Системы неразрушающего контроля и диагностики оборудования

Технологии неразрушающего контроля и диагностики.

Надежность конструкций и оборудования, в значительной степени, определяется техническим состоянием высоконагруженных металлических элементов. Наибольшие статические и циклические эксплуатационные нагрузки возникают в зонах гибов, кромок, галтельных переходов, соединений, канавок, разгрузочных отверстий и каналов. В процессе длительной эксплуатации под влиянием механических, тепловых, химических и радиационных воздействий металл становится неоднородным, а на его поверхности образуются слои грязи, ржавчины, окалины, увеличивается шероховатость.

Опыт применения известных приборов и систем ведущих зарубежных фирм Hocking (Англия), Institut dr Förster, Rohmann, Karl Deutsch, Siemens (ФРГ), Эддо (Япония), Zetec (США), Intercontrol (Франция), Tecnatom (Испания) показал, что они не решают задач контроля и диагностики высоконагруженных элементов конструкций и оборудования, находящихся в длительной эксплуатации.

С учетом специфики решаемой задачи в МГУПИ разработаны интеллектуальные первичные преобразователи, компьютеризированные многофункциональные приборы и системы вихретокового и электропотенциального контроля.

Разработанные приборы вихретоковой дефектоскопии с интеллектуальными преобразователями «ЗОНД ВД-96», «ЗОНД ВС-04», «ЗОНД ВД-СУ», обеспечивают надежное выявление опасных дефектов сплошности и дефектов структуры без предварительной подготовки сканируемой поверхности, с подавлением влияния мешающих факторов, обусловленных длительной эксплуатацией металла и сложностью формы высоконагруженных элементов. Роботизированная система комплексного неразрушающего контроля «ЗОНД-КРОТ» осуществляет дистанционный контроль со стороны внутренних полостей вихретоковым и оптико-телевизионным методами. В электропотенциальном дефектомере «ЗОНД ИГТ-98» впервые решена задача измерений с учетом 5-ти влияющих параметров в реальном масштабе времени. Это обеспечило измерение глубины трещин на поверхности высоконагруженных элементов с достаточной для практики точностью.

Вихретоковый дефектоскоп «ЗОНД ВД-96» успешно применяется для выявления трещин на кромках лопаток из жаропрочных сталей и титановых сплавов, дефектоскопии тепловых канавок и галтельных переходов роторов паровых турбин ТЭС, силовых элементов планера и лопастей вертолетов.

Вихретоковый структуроскоп «ЗОНД ВС-04» обеспечивает высокопроизводительное выявление зон с повышенной твердостью на лопатках паровых турбин. Наличие подобных дефектов структуры металла послужило причинам нескольких аварий на Сургутской ГРЭС-2. Применение структуроскоп «ЗОНД ВС-04» позволило выявить более 300 потенциально опасных лопаток на различных  турбинах ТЭС и тем самым предотвратить возможные аварии.

Роботизированная система комплексного контроля «ЗОНД ВД-96» с большим эффектом используется для дефектоскопии роторов паровых турбин со стороны осевого канала.

Рис. 1.. Внешний вид некоторых интеллектуальных вихретоковых
преобразователей.

Многофункциональный вихретоковый дефектоскоп-дефектомер «ЗОНД ВД-96» успешно применяется для оперативного вихретокового контроля высоконагруженных элементов тепловой и атомной энергетики, авиационной техники, железнодорожного транспорта, нефте- и газо- проводов. Дефектоскоп совместим со всеми типами разработанных интеллектуальных ВТП, работает в широком диапазоне частот, прост в эксплуатации и обслуживании.

Электронный блок дефектоскопа постоянно совершенствуется и выполнен на современной элементной базе.

 
Рис. 2. Внешний вид дефектоскопа-дефектомера «ЗОНД ВД-96»

«Зонд ВД-96» позволяет не только выявлять, но и оценивать параметры выявленных дефектов в диапазоне от 0,1 мм до 5 мм. Прибор имеет возможность представления сигнала в режиме «комплексная плоскость», подключения к ПК и датчиков пути. Датчик пути позволяет получать масштабированные дефектограммы, сохраняемые затем в ПК. Дефектоскоп-дефектомер «ЗОНД ВД-96» удостоен Серебряной медали 27-го Международного Салона Изобретений (Женева, 1999) и Золотой медали салона изобретений «Архимед-2003».

Рис. 3. Структурная  схема  дефектоскопа «ЗОНД ВД-96»
ПЦС – устройство прямого цифрового синтеза – формирует синусоидальный сигнал заданной частоты;  УМ – усилитель мощности; ВУ – входной усилитель; АФД – амплитудно фазовый детектор; ФНЧ-1 и ФНЧ-2 – активные фильтры низких частот; ПУ – преобразователь логических уровней.

