Вихретоковая Дефектоскопия деталей авиационных двигателей в условиях эксплуатации и ремонта

УДК 620.179.14

В. Н. Учанин, С. А. Александров, В. Ю. Цыганов

ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА

Рассмотрены результаты исследования сигналов вихретоковых преобразователей для трещин разной длины и раскрытия, которые позволяют оптимизировать параметры вихретоковых преобразователей. Представлен вихретоковый дефектоскоп для выявления поверхностных дефектов. Показаны направления дальнейшего усовершенствования дефектоскопов. Представлен опыт применения вихретокового метода для контроля авиационных двигателей.

Введение

Надежность авиационных двигателей в эксплуатации обеспечивается комплексом мер, среди которых неразрушающий контроль (НК) является одной из наиболее важных составляющих. При этом большой объем контрольных операций традиционно выполняется вихретоковым методом, который имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами НК [1]. Вихретоковый контроль можно проводить без удаления покрытия или нагара, не требуются расходные дефектоскопические материалов и громоздкое оборудование (как при капиллярном или магнигопорошковом контроле). Метод имеет высокую производительность и не выдвигает особых требований к шероховатости контролируемой поверхности. Задача обнаружения коротких усталостных трещин малого раскрытия может быть решена на основе оптимизации вихретокового преобразователя (ВТП) и схемы дефектоскопа.

Исследование вихретоковых сигналов от трещин разной длины и раскрытия

Рассмотрим влияние длины трещины на чувствительность ВТП. На рис. 1 представлены распределения сигнала ВТП при сканировании вдоль трещины (координата у) для трещин разной длины, полученные методом объемных интегральных уравнений [2]. Длина трещины и координата размещения ВТП при сканировании нормированы относительно среднего диаметра Бс обмотки ВТП (приведенная длина 1ТР = 1ТР / Вс и

приведенная координата у = у / Вс).

Общий вид полученных распределений сигнала показывает, что они сильно зависят от отношения длины трещины к диаметру ВТП. Для коротких трещин распределение сигнала ВТП имеет два симметричных максимума с одним минимумом при размещении ВТП непосредственно над трещиной (у = 0), который для очень короткой трещины (ГТР < 0,3) может достигать

Рис. 1. Распределение сигнала ВСП при сканировании вдоль трещин с приведенными длинами 1'тр = 0,3

© В. Н. Учанин, С. А. Александров, В. Ю. Цыганов, 2009

нуля. Нулевой сигнал ВТП имеем в случае, когда трещина полностью размещена в центральной «мертвой» зоне ВТП и практически не влияет на перераспределение вихревых токов. Максимального значения сигнал ВТП достигает, когда середина трещины размещена непосредственно под витками ВТП. Поэтому для коротких трещин с 1'тр < 1,0 расстояние между максимумами равно диаметру обмотки Бс, а в приведеннык координатах на рис. 1 равно 1,0. С увеличением длины трещины до 1'ТР = 1,5 расстояние между максимумами незначительно увеличивается, а значение амплитуды сигнала в точке минимума увеличивается. При 1'Тр =1,5 характеристика распределения сигнала ВТП имеет три максимума, так как с увеличением длины трещины центральный минимум постепенно начинает перерождаться в максимум.

Представленные результаты показывают, что для оптимального выявления коротких трещин диаметр ВТП необходимо выбирать из условия

1ТР = 1Тр /ос > 1,5, где за параметр длины трещины 1ТР выбирают минимальную длину трещины, которую необходимо выявлять.

