WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Колосков Дмитрий Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ТЕПЛОВЫХ КАНАВОК РОТОРОВ ДЛИТЕЛЬНО РАБОТАЮЩИХ ПАРОВЫХ ТУРБИН

Специальность 05.11.13. – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012 г.

Работа выполнена в НУЦ «Каскад» в Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) Научный руководитель Шкатов Петр Николаевич доктор технических наук, профессор, директор НУЦ «КАСКАД» МГУПИ Официальные оппоненты Покровский Алексей Дмитриевич доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника и интроскопия» МЭИ (технический университет) Петушков Сергей Михайлович кандидат технических наук, Заведующий лабораторией «Электромагнитной и капиллярной дефектоскопии» ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Ведущая организация: ОАО "Центральный научно-исследовательский технологический институт " (ЦНИТИ)

Защита состоится 29 мая 2012 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д212.119.01 при Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики».

Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на официальных сайтах ВАК Министерства образования и науки РФ http://www.vak.ed.gov.ru и Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) http://www.mgupi.ru.

Автореферат разослан "27" апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.119.д.т.н., профессор В.В.Филинов 1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1.



Актуальность.

Техническая диагностика в последнее время приобретает особую актуальность в тепловой энергетике в связи с достижением предельных значений ресурсных параметров машин и оборудования. Наиболее дорогостоящие и технически сложные в изготовлении и эксплуатации элементы энергооборудования – паровые турбины.

Ресурс паровых турбин тепловых электростанций (ТЭС) в значительной степени определяется роторами высокого и среднего давления. Опыт эксплуатации энергооборудования ТЭС показал, что к наиболее уязвимым элементам роторов относятся выполненные в них тепловые канавки. В донной части тепловых канавок возможно возникновение продольных трещин, дальнейшее развитие которых может привести к разрушению ротора. При длительной эксплуатации паровой турбины за счет образования трудноудаляемых твердых отложений на поверхности тепловой канавки ее вихретоковая дефектоскопия существенно затрудняется. Это определяет актуальность темы диссертации, направленной на создание высокоэффективных средств вихретоковой дефектоскопии тепловых канавок.

1.2. Состояние проблемы.

Промышленный выпуск средств вихретоковой дефектоскопии оборудования тепловой энергетики осуществляют многие отечественные и зарубежные фирмы, среди которых наибольшую известность имеют ЗАО МНПО «СПЕКТР», «КРОПУС», «ЛУЧ» (Россия), Zetec, TesTex, DeFelsko (США), Namicon (Италия), Rohmann (Германия), Interkontrol (Франция), Hocking (Великобритания) и др. Известна разработка ЗАО МНПО «СПЕКТР» для дефектоскопии тепловых канавок на основе дефектоскопа ВД-88 со специализированным вихретоковым преобразователем (ВТП).

Данным преобразователем удавалось выявлять дефекты на начальном этапе эксплуатации турбин. Однако с увеличением срока эксплуатации турбин сигналы от дефектов маскировались шумовой составляющей, связанной с образованием твердых отложений, неравномерно распределенных вдоль канавки. Эти отложения не удается полностью устранить и после тщательной механической зачистки.

1.3. Цель работы и задачи исследования.

Цель данной работы – повышение селективности и пороговой чувствительности средств вихретоковой дефектоскопии тепловых канавок длительно работающих роторов паровых турбин Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

определить типы ВТП, перспективные для выявления дефектов в донной части тепловой канавки;

исследовать влияние дефектов в донной части тепловой канавки, а также вариации параметров контролируемого объекта и условий контроля на сигналы различных ВТП и выбрать наиболее перспективный тип ВТП;

провести расчетно-теоретическое исследование выбранного ВТП и провести оптимизацию его конструкции и параметров;

провести экспериментальные исследования для оценки достоверности зависимостей, полученных расчетным путем;

провести натурные экспериментальные исследования и по их результатам провести коррекцию параметров разрабатываемого ВТП и выбрать способ обработки получаемой информации;

обеспечить практическую реализацию дефектоскопии тепловых канавок на основе выполненных исследований.