Таким образом, в МГУПИ разработаны не имеющие аналогов интеллектуальные вихретоковые преобразователи. Они обеспечивают надежное выявление дефектов в различных элементах оборудования атомных и тепловых электрических станций в процессе эксплуатации. Данные преобразователи позволяют проводить дефектоскопию корпусного оборудования, трубопроводов, лопаток паровых турбин, тепловых канавок, шпилек, галтельных переходов, осевого канала ротора без предварительной подготовки поверхности, подвергнутой эрозионному износу, содержащей ржавчину, окалину, различные отложения. Эффективность разработанных вихретоковых преобразователей подтверждается успешным опытом их эксплуатации на более, чем 100 предприятиях тепловой энергетики, обслуживания авиационной техники, газоперекачивающих станций. Имеется положительный опыт их применения на Хмельницкой АЭС для дефектоскопии лопаток из титановых сплавов турбин К-1000-60/3000 (ЛМЗ) и на Белоярской АЭС для дефектоскопии гибов трубопроводов.

1. Компьютеризированный электропотенциальный измеритель глубины трещин

«ЗОНД ИГТ-98» – высокоточное  средство  измерения  глубины  обнаруженных трещин. В данном приборе впервые реализован алгоритм вычисления по регистрируемым сигналам глубины трещины с учетом ее длины и толщины контролируемого участка. Это позволяет измерять глубину ко трещин с отношением "длина/глубина" < 5 с погрешностью не более 10% (у существующих аналогов – до 60%). Измерения глубины трещин проводятся в диапазоне от 0,5 мм до 100 мм с относительной погрешностью не более 10%.

Рис. 4. Структурная  схема «ЗОНД ИГТ-98».

БП содержит токовые (Т1 и Т2) и потенциальные (П1 и П2) электроды, предварительный усилитель ПУ, а также кнопку КН для запуска процессора измерения. БЭ включает в себя батарею конденсаторов БК, источник тока ИТ, аккумулятор АК, управляемый источником тока, формирователь импульсов ФИ, блок питания П, два компаратора (КП1, КП2), согласующий усилитель СУ, аналого–цифровой преобразователь АЦП, однокристальную микро–ЭВМ ОЭВМ (87С51FC), оперативное запоминающее устройство ОЗУ, жидкокристаллический индикатор ЖКИ и клавиатуру КЛ.

Рис. 5.  Электропотенциальный измеритель глубины трещин
 «ЗОНД ИГТ-98»

2. Средства вихретокового экспресс-контроля лопаток паровых турбин ротора

В процессе эксплуатации в лопатках возникают поверхностные трещины, развитие которых может привести их разрушению.

Наиболее технологичен неразрушающий контроль лопаток вихретоковым методом. Вместе с тем, вихретоковый контроль лопаток затруднен при наличии на их поверхности эрозионного износа. Фрагмент лопатки с эрозионным износом представлен на рис. 6.

Рис. 6. Фрагмент лопатки из стали 12Х13-Ш с эрозионным износом.

Данная задача для лопаток из жаропрочных, коррозионностойких и титановых сплавов была впервые успешно решена с помощью разработанного в МГУПИ вихретокового дефектоскопа-дефектомера «ЗОНД ВД-96» с интеллектуальными вихретоковыми преобразователями УВТП 10×30, УВТП 7×20 и КВТП2×4. Были разработаны методики контроля и соответствующие руководящие документы [1], успешно внедренные на большинстве энергосистем РАО «ЕЭС России», Ленинградском металлургическом заводе (ЛМЗ), Заводе турбинных лопаток (ЗТЛ) (г. Санкт- Петербург) а также на Хмельницкой АЭС.

Рис. 7. Излом разрушенной лопатки 60 ступени.
(1 – очаг разрушения; 2, 3 – развитие трещины; 4 – зона долома)

Рис. 8. Участок  лопатки с   трещиной.
а - вид со стороны припайки стеллитовых пластин;
б - с противоположной стороны лопатки.

Рис. 9. Зависимость твердости, измеренной на темплетах из лопаток, от показаний вихретокового прибора

В 2004 г. для выявления зон с повышенной твердостью был разработан специализированный прибор – вихретоковый структуроскоп «ЗОНД ВС-04». Прибор «ЗОНД ВС-04» прошел ведомственные испытания в ВТИ и успешно внедрен на Ленинградском механическом заводе (ЛМЗ), Заводе турбинных лопаток (ЗТЛ), на ОАО «Тюменьэнергоремонт», Костромской ГРЭС.

