СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ТРЕЩИН НА ДЕТАЛЯХ ВРАЩЕНИЯ
METHOD TO DETECT CRACKS ON ROTARY PARTS

Изобретение относится к неразрушающему контролю, в частности к способам обнаружения трещин вихретоковым методом на деталях вращения (например, дисков, валов), и может найти применение в машиностроении, в частности авиадвигателестроении, для определения работоспособности деталей и установления оптимальной периодичности их контроля в эксплуатации по его результатам.
Как показывает практика, детали вращения, например диски, газотурбинных двигателей (ГТД) могут работать при наличии трещин докритического (безопасного) размера, что обеспечивается высокой пластичностью используемых материалов. Иногда продолжительность работы детали с трещиной сопоставима со временем работы до образования дефекта. Возможность работы детали с трещиной содержит в себе потенциал для увеличения ресурса с применением концепции безопасного развития трещины. При этом полный анализ долговечности базируется на оценке долговечности до образования начальной трещины и времени роста трещины до критического размера. На основании полученных данных назначается периодичность осмотров диска с отслеживанием роста трещины, и после достижения ее критического размера деталь отстраняется от эксплуатации.
Для определения максимально допустимой циклической наработки детали между двумя последовательными операциями контроля ее состояния используется размер трещины, который определяют с учетом чувствительности применяемых методов неразрушающего контроля.
Известен способ контроля изделия протяженной формы, при котором на изделие воздействуют электромагнитным преобразователем, изделие вращают и деформируют путем знакопеременного изгиба, так чтобы контролируемый участок изделия за один оборот испытывал последовательно растяжение и сжатие (Авторское свидетельство №922620 от 29.01.1980, опубл. 23.04.1982, Бюл. №15, МПК G01N 27/90).
Недостатками данного способа является то, что для осуществления способа требуется приложение знакопеременных нагрузок, что снижает работоспособность изделия.
Известен способ контроля изделия, при котором контролируемое сборное изделие устанавливают на поворотный стол таким образом, чтобы ось вращения изделия совпадала с осью вращения поворотного стола, вращают контролируемое сборное изделие на поворотном столе, при этом по поверхности контролируемого изделия скользит вихретоковый преобразователь, соединенный телескопическим механизмом с программируемым устройством (US 20120153941 от 02.03.2012, опубл. 21.06.2012, МПК G01N 27/90).
Недостатком данного способа является невозможность применения его в эксплуатации без разборки изделия, в которое контролируемое сборное изделие входит в качестве сборной единицы.
Наиболее близким является способ обнаружения трещин на деталях вращения, заключающийся в том, что вихретоковый преобразователь устанавливают на поверхность контролируемого изделия типа тела вращения, по меньшей мере, с одним концентратором напряжений, вращают контролируемое изделие, определяют наличие трещины по сигналу вихретокового преобразователя (Патент ЕР 2348311 от 14.10.2008, опубл. 22.04.2010, Бюл. №2010/16, МПК G01N 27/90).
Недостатком данного способа является то, что не определяется минимально-выявляемая величина трещины, что не позволяет установить оптимальную периодичность контроля изделия в эксплуатации, а также необходимость установки вихретокового преобразователя в непосредственном концентраторе напряжений на изделии, что может быть затруднительно ввиду сложности конструкции изделия.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность обнаружения определенной минимально-выявляемой величины трещины на начальном этапе ее появления для установления оптимальной периодичности контроля изделий в эксплуатации, а также снижение времени, затрачиваемого на осуществление способа, за счет того, что не требуется разборки изделия для осуществления способа.
Технический результат достигается тем, что вихретоковый преобразователь устанавливают на поверхность контролируемого изделия типа тела вращения, по меньшей мере, с одним концентратором напряжений, вращают контролируемое изделие, определяют наличие трещины по сигналу вихретокового преобразователя.
Новым в изобретении является то, что наличие трещины на контролируемом изделии определяют при получении порогового сигнала вихретокового преобразователя, при этом пороговый сигнал определяется при испытаниях, по меньшей мере, одной детали вращения, по крайней мере, с одним концентратором напряжения и, по меньшей мере, с одной трещиной или имитатором трещины, при которых на деталь устанавливают вблизи концентратора напряжений вихретоковый преобразователь, деталь вращают, при этом вихретоковый преобразователь скользит по поверхности детали в окружном направлении, и получают пороговый сигнал о наличии трещины, при условии, что сигналы от конструктивных концентраторов напряжений при данном расположении вихретокового преобразователя не достигают порогового сигнала, определяют частоту вращения детали, обеспечивающую выявление трещины, строят зависимость минимально-выявляемой длины трещины от частоты вращения детали, перед вращением контролируемого изделия, на котором вблизи концентратора напряжений установлен вихретоковый преобразователь, выбирают по полученной зависимости частоту вращения контролируемого изделия, которая обеспечивает выявление трещины установленной минимальной длины, при вращении контролируемого изделия, по поверхности которого скользит вихретоковый преобразователь в окружном направлении, с выбранной частотой вращения по сигналу вихретокового преобразователя определяют наличие трещины в концентраторе напряжений, если сигнал достигает порогового сигнала, по выявленной зависимости определяют по частоте вращения контролируемого изделия длину трещины, размер которой больше или равен минимально-выявляемой величине, и контролируемое изделие снимают с эксплуатации, если сигнал вихретокового преобразователя не достигает порогового сигнала, то контролируемое изделие допускается к очередному этапу эксплуатации до следующего контроля.
На чертежах показаны:
Фиг.1 - Схема установки вихретокового преобразователя.
Фиг.2 - Блок-схема осуществления способа обнаружения трещины.
Фиг.3 - Блок-схема испытания деталей с трещиной или с имитаторами трещин.