Проанализируем зависимость сигнала ВТП от трещин разного раскрытия. Сигналы трещин длиною 5 мм и глубиной 1 мм на рабочей частоте 1 МГц рассчитывались методом объемнык интегральный уравнений. Расчеты проведены для приведенный значений раскрытия с от 0,01 до 2,4, что соответствует раскрытию реальных и искусственных дефектов. Рассчитанный вносимый

дефектом импеданс нормировался относительно импеданса ВТП при установке его на бездефектный образец (Я = 0,173891 Ом; X = 1,80562 Ом и Ь = 0,287 мкГн). Приведенные зависимости (рис. 2) показывают, что амплитуда сигнала ВТП сильно зависит от раскрытия трещин. При увеличении приведенного раскрытия с' трещины от 0,01 до 0,3 амплитуда сигнала увеличивается на порядок (от 0,0026 до 0,083). При этом, фаза сигнала изменяется от 62 ° до 82°. При дальнейшем увеличении раскрытия до 2,4 амплитуда сигнала увеличивается на два порядки (от 0,0026 до 0,26). При этом, наблюдается дальнейшее изменение фазы сигнала (от 62 ° до 103 °). Анализ показывает, что фаза сигнала от дефекта большого раскрытия приближается к фазе сигнала от увеличения зазора между контролируемой поверхностью и ВТП.

Влияние раскрытия трещин на параметры сигнала ВТП позволяет оценить расхождение сигналов от природных и искусственных дефектов стандартных образцов. Результаты позволяют объяснить нечувствительность некоторых дефектоскопов к дефектам малого и большого раскрытия. Низкая чувствительность может получиться за счет неправильного выбора режима фазовой или автогенераторной отстройки от влияния зазора. В нашем случае необходимо обеспечивать настройку дефектоскопа на максимальную чувствительность к усталостным трещинам, которые, как правило, имеют малое раскрытие, а в некоторых стенки трещины могут быть плотно состыкованы (зажаты).

Полученные результаты могут быть использованы для выбора параметров ВТП и при ин-

Рис. 2. Зависимость вектора сигнала от раскрытия с трещины: а — с изменяется от 0,01 до 0,3; б — с изменяется от 0,3 до 2,4

терпретации результатов выявления трещин разной длины. В представленных ниже дефектоскопах для выявления трещин длинной 2,0 мм используют ВТП диаметром 1,2 мм, а для выявления трещины длиной 1,0 мм используют ВТП диаметром 0,7 мм.

Модернизация автогенераторных вихретоковых дефектоскопов

Для селективного выявления поверхностных дефектов разработаны дефектоскопы типа Лео-тест ВД, в которых реализована полная отстройка от зазора и края изделия. В дефектоскопах использован режим прерывистых колебаний автогенератора, который реализуется, когда постоянная времени цепи автоматического смещения тЗ = ЯЗ  СР (ЯЗ и СР — сопротивление резистора и емкость разделяющего конденсатора в цепи затвора) будет намного больше постоянной времени рабочего контура тК = 2 Ь/Я (ь и Я — индуктивность и активное сопротивление обмотки ВТП). Дефектоскопы с прерывистыми колебаниями позволяют получить звуковую переменно-тональную индикацию без применения отдельных генераторов. Кроме того, такие дефектоскопы позволяют оператору контролировать превышение зазора на слух за счет переменно-тональной индикации. Питание дефектоскопа осуществляется от встроенной аккумуляторной батареи. Потребляемая мощность не более 0,03 ВА, что позволяет обеспечить многодневную работу дефектоскопа без подзарядки. Вес дефектоскопа не более 1,0 кг [3]. Дефектоскопы прошли государственные испытания и используются для контроля авиационных конструкций в эксплуатации, в частности при проведении работ по продлению ресурса самолетов. Дефектоскопы Леотест ВД показали надежную работу по обнаружению дефектов на узлах из титановых сплавов, что позволило впервые ввести вихретоковый контроль таких узлов в регламент технического обслуживания самолетов [4]. Дефектоскопы нашли применение также в нефтегазовой отрасли, энергетике и транспорте, в том числе для контроля литых изделий при применении специальных ВТП.

Много лет дефектоскопы успешно применяются на ЗМКБ «Ивченко-Прогресс» и ОАО «Мотор Сич» для регламентного контроля различных деталей и сборочных единиц авиационных двигателей при их изготовлении, ремонте и эксплуатации.