«ЗОНД ВС-04» имеет режим обучения по образцам, режим измерения при непрерывном сканировании поверхности лопатки и точечных установках ВТП. Память прибора позволяет записать в удобном формате результаты измерения на всех лопатках турбины.

Рис. 10. Вихретоковый структуроскоп «ЗОНД ВС-04»

3.Роботизированные комплексы для контроля ротора со стороны осевого канала

Одним из важнейших показателей состояния ротора являются результаты диагностики металла ротора со стороны осевого канала. Трещины в горячей зоне роторов свидетельствуют о развитии процессов деформации ползучести  металла. Своевременное выявление и устранение таких дефектов является актуальной задачей неразрушающего контроля.

Для решения этой задачи разработано роботизированная система комплексного неразрушающего контроля «ЗОНД-КРОТ». Эта система осуществляет дистанционный контроль со стороны внутренних полостей вихретоковым и оптико-телевизионным методами. «ЗОНД–КРОТ» благодаря использованию интеллектуальных вихретоковых преобразователей, автоматизации процесса контроля, устранению субъективных факторов, программному управлению процесса сканирования, сбора и анализа информации обеспечили надежное выявление опасных дефектов. Обеспечивается регистрация поверхностной несплошности типа трещины глубиной 0,5 мм и протяженностью 3 мм и более, а также внутренней несплошности с эквивалентной площадью 1,5 мм2   на глубине  до 80 мм.

Рис. 13.  Транспортно-сканирующий механизм комплекса «ЗОНД–КРОТ»

Рис. 14. Блок первичного преобразователя и блок управления системы «ЗОНД-КРОТ»

Внешний вид сканирующего механизма представлен на рис. 13. Он содержит следующие основные элементы: блок первичных преобразователей (БПП) 1, привод вращения 2, три распорных рычага 3, привод перемещения 4, три тяги 5 с встроенными редукторами, электронный блок 6 управления шаговыми двигателями приводов, разъемы 7 и 8 для подключения соединительного кабеля №1, токосъемник 9 для электрической связи между кабелем № 1 и БПП 1. Блок первичного преобразователя 1 содержит следующие основные элементы: вихретоковый преобразователь 10 типа ВТП 5х10, камеру телевизионную 11, два элемента освещения 12, технологические отверстия 13 для смазки пар трения токосъемника, опорные ролики 14 и 15.

Рис. 15. Информация, отображаемая в ручном (сверху) и автоматическом (снизу) режимах.

Основных технические характеристики комплекса «Зонд-Крот»
- Не требует зачистки поверхности;
- Диаметр канала, мм:   80...120;
Производительность контроля:
- Скорость продольного движения, см/мин:   1...100,
- Скорость вращения блока датчиков, об/с:   0,3...3;
- Размер видеокадра, точек:   640х480;
- Размер выявляемых трещин, мм:   >2×0,5×0,01;

Система работает в двух режимах: автоматическом  и ручном. Вид отображаемой информации представлен на рис. 15.

4. Система диагностики аварийных состояний турбогенераторов

Многоканальный гигрометр ИВГТ-1 предназначен для мониторинга влагосодержания в объеме активной зоны мощных турбогенераторов (800 и более МВт)  и оперативное (в течение 3-5 минут) обнаружение утечек воды (или повышение концентрации паров воды) в любом месте  активной зоны генератора, не допуская тем самым увлажнения межфазных зон обмоток статора и других отказов, определяемых повышенным влагосодержанием.

Измеритель может быть использован для измерений влажности газов (например, утечек воды в трубопроводах контуров атомных силовых установок).

В системе реализован способ по патенту РФ № 2380809, публикация 27.01.2010г., бюллетень №3.

В отличие от известных решений по патентам РФ №№ 2184369, 2268509, 2369863 и общепромышленных гигрометров, используемых в настоящее время, например, «Волна» или ИВТМ – 7, гигрометр ИВГТ-1 имеет такие  конструктивные решения и алгоритм функционирования, что из сигнала диагностики состояния газовой среды в генераторе исключается погрешность датчика. Указанная особенность позволяет обнаруживать увеличение влажности в измеряемом объеме на сотые или десятые доли градуса по точке росы (уровень чувствительности устанавливается выбором из меню прибора). 

Назначение ИВГТ-1 - измерение влажности газа  в электрогенераторах и других объектах, обнаружение аварийных концентраций паров воды в активной зоне генератора или другого объекта измерений, информация оперативного персонала об аварийной концентрации паров и фиксация процесса развития аварийной ситуации.