1.4. Методы исследования:

Для теоретических исследований взаимодействия ВТП с контролируемым объектом применялось математическое моделирование на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились с помощью компьютеризированной многофункциональной установки «КОМВИС ЛМ».

1.5. Научная новизна работы заключается в следующем:

Определены специфические факторы, влияющие на результаты вихретоковой дефектоскопии тепловых канавок длительно работающих роторов паровых турбин: хаотичное изменение положения ВТП при сканировании из-за наличия на стенках и донной части канавки трудноудаляемых твердых отложений, наличие магнитной окалины, электромагнитная неоднородность металла.

Исследовано распределение плотности вихревых токов в донной части и стенках тепловой канавки, а также вторичного электромагнитного поля в зоне контроля при различных вариантах и режимах возбуждающей системы.

Показано, что в возбуждающую обмотку целесообразно выполнять с П-образным сердечником при размещении витков катушки на его верхней перемычке. Это обеспечивает равномерную чувствительность к дефектам типа продольных трещин по всему поперечному сечению донной части канавки.

Установлено, что измерительную систему целесообразно выполнять в виде размещенных в межполюсном пространстве П-образного сердечника двух дифференциально включенных и установленных друг над другом измерительных катушек с ферромагнитными сердечниками параллельными плоскости рабочего торца сердечника.

Разработан ВТП с повышенной селективной чувствительность к дефектам типа трещин в донной части тепловых канавок роторов паровых турбин, находившихся в эксплуатации. Повышение селективной чувствительности достигается путем обеспечения ортогональности напряжений, вносимых за счет влияния дефекта и за счет влияния мешающих факторов (перекоса и вариации рабочего зазора) за счет выбора зазора между сердечниками измерительной и компенсационной катушек и соотношения витков между ними.

Установлены зависимости выходных сигналов разработанного ВТП при воздействии дефектов различной глубины и положения в донной части тепловой канавки, вариации электромагнитных параметров металла и изменений положения чувствительного элемента в процессе сканирования. На основании полученных зависимостей предложена методика одновременного подавления двух сильно влияющих мешающих факторов путем соответствующего выбора рабочей частоты и амплитудно-фазовой обработки сигнала.

1.6. Практическая ценность работы заключается в том, что:

Разработана и реализована конструкция специализированного ВТП для дефектоскопии донной части тепловой канавки роторов паровых турбин.

Разработана методика вихретоковой дефектоскопии тепловых канавок роторов паровых турбин.

1.7. Реализация и внедрение результатов работы:

Разработанный специализированный вихретоковый преобразователь внедрен на ряде предприятий в составе систем вибродиагностики;

на основе выполненных исследований и разработок организован мелкосерийный выпуск преобразователя ВТПU38 на специализированном предприятии «ГлобалТест» (г. Саров).

1.8. Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на XIХ Всероссийской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, на XV Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии», на НТС Всероссийского теплотехнического института.





1.9. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 без соавторов, 3 в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук. Список работ приведен в автореферате.

1.10. Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 105 страницах, иллюстрируется 56 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 155 наименований.

1.11. Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Для надежного выявления дефектов в донной части тепловых канавок роторов паровых турбин находящихся в эксплуатации вихретоковым методом необходимо подавление сильно влияющих мешающих факторов, связанных с перекосами и смещениями вихретокового преобразователя в поперечном сечении канавки при сканировании;

Для дефектоскопии донной части тепловой канавки наиболее эффективен вихретоковый преобразователь с возбуждающей системой, включающей П-образный сердечник и измерительной системой, обеспечивающей измерение изменения тангенциальной составляющей вторичного электромагнитного поля в межполюсном пространстве сердечника;

Одновременное подавление сразу двух сильно влияющих мешающих факторов:

перекоса оси и вариации рабочего зазора, при использовании разработанного ВТП достигается амплитудно-фазовым методом с коррекцией режима на конкретном роторе.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, указаны наиболее важные научные результаты и приведены основные положения, представляемые к защите.