Для повышения чувствительности дефектоскопа при решении сложных задач проведено усовершенствование его схемы. В последних моделях дефектоскопов в качестве активного элемента автогенератора использованы полевые транзисторы с изолированным затвором [5]. Вы-

бор полевого транзистора с изолированным затвором позволяет повысить надежность работы автогенератора при контроле материалов с разными электрофизическими свойствами и разным зазором между ВТП и контролируемой поверхностью за счет высоких технических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором (высокого входного сопротивления, пороговой частоты и крутизны переходной характеристики). Предложена также новая схема блока регенерации колебаний, которая за счет высокого быстродействия позволяет увеличить производительность контроля [6]. Блок регенерации колебаний выполнен в виде последовательно включенных конденсатора, усилителя-ограничителя, формирователя сигнала дефекта и схемы управления напряжением питания. Кроме стабильного восстановления колебаний автогенератора после их срыва предложенная схема обеспечивает удобное подключение звукового и светового индикаторов. В схеме использованы интегральные КМОП логические инверторы с малым током потребления, что важно для построения приборов с автономным питанием.

Опыт вихретоковой дефектоскопии деталей авиационных двигателей

Рассмотрим несколько примеров эффективного применения вихретокового метода для дефектоскопии деталей двигателей типа Д18Т.

При длительной эксплуатации или возникновении нештатной ситуации (например, попадания постороннего предмета) на хвостовике (рис. 3, а) и антивибрационных полках (рис. 3, б) рабочих лопаток вентилятора могут появляться трещины. Для контроля лопаток (на рис. 3 зоны контроля показаны стрелками) на протяжении многих лет в эксплуатации применяется вихре-токовый метод с использованием высокочастотных дефектоскопов (в том числе Леотест ВД 3.03). Трудоемкость контроля всех лопаток вентилятора (без подготовительно-заключительных операций) составляет около 2-х часов. При этом контроль осуществляется без демонтажа двигателя и дополнительной подготовки поверхности. Данный контроль лопаток применяется и при капитальных ремонтах двигателей в заводских условиях. Практика показывает, что на данных лопатках трещины не всегда выявляются капиллярным методом, который считается наиболее чувствительным методом дефектоскопии. В одном из случаев капиллярный метод (выполненный неоднократно) не подтвердил наличие дефекта, который уверенно выявлялся дефектоскопом ВД 3.03. Дальнейшие исследования подтвердили наличие трещины и показали, что она была «зажатой», т.е. практически не имела раскрытия.

За период (более 10-ти лет) применения контроля только при проведении ремонта выявлено более десятка лопаток с трещинами, которые во многих случаях не выявлялись визуально. На рис. 4 представлены увеличенные фрагменты трещин на хвостовике и антивибрационной полке, выявленных вихретоковым методом, после частичного их раскрытия. Анализ показал, что излом по вскрытым трещинам носит усталостный характер.

При эксплуатации двигателей первых модификаций на рабочих лопатках турбины высокого давления из сплава материал ЖС-6 возникают трещины со стороны корыта. Капиллярный контроль требует больших затрат, связанных со снятием и разборкой двигателя, его последующей сборкой, испытаниями и установкой на самолет. Вихретоковый метод позволяет обеспечить контроль через технологическое окно не снимая двигатель с крыла самолета. При этом, процесс введения ВТП и правильность установки его на лопатку контролируется с помощью эндоскопа. Устройство для ввода ВТП позволяет осуществлять сканирование и отвод ВТП во время прокрутки ротора для контроля следующей лопатки.

При эксплуатации и ремонте двигателей возникает необходимость выявлять усталостные трещины, образующиеся в зоне сварного соединения литой арматуры (на рис. 5, а показаны стрелками) с основным материалом корпуса камеры сгорания. Свариваемые детали выполнены из разных сплавов типа ВЖ. Трещины, также как и в предыдущем примере, практически не имеют раскрытия, так как при остановке и охлаждении двигателя корпус камеры сгорания сжимается. Кроме того, задача осложняется малой толщиной корпуса (около 2 мм), большой шероховатостью поверхности, наличием нагара и сложной геометрией сварного соединения. Все эти факторы исключают возможность применение капиллярного и ультразвукового контроля. Вихретоковый

метод с применением дефектоскопа Леотест ВД 3.03 позволяет решить эту задачу после выполнения механической зачистки валика усиления сварного шва (рис. 5, б).