Измеритель осуществляет:
- преобразование влагосодержания газа в объеме генератора в электрические токовые сигналы (4 канала) и цифровые значения влажности (0 С по точке росы) с отображением текущих значений на цифровом табло (4 канала);
- преобразование и трансляцию электрических токовых сигналов (4 - 20 мА) измерителя в локальную сеть электростанции;
- анализ аварийных концентраций влагосодержания (по специальному алгоритму, исключающему ошибочные срабатывания системы и выдачу ложной информации);
- формирование дискретных сигналов (команд) по программе анализа аварийных состояний.

Рабочая среда  -  газ со следующими параметрами:

Параметры окружающей среды:

Конструкция системы.

Гигрометр смонтирован в одном общем блоке, кроме блока питания, выполненного в виде отдельного конструкции.  Электрическая связь с блоком питания и локальной сетью электростанции обеспечивается  разъемными соедине­ниями на блоке. Кабельные линии связи в комплект поставки  системы не входят.

3.2.2. В конструкции узла отбора проб установлены фильтры от механических и масляных частиц размером более 20 мкм.

3.2.3. Конструкция узла отбора пробы газа обеспечивает надежное крепление присоединительных трубок из неметаллических материалов (фторопласт, винил).

3.2.4. По устойчивости к внешним воздействиям электронный блок  соответствует (по ГОСТ 12997-84):

Функциональная схема гигрометра представлена на Фиг. 1, внешний вид опытного образца прибора с блоком питания, закрепленными на виброустойчивой панели – на фиг. 2.

Фиг. 1. Функциональная схема измерительного блока гигрометра ИВГТ-1

Фиг. 2. Монтажная панель с измерительным блоком и блоком питания в сборе

Два опытных экземпляра гигрометра ИВГТ-1 установлены на двух турбогенераторах Т3В-800 2У3. Каждый гигрометр имеет 4 штуцера подачи газа из измеряемого объема генератора так, чтобы одним гигрометром контролировать влагосодержание воздуха со стороны турбины, а вторым – со стороны возбудителя. Ниже приведены фотографии части генератора № 6 с ИВГТ-1со стороны возбудителя – процесс монтажа и работа прибора.

5.Система контроля протечек радиоактивной воды

Предлагаемый гигрометр предназначен для измерения влажности газа в пространственно разнесенных  помещениях и объемах оборудования, особенно в тех случаях, когда демонтаж систем (например, для поверки или градуировки) – в помещениях 1-го контура реакторов, в кожухах реакторов и т.д.

Особенность предлагаемого решения заключается в том, что в сорбционный гигрометр встроен автоматический калибратор, позволяющий постоянно корректировать функцию преобразования гигрометра, изменяющуюся от источников собственной погрешности и влияющих факторов (в частности, от радиации).

Указанные особенности гарантируют работу прибора с паспортными метрологическими характеристиками  в течение межповерочного срока, составляющего более 5 лет. (Исследование опытных экземпляров приборов может позволить исключить демонтаж прибора за все время его эксплуатации).

На текущий момент имеются только теоретические проработки макета прибора. Для изготовления макета необходимы финансовые затраты на приобретение газовых коммутаторов, микрокомпрессоров, элементов электроники.

У авторов есть договоренность с предприятиями приборостроительной направленности об оказании содействия в изготовлении приборов (механические работы при изготовлении корпусов, изготовление печатных плат и т.д.) и последующем изготовлении приборов на их базе. Указанное обстоятельство ускорит и удешевит изготовление приборов.

6.Измеритель сухости пара

Для определения относительного внутреннего КПД ступени или турбины в целом, работающей в области влажного пара,  или при определении тепловых потерь в окружающую среду паровых сетей, транспортирующих пар необходимо измерять степень сухости пара.

Известные технические решения (например, по патентам РФ № № 819663, 1089496, 1772705) очень сложны в реализации  - требуют дополнительной установки сепараторов пара, теплообменников, измерителей расхода воды и пара, их давления и температуры. В итоге устройства оказываются сложными, низкой точности и ненадежными в эксплуатации.

Предлагаемое решение резко упрощает устройство измерителя и повышает точность результатов измерения.

На текущий момент имеются только теоретические проработки макета прибора. Для изготовления макета необходимы финансовые затраты на приобретение высокотемпературных газовых реле, высокотемпературных датчиков абсолютного давления, элементов электроники.

У авторов есть договоренность с предприятиями приборостроительной направленности об оказании содействия в изготовлении приборов (механические работы при изготовлении корпусов, изготовление печатных плат и т.д.) и последующем изготовлении приборов на их базе. Указанное обстоятельство ускорит и удешевит изготовление приборов.