В первой главе показано, что тепловая канавка ротора относится к зонам с высокой вероятность развития трещин. При пусках и остановках турбин на их поверхностях возникают термические (температурные) напряжения, по значению превосходящие предел текучести стали и способствующие зарождению и развитию трещин по механизму малоцикловой усталости. При этом наибольшие термические напряжения имеют место в донной части канавок.

По литературным данным проведен анализ механизма и скорости разрушения ротора при образовании трещин в донной части тепловых канавок. Это позволило выбрать, согласованную с ведущим в данной отрасли предприятием – ОАО «Всероссийский теплотехнический институт» пороговую глубину трещин hпор = 1 мм, при превышении которых дефекты безусловно должны выявляться. Здесь же проведен анализ известных технических решений, направленных на дефектоскопию тепловых канавок или подобных объектов, в частности, резьбовых соединений. Результаты выполненного анализа показали, что при использовании известных технических решений шумовая составляющая сигнала, маскирующая сигналы от дефектов достаточно велика. Установлено, что шумовая составляющая сигнала формируется за счет неравномерного распределения даже после механической зачистки по поверхности канавки твердых отложений. Они приводят к смещениям чувствительного элемента ВТП в поперечном сечении канавки при ее сканировании. Кроме того электромагнитное взаимодействие ВТП с контролируемым объектом изменяется изза наличия магнитных свойств в твердых отложениях, включающих окалину. На основе проведенного анализа формулируется цель и задачи диссертации.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию электромагнитного взаимодействия различных вариантов выполнения возбуждающей и измерительной систем с тепловой канавой. Исследование проводилось методом конечных элементов (МКЭ) на основе сертифицированной программы ANSYS. Продольное и поперечное сечения соответствующей геометрической расчетной модели для признанной наиболее эффективной схемы построения ВТП приведены на рис. 1.

ВТП состоит из возбуждающей системы, выполненной в виде катушки индуктивности с П-образным сердечником и измерительной системы, состоящей из двух дифференциально включенных измерительных катушек со стержневыми сердечниками. Принцип действия ВТП, выполненного по предложенной схеме, заключается в следующем. Возбуждающая система создает вихревые токи, ось которых в межполюсном пространстве П-образного сердечника направлена вдоль тепловой канавки.

Напряженность вторичного магнитного поля вихревых токов Нвт имеет здесь преа) б) Рис. 1. Геометрическая расчетная модель для МКЭ а) продольное, б) поперечное сечения а) б) Рис. 2. Распределение плотности вихревых токов на поверхности канавки:

а) – витки возбуждающей катушки размещены на боковых стержнях П-образного сердечника, б) – на верней перемычке П-образного сердечника.

имущественно тангенциальную составляющую Нвт,, направленную параллельно донной поверхности канавки. При наличии продольной трещины реакция вихревых токов, обтекающих ее, изменяется. Реакция вихревых токов измеряется измерительными катушками, преимущественно нижней, имеющей большую магнитную связь с вихревыми токами в донной части канавки. Одновременно на измерительные катушки воздействует напряженность магнитного поля рассеяния П-образного сердечника и магнитное поле вихревых токов, возбужденных в стенках тепловой канавки. Они создают неинформативную составляющую вносимого в измерительные катушки напряжения. За счет дифференциального включения измерительных катушек обычно происходит ослабление как неинформативной, так и информативной составляющих. Цель исследования состоит в наиболее рациональном выборе размеров сердечников, их взаимного положения, распределения витков катушек и их соотношения с точки зрения максимального отношения влияния вариации информативных и неинформативных параметров на выходной сигнал ВТП.