Фиг.4 - Зависимость минимально-выявляемой длины трещины от частоты вращения контролируемого изделия.
Фиг.5 - Пример установленного вихретокового преобразователя на торец диска вблизи паза с лопаткой.
Фиг.6 - Пример зависимости минимально-выявленной трещины на диске компрессора 1 ступени от скорости вращения диска.
Способ обнаружения трещины на контролируемом изделии типа тела вращения с применением вихретокового преобразователя осуществляется следующим образом.
Контролируемым изделием типа тела вращения в газотурбинном двигателе может быть диск компрессора с лопатками, вал, на котором установлен диск, и так далее.
Контролируемое изделие 1 имеет, по меньшей мере, один концентратор напряжений 2. Концентраторами напряжений 2 могут быть пазы диска под хвостовик лопатки 3, отверстия на дисках, шлицы на валу и так далее.
Для обнаружения трещины на контролируемом изделии 1 типа тела вращения вихретоковый преобразователь 4 устанавливают на поверхность изделия вблизи концентратора напряжений 2 (Фиг.1). Наличие трещины при вращении контролируемого изделия, по поверхности которого скользит вихретоковый преобразователь 4 в окружном направлении, определяется сигналом вихретокового преобразователя 4, равным пороговому сигналу (Фиг.2). Пороговый сигнал определяется в ходе испытаний, по меньшей мере, одной детали вращения, по крайней мере, с одним концентратором напряжений, и, по меньшей мере, с одной трещиной или с имитатором трещины.
Для проведения испытаний (Фиг.3) берут, по крайней мере, одну деталь вращения, по меньшей мере, с одним концентратором напряжений и, по крайней мере, с одной трещиной известной длины или имитатором трещины известной длины, полученный механическим путем в концентраторе напряжений.
На эту деталь устанавливают вихретоковый преобразователь вблизи концентратора напряжений. Деталь вращают, при этом вихретоковый преобразователь скользит по поверхности детали в окружном направлении. Получают пороговый сигнал о наличии трещины, при условии, что сигналы от конструктивных концентраторов напряжений, при данном расположении вихретокового преобразователя на детали, не достигают порогового сигнала. Определяют частоту вращения детали, обеспечивающую выявление трещины (Фиг.3).
Далее строят зависимость минимально-выявляемой длины трещины от частоты вращения детали (Фиг.4).
По полученной зависимости определяют частоту вращения ω, которая обеспечивает выявление трещины установленной минимальной длины. Вращают контролируемое изделие 1 с определенной частотой ω, при этом вихретоковый преобразователь 4 скользит по поверхности изделия 1 в окружном направлении (Фиг.1).
По сигналу вихретокового преобразователя 4 устанавливают наличие трещины в контролируемом изделии 1 (Фиг.2).
Если сигнал вихретокового преобразователя 3 достигает порогового сигнала, то по выявленной зависимости определяют по частоте вращения ω контролируемого изделия 1 длину трещины в концентраторе напряжений 2, размер которой больше или равен минимально-выявляемой величине, и контролируемое изделие 1 снимается с эксплуатации.
Если сигнал вихретокового преобразователя 4 не достигает порогового сигнала, то контролируемое изделие 1 допускается к очередному этапу эксплуатации до следующего контроля.
Пример осуществления способа.
В качестве контролируемого изделия используем диск компрессора 1 ступени двигателя Д-30КУ с 31 пазом под лопатку. Контроль диска производится в эксплуатации в составе двигателя Д-30КУ.
Детали данного типа являются высоконагруженными деталями с концентраторами напряжений в замковом соединении типа «ласточкин хвост».
Для обнаружения трещины на контролируемом диске 1 вихретоковый преобразователь 4 устанавливают на торец диска вблизи паза 2 под лопатку 3 (Фиг.5). Наличие трещины при вращении контролируемого диска 1, по поверхности которого скользит вихретоковый преобразователь 4 в окружном направлении, определяется сигналом вихретокового преобразователя 4, равным пороговому сигналу. Пороговый сигнал определяется в ходе испытаний аналогичного диска с имитаторами трещин различной длины: 0.5, 0.7, 1.0, 1.5 мм.
На диск с имитаторами трещин устанавливают вихретоковый преобразователь вблизи паза под лопатку на торец диска.
Этот диск вращают с разной частотой вращения (1, 4, 6 об/мин), при этом вихретоковый преобразователь скользит в окружном направлении по поверхности диска с имитаторами трещин. Получают пороговый сигнал о наличии трещины, при этом сигналы от пазов под лопатки, при данном расположении вихретокового преобразователя на диске, не достигают порогового сигнала. Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1
Испытание диска с имитаторами трещин с помощью вихретокового преобразователя
Частота вращения детали с имитаторами трещин ω, об/мин
Длина трещины по торцу, мм
0.5
0.7
1.0
1.5
1
Не выявлен
Не выявлен
Выявлен
Выявлен
4
Не выявлен
Выявлен
Выявлен
Выявлен
6
Выявлен
Выявлен
Выявлен
Выявлен
Далее строим зависимость минимально-выявляемой длины трещины от частоты вращения диска с имитаторами трещин (Фиг.6).
По полученной зависимости определяют частоту вращения ω контролируемого диска - это частота вращения 6 об/мин.
Вращают контролируемый диск 1 с этой частотой вращения. При этом при данной частоте вращения выявляются трещины длиной от 0,5 мм.
Получили пороговый сигнал на пазах 2 под лопатку 3 под номерами 1, 15, 24. Это свидетельствует о том, что в данных концентраторах напряжений имеются трещины длиной от 0.5 мм, что не допускается для дальнейшей эксплуатации диска, и диск 1 снимают с эксплуатации.