносить покрытия на входные и выходные кромки лопаток последних ступеней, в том числе без вскрытия цилиндра, а также накопление (к марту 2001 г.) положительного опыта эксплуатации на Рязанской ГРЭС лопаток с ЭИЛ-покрытиями, превышающего 2,5 года.
Основной метрологической задачей (в пределах проблемы контроля и восстановления живучести лопаток с ЭИЛ-покрытиями) является формулировка обоснования и утверждения критерия живучести лопаток с ЭИЛ-покрытиями (однослойными и композитными).
Краткая характеристика решения этой задачи рассматривается ниже.
Основными критериями живучести и добротности лопаток с защитными покрытиями, нанесенными методом ЭИЛ, являются:
- Отсутствие микро- и макротрещин в основном материале лопатки, возникающих в зоне электроискрового легирования.
- Контроль дефектов по I необходимо осуществлять до и после нанесения «ЭИЛ- кольчуги»* при каждом вскрытии цилиндра.
- Термин «ЭИЛ-кольчуга» введен вместо общепринятого понятия «защитное покрытие». «ЭИЛ-кольчуга» выражает суть и отличительную особенность — несплошность покрытия.
При этом должно быть использовано не менее трех физически различных средств контроля трещиноподобных макродефектов. В качестве таких средств рекомендуются технологии: вихретоковая, ДАО, видео, ультразвуковая (поверхностные волны), МПД.
При износе лопаток > 5% (а если лопатка эксплуатируется свыше 10 лет, то при каждом вскрытии) после нанесения защитных покрытий, по крайней мере, одну, худшую (по сочетанию всех факторов, определяющих процесс развития в ней микро- и макротрещин) необходимо заменить. Демонтированная лопатка исследуется на наличие микро- и макротрещин.
*ЭИЛ-кольчуга должна обеспечить уменьшение средней скорости износа лопаток почти в 2 раза за период до следующего ремонта (восстановление защитного слоя).
Последняя характеристика критерия живучести (III) определяет основное свойство ЭИЛ-кольчуги.
Суть свойства «кольчуги» при решении изложенной здесь задачи — увеличение срока жизни лопатки так, как указано в III.
К настоящему времени в отечественной энергетике и энергомашиностроении накоплен опыт стендовых исследований, в которых изучались, в основном, эрозионные воздействия водяных капель на лопатки, в том числе с защитными покрытиями. Результаты стендовых исследований живучести лопаток последних ступеней, содержащих микроповреждения, зоны с опасными микроструктурами, а также макродефекты, развивающиеся при воздействии циклических нагрузок, автору не известны.
В этих условиях основным способом испытаний «кольчуги» и сформулированной системы критериев Ι-Ш является промышленный эксперимент на действующих ТЭС. Как уже отмечено, первый 3-летний этап такого эксперимента должен быть завершен до конца 2001 г.
Система критериев I—III освоена и утверждена в качестве неотъемлемой части отраслевой системы «Живучесть стареющих ТЭС» РД 153-34.0-04.152-2001 и входящего в нее РД 153.34.17.МКС 008-2001-12 ЗП.
Π7.2. Интерактивный норматив
Проблема
Известные нормативные и законодательные системы создавались и используются, как правило, в виде текстов. Каждый такой текст — свод правил. Такой свод является обобщением опыта, почти всегда весьма разнородного. Кроме того, этот разнородный опыт, как правило, не реализуется полностью хотя бы в одной, достаточно представительной системе.
Принципиально важной характеристикой таких нормативных и законодательных систем является то, что они не представляют собой алгоритм и, тем более, не отличаются свойством технологического процесса. Тем самым, все они не интерактивны. С ними нельзя взаимодействовать, обращаясь с регламентированными запросами, получая в ответ нормативный документ.
В тепловой энергетике все прежние и действующие инструкции по контролю повреждений оборудования созданы как охарактеризованные своды правил, не являющиеся алгоритмами.
Краткая характеристика основной идеи
Автором сформулирована идея преобразования отдельных, разнородных элементов, а именно: метрологической, технологической и нормативной частей комплекса «Живучесть ТЭС» в целостную интерактивную систему. Эта система названа «Интерактивный норматив».