В расчетной модели дефекты были представлены длинными прорезями глубиной h с различным угловым положением ( = 0°, 45° и 90°) в поперечном сечении донной части канавки (рис. 1-б). Одна из задач состояла в выравнивании чувствительности к дефектам одинаковой глубины h с различным угловым положением . Эта задача решалась путем изменения распределения витков на П-образном сердечнике.

Выполненные расчеты показали, что при размещении витков на верхней перемычке (рис. 2-а) плотность тока по поверхности канавки распределяется более равномерно, по сравнению с вариантом размещения витков на боковых стержнях Побразного сердечника (рис. 2-б). При этом в обоих случаях максимальная плотность тока имеет место в нижней точке поверхности поперечного сечения канавки. В соответствии с этим следует ожидать более равномерной чувствительности к трещинам с различным угловым положением при размещении витков на верхней перемычке.

В процессе расчетов вычислялись комплексы гармонических напряжений U, наводимые в измерительных катушках исследуемых вариантов вихретокового преобразователя ВТП при различных условиях:

напряжение холостого хода U0, наводимое без взаимодействия ВТП с контролиа) б) Рис. 3. U*вн = U*вн (h, ), f = 30 кГц. Витки возбуждающей катушки:

а) - на боковых стрежнях, б) на верхней перемычке руемым объектом;

напряжение Uмс, наводимое на бездефектном участке при симметричном расположении ВТП в канавке с номинальным зазором;

напряжение Uмсz, наводимое на бездефектном участке при симметричном расположении ВТП в канавке при отклонении зазора от номинального;

напряжение Uмп, наводимое на бездефектном участке при прекосе ВТП в канавке;

напряжение Uдс, наводимое на дефектном участке при симметричном расположении ВТП с номинальным рабочим зазором в канавке;

напряжение Uдп, наводимое на дефектном участке при прекосе ВТП, установленного с номинальным зазором при симметричном положении в канавке;

напряжение Uдcz, наводимое на дефектном участке при рабочем зазоре, отличном от номинального и симметричном положении ВТП.

Приведенные на рис. 3 результаты показывают, что при размещении витков катушки на боковых стержнях величина Uд* возрастает. При этом большая величина приращения, порядка 10 %, имеет место для дефектов, расположенных на нижней части дна канавки ( = 0). Следовательно, изменение углового положения дефекта при размещении витков возбуждающей обмотки на боковых стержнях сердечника оказывает большее влияние на регистрируемые сигналы ВТП. Рассчитанные годографы (не приведены) приращения относительного напряжения Uд* вносимого дефектами разной глубины h с различным угловым положением в дне канавке от их глубины показали, что фаза вносимого дефектами напряжения постоянна и не зависит от их глубины, а также угловой ориентации при обоих способах размещения витков возбуждающей обмотки.

Другой важный параметр ВТП, требующий оптимизации, выбор размеров и размещения измерительных катушек. Верхняя измерительная катушка используется для подавления неинформативной составляющей напряжения (компенсации), вносимой в нижнюю катушку. В соответствии с этим нижняя измерительная катушка – рабочая, а верхняя – компенсационная. Очевидно, что рабочая измерительная катушка должна размещаться как можно ближе к донной части канавки. Остается выРис. 4. Распределение Hz в межполюсном Рис. 5. Изменения Hzд, создаваемого пространстве сердечника по оси у, в межполюсном пространстве сердечника на бездефектном участке по оси у, при взаимодействии с дефектом в донной части канавки брать рациональное размещение компенсационной катушки. Для этого проводилось исследование топографии магнитного поля в межполюсном пространстве Побразного сердечника измерительной системы. На рис. 4, приведено распределение амплитуды Hz и квадратурных составляющих Re(Hz) и Im(Hz) осевой составляющей комплекса напряженности магнитного поля Hz, совпадающей по направлению с продольной осью канавки вдоль оси у, параллельной стенкам канавки. Напряженность Hz создается здесь системой возбуждения, установленной симметрично и с номинальным зазором на бездефектном участке канавки. На рис. 5 показано изменение Hzд, создаваемого в межполюсном пространстве сердечника по оси у, при взаимодействии с дефектом в донной части канавки. Анализ полученных зависимостей Hz и Hzд показывает, что в зоне у = 4…6 мм Hz изменяется несущественно, Hzд при у = 4 мм изменяет знак фазы и мало изменяется в диапазоне у = 6…10 мм.

