В рамках НИОКР авторы метода провели экспериментальные исследования по использованию магнитного метода контроля металла – метода коэрцитивной силы – для лопастей рабочего колеса турбины Каплана. Апробация ноу-хау прошла на Саратовской ГЭС, кроме того, в эксперименте участвовали лопасти отработавшего свой срок рабочего колеса Рыбинской ГЭС.
– Главное достоинство разработанной методики заключается в том, что она дает возможность оценить усталостное состояние металла и определить зоны, где необходим упреждающий ремонт, не оказывая при этом разрушающего воздействия на материал исследуемых лопастей, – рассказывает начальник отделения контроля надежности оборудования НИИЭС Сергей Фотин. – В ходе исследований специалисты института определили фактическое структурно-механическое состояние металлических образцов, вырезанных из лопасти рабочего колеса гидротурбины №1 Рыбинской ГЭС, а также измерили параметры их магнитного поля в ходе испытаний на одноосное растяжение и усталость металла.
Рабочие колеса Каскада Верхневолжских ГЭС проработали более 70 лет. Угличское стало экспонатом Музея гидроэнергетики, а на рыбинском были проведены исследования НИИЭС.
Как пояснил Сергей Фотин, неразрушающий магнитный контроль методом коэрцитивной силы основан на корреляции между магнитными и механическими свойствами металла. При наличии зависимостей между коэрцитивной силой и остаточными напряжениями по величине первой можно вести контроль накопления повреждений в металле, а также прогнозировать его усталостную долговечность. Именно эту зависимость удалось зафиксировать в ходе исследований, и она легла в основу разработанной методики определения фактической прочности и остаточного ресурса лопастей гидротурбин.
В работе участвовали ученые Московского энергетического института, специалисты НПО «СПЕКТР», а также руководители и сотрудники исполнительного аппарата РусГидро, Каскада Верхневолжских ГЭС и Саратовской ГЭС. Рабочая группа РАН РФ по измерению механического напряжения, членом которой является НИИЭС, обеспечивала информационную поддержку.
Апробация новой методики прошла на 12-й станционной машине Саратовской ГЭС. За длительное время эксплуатации на четырех ее лопастях появились структурные дефекты. Обследование лопастей методом коэрцитиметрии осуществлялось без демонтажа рабочего колеса. Результаты показали: в большей части точек замера значения не достигли предельных значений, предшествующих возникновению пластических деформаций. Но на выходной кромке одной из лопастей были зафиксированы значения, предшествующие началу растрескивания, а в месте сопряжения выходной и периферийной кромки – близкие к значениям, предшествующим пластическим деформациям. В проблемных зонах с критическими значениями коэрцитивной силы специалисты дополнительно выполнили контроль ультразвуковым методом, проникающими средствами и твердометрию, дали рекомендации по организации эксплуатационного мониторинга зон концентрации напряжений.
Апробация методики продемонстрировала возможность ее применения для мониторинга состояния металла лопастей поворотно-лопастных турбин. Это позволяет реализовать мониторинг при каждом осушении проточной части турбины без выемки рабочего колеса.
– Впервые в мире метод коэрцитивной силы был успешно применен к крупногабаритным отливкам стали, – подчеркнул Сергей Фотин. – Экспериментальные результаты позволяют задавать критериальные значения коэрцитивной силы для предела текучести и выносливости металла для лопастей всех рабочих колес гидростанций Волжско-Камского каскада.
Коэрцитивной силой называют напряженность размагничивающего поля, в котором первоначально намагниченный до насыщения образец размагничивается. Величина коэрцитивной силы зависит от структуры металла, в том числе на нее влияют остаточные механические напряжения и дефектность металла. Чем выше дефектность и меньше однородность структуры металла, тем больше коэрцитивная сила.