Для наглядности, в сокращенном и упрощенном виде, ИАН представляется в почти традиционном виде: текст, содержащий алгоритм, и примеры его реализации.
Более полная версия ИАН — компьютерная технология, использующая метрологическую, технологическую и нормативную базы знаний.
В наиболее полном виде ИАН —= машинно-человеческая система (МЧС), олицетворяющая по сути нормативный аспект деятельности Движения «Живучесть ТЭС».
Наиболее полно изложенная здесь идея реализована для общестанционной системы паропроводных гибов, эксплуатируемых в условиях ползучести на Костромской и Рязанской ГРЭС. Эта система является частью более полной отраслевой нормативной системы «Живучесть стареющих ТЭС» РД 153-34.0 04.152-2001.
Аналогичные ИАН создаются для роторов и рабочих лопаток паровых турбин паропроводов, зданий и сооружений ТЭС.
П7.3. «Обратная» задача приближения к истине
- Краткая характеристика проблемы. Термин «обратная задача» наиболее свойственен математике и математической физике. Например, в МГУ академиком Тихоновым была создана одна из «ветвей» математики, названная «Обратные, некорректно поставленные задачи». В теории теплопроводности понятие «Обратная задача теплопроводности» используется, в частности, для задач, в которых известно распределение температуры при нестационарном процессе теплопроводности с краевыми условиями третьего рода. При этом известна также температура среды. В такой задаче определяют коэффициент теплоотдачи.
- В метрологической части основ теории живучести за почти 20-летний период накоплен опыт обобщения принципа и метода обратных задач на процесс познания в целом. При этом методология обратной задачи осознается, толкуется и испытывается как универсалия — способ и технология увеличения достоверности познания или приближения к Истине.
- Далее кратко, на характерных примерах, поясним изложенное ранее.
- Способ определения трещиностойкости литых корпусов.
Суть этого способа кратко охарактеризуем так. Достоверность определения трещиностойкости литых корпусов турбин с трещиноватыми зонами в лабораторных условиях низка и требует значительных финансовых затрат с учетом следующих факторов.
Необходимо испытывать образцы, толщина которых близка к натурной (100 мм и более). Методика испытаний на трещиностойкость освоена, как правило, для модели одиночной трещины. Учет таких факторов, как масштабный эффект, сложная пространственная структура трещиноватости, длительность эксплуатационного нагружения (200-400 тыс. ч) в условиях ползучести, весьма затруднен в лабораторных условиях.
Основы теории живучести ТЭС включают отраслевую базу повреждений парка литых корпусов турбин. Это позволяет определить предельные максимальные размеры трещиноватых зон, при которых хрупкое катастрофическое разрушение исключено. Знание предельных характеристик повреждения, фактической истории нагружения и напряженного состояния дает искомое решение обратной задачи — определения нижнего предела трещиностойкости как верхнего предела не разрушения. При этом можно допустить (консервативно, в запас), что при максимальном нагружении по количеству часов эксплуатации и количеству нестационарных режимов, а также по уровню напряжений катастрофическое разрушение не происходит, если глубина, объем трещиноватой зоны, ее площадь и скорость развития не превышают нормативных значений.
Читатель, посвященный в проблемы механики разрушения, обратит здесь внимание на то, что изложенная характеристика решения обратной задачи позволила, в сущности, кроме удобных для лабораторных испытаний понятий «трещиностойкость», «предел трещиностойкости», ввести и определить понятие «живучесть».
Ключевым свойством полученного решения является его системно-целостный, холистический характер. Это утверждение определено тем, что все факторы, в том числе вся реальная история нагружения конкретного литого корпуса, особенности его изготовления и ремонта, специфика поврежденной зоны и реальный процесс деформирования (ползучесть) учитываются реологией трещиноватой зоны.
- Живучесть и трещиностойкость литого корпуса, длительно эксплуатируемого с трещиноватой зоной, определяют следующим образом. При глубине трещиноватой зоны (где Н — толщина стенки) по ее краям и в середине выбирают трещиноватость, оставляя трещины, являющиеся датчиками живучести. Характеристика системы таких датчиков документируется с помощью ДАО-портрета (оттиск, реплика). Если до следующего капитального ремонта наибольшая скорость подрастания оставленных трещин составляет не более 1 мм/год, то живучесть корпуса нормальная. Если при этом площадь трещиноватой зоны не превышает площади поперечного сечения корпуса, то трещиностойкость нормальная, т.е. она не превышает 100 МПа.