Отмеченная закономерность позволила при дифференциальном включении рабочей и компенсационной катушек подавить влияние неинформативной части напряжения и при этом не ослабить, а усилить влияние дефекта.

Результаты теоретического исследования проверялись экспериментально. Расхождение результатов расчета и эксперимента было сопоставимо с погрешностью выполненных экспериментов.

Третья глава посвящена созданию методики вихретоковой дефектоскопии тепловых канавок длительно работающих паровых турбин на основе разработанного вихретокового преобразователя. Для надежного выявления дефектов необходимо эффективное подавление влияния мешающих факторов. К ним, как уже было отмечено выше, относятся вариация рабочего зазора Z и перекос оси ВТП. Избавиться от них путем механической стабилизации проблематично. Это связано с тем, что в результате многократной механической зачистки тепловых канавок роторов длительно работающих паровых турбин профиль канавок получает неравномерные по длине отклонения. Кроме того, остатки твердых отложений в виде окалины после их механической зачистки распределяются неравномерно.

Рис. 7. U*мcz= U*мcz (Z).

Рис. 6. U*мп= U*мп (): f= 30 кГц Компенсация при Z=0,8 мм, f= 30 кГц На рис. 6 приведены зависимости U*мп от угла наклона ВТП относительно оси, проходящей через центр и через торцы боковых стержней, соответственно. Полученные зависимости показывают, что наклоны относительно оси, проходящей через центр, приводят к изменениям вносимого напряжения на величину сопоставимую с воздействием дефекта глубиной h > 0,6 мм.

На рис. 7 приведены зависимости U*мсz при отклонении рабочего зазора Z от номинальной величины Z = 0,8 мм, при котором проводилась компенсация ВТП для симметричного положения и на бездефектном участке. Из приведенных графиков видно, что отклонение рабочего зазора от номинального на величину ±0,3 мм приводит к такому же изменению выходного сигнала, которое возникает при воздействии дефекта глубиной h = 0,5…1,0 мм. Эффект, соответствующий уменьшению рабочего зазора, может возникать, например, при наличии окалины соответствующей толщины в донной части канавки.

Таким образом, влияние вариации и Z при сканировании тепловой канавки длительно работающего ротора приводит к существенному изменению выходного сигнала ВТП, маскирующему дефекты.

Рис. 8. Годографы U*вн = U*вн(h, , z) Для подавления влияния одноКомпенсация при Z = 0,8 мм, f = 15 кГц го мешающего фактора используется амплитудно-фазовый метод. Вместе с тем в данном случае необходимо одновременное подавление двух факторов. Обычно для решения подобной задачи используется двухчастотный метод. Однако это приводит к существенному усложнению, как приборной реализации, так и настройки прибора перед контролем. Для возможности реализации отстройки сразу от двух мешающих факторов амплитудно-фазовым методом необходимо добиться коллинеарности векторов соответствующих им приращений вносимого напряжения ВТП. На рис. 8 приведены годографы U*вн = U*вн(h, , z). Из приведенных годографов видно, что векторы приращения напряжения U*д и U*п под влиянием дефекта и перекоса по фазе изменяются незначительно, а фаза U*z имеет перегиб. Однако на рабочем участке изменения рабочего зазора 0,9…1,2 мм изменения фазы U*z незначительны.