Чрезвычайно важно, что вихретоковый метод в отличие от других методов НК, позволяет оперативно оценивать глубину выявленного дефекта, что необходимо для принятия решения о целесообразности проведения ремонта, и снизить затраты из-за перебраковки деталей.

Рис. 4. Трещины, выявленные в зоне хвостовика

а

а б

Рис. 5. Наружный корпус камеры сгорания (а) и схема контроля опасных участков сварных соединений (б): 1 — корпус камеры, 2 — сварной шов, 3 — зона зачистки и контроля, 4 — схема сканирования

Выводы

1. Рассмотрены особенности сигналов вихре-токовых преобразователей от трещин разной длины и раскрытия. Результаты использованы для оптимизации параметров вихретоковых преобразователей при решении задачи обнаружения коротких трещин малого раскрытия.

2. Представлены вихретоковые дефектоскопы для выявления поверхностных дефектов и направления их усовершенствования.

3. Представлен опыт применения вихретоко-вого метода с применением дефектоскопов Лео-тест ВД 3.03 для контроля узлов авиационных двигателей. Показано, что в отличие от других методов вихретоковые дефектоскопы позволяют уверенно выявлять трещины с малым раскрытием под слоем окислов, нагара и покрытия, а также трещины, расположенные в труднодоступных местах. Это позволяет считать вихретоковый метод наиболее достоверным при выявлении поверхностных дефектов. Применение вихретоко-вой дефектоскопии позволило гарантировать отсутствие усталостных трещин на эксплуатируемых двигателях, а также снизить трудоемкость и сроки выполнения ремонтных работ.

Перечень ссылок

1. Дорофеев А. Л. Электромагнитная дефектоскопия / А. Л. Дорофеев, Ю. Г. Казаманов. — М.: Машиностроение, 1980. — 232 с.

2. Учанш В. М. Особливосп просторового розпо-дшу сигналу вихрострумового перетворювача вщ трщин р1зно! довжини / В. М. Учанш // Ф1зико-х1м1чна мехашка матер1амв. — 2007. — № 4. - С. 121-124.

3. Учанин В. Н. Вихретоковые статические дефектоскопы для обнаружения поверхностных дефектов в узлах авиационной техники /

B. Н. Учанин, В. Я. Дереча // Матер1али 4 На-цюнально! науково-техшчно! конференций «Неруйшвний контроль та техшчна д1агнос-тика» (НКТД-2003). - К., 2003. - С. 358-361.

4. Учанин В.Н. Вихретоковый метод выявления поверхностных дефектов узлов авиационной техники в условиях эксплуатации / В. Н. Уча-нин, В. Я. Дереча // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2006. - № 4. -

C. 20-28.

5. Пат. 39207 Украша, МПК G 01N 27/00. Вих-рострумовий дефектоскоп /Учанш В.М., Чер-леневський В.В. - № u 2008 11903 ; заявл. 07.10.2008 ; опубл. 10.02.2009, Бюл. №3.-4 с.

6. Пат. 39217 Украша, МПК G 01N 27/00. Вих-рострумовий автогенераторний дефектоскоп / Учанш В.М., Черленевський В.В. -2008 12095 ; заявл. 13.10.2008 ; опубл. 10.02.2009, Бюл. №3.-4 с.

Поступила в редакцию 13.07.2009

Розглянуто резулътати дослгдження cuznaaie вихрострумових nepemeoprneanie для трщин pi3Hoï довжини i розкриття, ят дозволяютъ onmuмiзуeamu параметри вихрострумових nepemeopюeaчie. Представлено вихрострумовий дефектоскоп для виявлення поверхневих дeфeкmie. Показано напрямки подалъшого вдосконалення дефектоскотв. Представлено дoceiд застосування вихрострумового методу для контролю aeiaцiйнuх двигутв.

The results of eddy current probe signals investigation for cracks with different length and opening are discussed. The results obtained can be used for eddy current probe parameters optimization. Eddy current device for surface crack detection is presented. The directions for further device development are shown. The experience of eddy current method application for aircraft engine inspection is presented.