- Иной тип «обратных задач» не разрушения — обоснование отсутствия во всем парке роторов турбин ТЭС значительных макротрещин (глубиной 10-20 мм), развившихся со стороны наружной поверхности. Если бы такие трещины имелись, то под воздействием сочетания низкочастотных (пуски- остановы и иные нестационарные режимы) и высокочастотных (с частотой 50 Гц и более) нагрузок они развились бы быстро (0,5-1,0 мм за 0,5-1 год).
3.4. Наличие в роторах и паропроводах достаточно мощных конструкционных и технологических концентраторов (тепловые и придисковые канавки, пазы дисков под лопатки, технологические проточки с малыми радиусами кривизны) позволяет обосновать допустимость создания иных концентраторов, которые не хуже, не приносят большего вреда и не являются более опасными. Таким образом, обоснована допустимость микромониторинга. Этим обеспечена возможность получения «живого» металла из наиболее информативных, наиболее повреждаемых зон.
3.5. Многолетний опыт (свыше двух десятилетий) эксплуатации лопаток последних ступеней со значительными эрозионными повреждениями, в том числе трещиноподобными, позволил обосновать критерии живучести таких лопаток с электроискровым защитным покрытием.
При этом оказалось достаточным предъявить к ЭИЛ-«кольчуге» лишь одно требование — ее полезности, т. е. увеличения срока службы лопаток почти в 2 раза.
П7.4. Экспертиза адвоката дьявола
Вдумчивый, творчески мыслящий читатель может справедливо усомниться в том, что обратная задача — одна из высших универсалий, определяющих способ приближения к Истине. Кроме того, сам термин «обратная» для универсалии высшего порядка слишком слаб и груб. Его грубость определена тем, что он основан на простейшей модели познания, расчленяющей Основы познания на две полярные части: действие-противодействие, Истина-Ложь, прямое-обратное и т. д.
С замечанием о слабости термина «обратная» задача нужно согласиться. Он оставлен как дань традиции.
Известны открытия принципиально нового, что человечество, на первый взгляд, никогда не знало, т. е. того, что не имеет прецедента в человеческом познании, опыте.
Однако даже на этапах мыследействия и, тем более, на последующих изобретатель, исследователь соизмеряет новое со своим опытом и опытом человеческого знания в целом.
Суть метода приближения к Истине — искусство минимизации несоответствия между новым и известным. При этом чем ответственнее решение, тем важнее глубина, полнота, целостность учета предыстории, в том числе в предельных переходах.
П7.5. Принцип локальности — одна из моделей принципа предельности
В механике твердого тела частный случай принципа локальности хорошо известен как принцип Сен-Венана, дающий в общем случае качественную оценку характерного размера опасной зоны, где концентрируются напряжения, деформации.
В механике разрушения и теории живучести принцип локальности воплощает факт, имеющий универсальный характер: повреждения почти всегда возникают и развиваются локально, избирательно, реализуя то, что принято называть также принципом слабого звена. В обычной жизни это знание воплощено в крылатом выражении: «где тонко, там и рвется».
В теории познания принцип локальности является конкретизацией всеобщего для живой естественной и искусственной природы принципа разрушения и частным случаем принципа предельных переходов. Действительно, акт локального разрушения, в том числе микроразрушения, реализует одно из предельных состояний.
Практически вечный ротор. Локальность повреждения роторов высокого и среднего давления определена тем, что микроповреждения развиваются в пределах поверхностного слоя. Достоверное знание этого факта в сочетании с эффективным контролем повреждений,
исключающим развитие макродефектов, позволяет решить проблему практически вечного ротора. Он прослужит столько, сколько реально нужно (60-80 лет). При этом имеется в виду его эксплуатация без тяжелых аварий.
Этот краткий пример позволяет осознать большую практическую полезность принципа локальности.