Как известно, при изменении рабочей частоты и электромагнитных свойств металла контролируемого объекта фазовые углы между векторами приращений U*вн под влиянием различных факторов изменяются. В связи с этим исследовались фазовые соотношения между U*д, U*п и U*z, как при вариации рабочей частоты, так и при вариации электромагнитных свойств металла.

На рис. 9, в частности, показано, что при относительной магнитной проницаемости стали µ = 500 и е удельной электрической проводимости = 2,85 МСм/М необходимые условия достигаются при рабочей частоте f = 30 кГц.

Для наиболее популярной роторной стали 34ХМА проводились расчеты фазовых соотношений между U*д, U*п и U*z в широком диапазоне частот. Полученные результаты приведены на рис. 10. Они показывают, что для дефектоскопии тепловых канавок роторов, изготовленных из данной стали оптимальна частота f = 7 кГц. На этой частоте вектора U*z и U*п коллинеарны и составляют с вектором U*д близкий к 80° угол.

Зависимости, подобные представленной на рис. 10, имеют место и для других марок стали Р2, Р2МА, ЭИ-415, 25Х1М1ФА, 20Х3МВФА. Проведенные исследоваРис. 9. Вектора приращения Рис. 10. Изменение сдвига фаз между приращения U*д, U*п и U*z U*д, U*п и U*z в зависимости от частоты при µ = 500, = 2,85 МСм/М, f = 30 кГц ния показывают, что при выполнении условия коллинеарности векторов U*z и U*п их фазовый сдвиг относительно U*д составляет не менее 55°, что вполне достаточно для надежной отстройки.

Установленная закономерность позволяет провести настройку прибора даже при отсутствии образца из стали, имеющей те же электромагнитные характеристики, что и контролируемый объект. Для этого необходимо иметь три образца из разных марок роторной стали, отличающиеся по своим электромагнитным свойствам.

Последовательность операций при настройке прибора должна быть следующей.

1. Устанавливают минимальную из оптимальных частот для всего ряда сталей рабочую частоту f 3 кГц 2. Вихретоковый преобразователь размещают в тепловой канавке контролируемого ротора на заведомо бездефектном участке, компенсируют, имитируют вариацию зазора и отстраиваются от него, регулируя фазу опорного напряжения.

3. Имитируют изменение перекоса оси ВТП и проверяют выполнение отстройки и от этого мешающего фактора.

4. Последовательно увеличивают рабочую частоту и повторяют п. 2 и п. пока не получат ухудшение условий отстройки при новой частоте.

5. Устанавливают рабочую частоту, соответствующую наилучшим условиям отстройки.

6. Используя комплект из 3-х контрольных образцов, выполненных из различных марок сталей, определяют на каком из них условия отстройки совпадают наилучшим образом.

7. По отобранному контрольному образцу с искусственным дефектом устанавливают порог срабатывания сигнализации дефектоскопа при взаимодействии ВТП с искусственным дефектом глубиной h = 0,5 мм, не меняя фазы опорного напряжения.

Проведенный анализ показывает, что возможная при таком способе настройки погрешность в установке порогового уровня, не превышает 10%. Этого удается избежать, если марка стали ротора и контрольного образца с искусственным дефектом одинаковы. Однако и в этом случае рекомендуется устанавливать фазу опорного напряжения, пользуясь контролируемым объектом.

Четвертая глава посвящена практической реализации вихретоковой дефектоскопии ротора тепловых канавок длительно работающих роторов паровых турбин. В соответствии с проведенными исследованиями и полученными рекомендациями была разработана конструкция и технология изготовления вихретокового преобразователя ВТПU 38. Эскиз разработанного преобразователя приведен на рис. 11, а его внешний вид до заливки и установки крышки – на рис. 12. Корпус вихретокового преобразователя состоит из трех частей, соединяемых электронно – лучевой сваркой: корпуса, защитной пластины и боковой крышки. Чувствительный элемент, размещаемый в нижней части ВТП, защищен от абразивного действия металла защитной пластиной из нержавеющей немагнитной стали толщиной 0,3 мм. За счет экранирующего действия защитной пластины происходит ослабление сигнала ВТП порядка 10%, что приемлемо и не препятствует достижению требуемой пороговой чувствительности.

Рис. 11. Эскиз ВТПU 38 Рис. 12. ВТПU 38 без боковой крышки Возбуждающая и измерительные обмотки наматываются вручную проводом диаметром 30 мкМ. Балансировка вихретокового преобразователя осуществляется на специально разработанном стенде включающем «КОМВИС ЛМ» и фрагмент натурного образца ротора с тепловой канавкой. Чувствительный элемент балансируется за счет подбора витков в компенсационной измерительной обмотке и вариации в незначительных пределах взаимного положения сердечников. Балансировка проверяется при чувствительном элементе закрытом защитной пластиной и размещенном в тепловой канавке фрагмента ротора с тепловой канавкой (рис. 13).

Рис. 13. Эскиз и внешний вид образца для настройки из фрагмента ротора с тепловой канавкой Для практической реализации вихретоковой дефектоскопии тепловых канавок был выбран разработанный в МГУПИ и внесенный в реестр средств измерений РФ портативный многофункциональный вихретоковый дефектоскоп–дефектомер «ЗОНД ВД-96». Вихретоковый дефектоскоп-дефектомер «ЗОНД ВД-96» имеет амплитудно-фазовую отстройку, диапазон рабочих частот от 1 до 250 кГц, возможность представления сигнала на комплексной плоскости при подключении осциллографа и дополнительной обработки сигналов при подключении выхода дефектоскопа к ПК через порт RS-232. Имеется возможность подключения ВТП с различными индуктивными и активными сопротивлениями возбуждающей обмотки в согласованном режиме. Выбранный дефектоскоп соответствует всем требованиям для реализации в полном объеме дефектоскопии тепловых канавок разработанным преобразовытелем.

Для настройки вихретокового дефектоскопа перед контролем были разработаны и изготовлены контрольные образцы с искусственными дефектами, составлены методические рекомендации по дефектоскопии. Эскиз разработанного контрольного образца ОСП–U3х8–20х20х150–Р–СтНМ приведен на рис. 13.

Для более эффективного подавления шумовой составляющей, связанной с неравномерным распределением окалины после механической зачистки канавки рассматривался вариант дополнительной обработки регистрируемых сигналов. Так как окалина обладает магнитными свойствами, меняющимися случайным образом, при некачественной зачистке при сканировании возникает фон, затрудняющий надежную регистрацию дефектов с величиной близкой к пороговой. Для подавления этого фона целесообразна цифровая фильтрация. Для ее реализации использовалась возможность подключения дефектоскопа-дефектомера к ПК.

Рис. 13. Контрольный образец ОСП–U3х8–20х20х150–Р–СтНМ.

Для метрологического обеспечения дефектоскопа при дефектоскопии тепловых канавок предложено использовать комплект из трех идентичных по своим геометрическим размерам образцов, отличающихся своими электромагнитными свойствами. Предложены критерии отбора сталей для этих образцов.

При отсутствии информации о магнитных свойствах стали контролируемого ротора предусмотрена процедура выбора соответствующего образца путем измерений и сопоставления сигналов, получаемых на контрольных образцах и на контролируемом объекте.

3. Основные результаты работы 1. Определены специфические факторы, влияющие на результаты вихретоковой дефектоскопии тепловых канавок длительно работающих роторов паровых турбин. Установлено, что при сканировании тепловой канавки из-за неравномерно распределенных по ее поверхности трудно удаляемых отложений неизбежны хаотичные смещения ВТП. Это приводит к паразитным изменениям сигналов известных ВТП, превышающим полезный сигнал от дефекта с недопустимыми размерами.

2. Исследовано распределение плотности вихревых токов в донной части и стенках тепловой канавки, а также вторичного электромагнитного поля в зоне контроля при различных вариантах и режимах возбуждающей системы. Показано, что неравномерность распределения плотности вихревых токов по донной части канавки и прилегающих к ней зон существенно возрастает при смещении размещенных на П-образном сердечнике витков к донной части канавки.

3. Показано, что в возбуждающую обмотку целесообразно выполнять с Побразным сердечником с витками на его верхней перемычке. Это обеспечивает равномерную чувствительность к дефектам типа продольных трещин по всему поперечному сечению донной части канавки.

4. Установлено, что измерительную систему целесообразно выполнять в виде размещенных в межполюсном пространстве П-образного сердечника двух дифференциально включенных и установленных друг над другом измерительных катушек с ферромагнитными сердечниками параллельными плоскости рабочего торца сердечника. Это позволяет существенно ослабить влияния перекосов оси ВТП и вариации рабочего зазора на вносимое в измерительную систему напряжение при сканировании.

5. Разработан новый ВТП с повышенной селективной чувствительность к дефектам типа трещин в донной части тепловых канавок роторов паровых турбин, находившихся в эксплуатации. Схема построения ВТП, его параметры и способ настройки выбраны на основе проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований.

6. Установлены зависимости выходных сигналов разработанного ВТП при воздействии дефектов различной глубины и положения в донной части тепловой канавки, вариации электромагнитных параметров металла и изменений положения чувствительного элемента в процессе сканирования. Полученные зависимости позволили выбрать способ обработки сигналов при сканировании тепловой канавки и рациональные режимы контроля.

7. Разработано метрологическое обеспечение средств дефектоскопии тепловых канавок роторов длительно работающих паровых турбин, учитывающее значительный разброс электромагнитных характеристик сталей различных роторов.

8. Дефектоскопия тепловых канавок длительно работающих роторов паровых турбин практически реализована на основе вихретокового дефектоскопадефектомера «ЗОНД ВД-96», в совокупности с разработанными специализированным вихретоковым преобразователем, метрологическим обеспечением и методикой контроля. Проведено опытное апробирование разработанных средств и методики дефектоскопии в натурных условиях.

4. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

Публикации в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук:

1. Шкатов П.Н., Колосков Д.В. Вихретоковый контроль тепловых канавок роторов паровых турбин.– Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.– № 6-2(290). –2011.- С. 136-140.

2. Шкатов П.Н., Колосков Д.В. Математическое моделирование взаимодействия вихретокового преобразователя с дефектами в тепловых канавках роторов паровых турбин.– Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.– № 2- (292). –2012.- С. 116-119.

3. Шкатов П.Н., Колосков Д.В. Разработка вихретокового преобразователя для дефектоскопии тепловых канавок роторов паровых турбин// Приборы.– №4.–2012.– С. 1418.

Публикации в других научных журналах и изданиях 4. Шкатов П.Н., Колосков Д.В. Исследование вихретокового преобразователя для дефектоскопии тепловых канавок роторов паровых турбин//Вестник МГУПИ.– Серия: Приборостроение и информационные технологии.– М.–№ 38.– 2012.– С. 99104.

5. Колосков Д.В. Математическое моделирование электромагнитного взаимодействия вихретокового преобразователя с объектом сложной формы //Труды XV Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии».– М.– 2012.–С. 75-79.

6. Колосков Д.В. Обработка информации при вихретоковой дефектоскопии тепловых канавок ротора // Труды XV Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии».– М.– 2012.–С. 80-81.

7. Шкатов П.Н., Колосков Д.В. Исследование влияния кривизны контролируемого участка на регистрируемые сигналы при вихретоковой дефектоскопии // Тезисы докладов XIХ Всероссийской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике.– Самара.– 20Подписано в печать 11.04.2012г. Формат 60х84. 1/16.

Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ Московский государственный университет приборостроения и информатики






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.