WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
УДК 658.53 /.59:621.187.2 ОЦЕНКА РЕСУРСА ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ДИАГНОСТИКИ Баширов М.Г., Кузеев И.Р.

(Уфимский государственный нефтяной технический университет) Задача обеспечения промышленной безопасности в условиях продолжающегося физического и морального износа оборудования на опасных производственных объектах Российской федерации обусловливает повышение роли методов и средств диагностики. Использование оборудования нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, работающего с взрыво-, пожароопасными и токсичными средами при избыточном давлении и высоких температурах, срок эксплуатации которого значительно превышает нормативный, потенциально опасно и увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций. При этом аварии могут приводить к человеческим жертвам, отравлениям, загрязнениям окружающей среды и большим экономическим потерям, в связи с чем очень важно определять научно обоснованными методами техническое состояние и возможность безопасной эксплуатации оборудования за пределами нормативного срока. Неразрушающий контроль является инструментом экспертизы промышленной безопасности, поэтому достоверность оценки технического состояния оборудования во многом определяется применяемыми средствами неразрушающего контроля.

Анализ аварийности и травматизма на предприятиях нефтепереработки показывает [1], что в каждом третьем случае причиной аварии служит техническое устройство. Более детальный анализ показывает, что основными причинами отказов явились либо медленно прогрессирующие повреждения типа коррозионного или эксплуатационного износа, либо повреждения в результате некачественного ремонта, применения несоответствующих условиям эксплуатации или неисправных комплектующих изделий, нарушения технологии сварки. Данные повреждения могли бы быть своевременно выявлены при наличии соответствующих средств 2 неразрушающего контроля. Несмотря на широкий спектр выпускаемых промышленностью средств неразрушающего контроля и диагностики, большого количества разработанных методов прогнозирования, проблема объективной и надежной оценки технического состояния и прогнозирования ресурса опасных производственных объектов на сегодняшний день не решена. Данная ситуация послужила причиной разработки и утверждения Госгортехнадзором России «Концепции управления Системой неразрушающего контроля и основных направлений ее развития». В данном документе указывается на необходимость организации программных исследований в области развития неразрушающих методов контроля, разработки и реализации мероприятий, направленных на повышение промышленной безопасности подконтрольных Госгортехнадзору России объектов на основе широкого использования методов неразрушающего контроля.

Для решения задачи обеспечения безопасности эксплуатации оборудования нефтеперерабатывающих предприятий необходимы высокопроизводительные, высокоинформативные средства неразрушающего контроля. Перспективными для контроля крупногабаритного оборудования нефтепереработки являются электромагнитные методы, которые являются бесконтактными, позволяют получать первичную информацию в виде электрических сигналов. Механические и электрофизические свойства материалов «закладываются» на уровне структуры и взаимосвязаны. Все изменения в структуре материала в процессе деформирования-разрушения, зарождение и развитие микроповреждений отражаются в соответствующих изменениях электрофизических параметров.

Совокупность доменов и междоменных границ составляет доменную структуру магнитного материала. Взаимодействием этой структуры с дефектами кристаллической решетки и с макроскопическими дефектами определяются все структурно-чувствительные свойства магнитных материалов. Наличие внутренних напряжений приводит к изменению энергии междоменной границы.

При наличии дефектов структуры в виде включений возникают поля рассеяния, образуя доменную субструктуру. Магнитный поток обтекает включения, и внутри домена образуются малые домены и, соответственно, дополнительные междоменные границы. При росте одних доменов за счет других происходит переход границы через включение, что сопровождается увеличением поверхностной энергии. Макроскопические поры действуют так же, как и неферромагнитные включения. В процессе упругих и пластических деформаций ферромагнетика доменная структура претерпевает значительные изменения.

Одноосные упругие деформации приводят к существенной перестройке типа магнитной структуры, изменяют размеры Рис. 1. Рельеф амплитуд гармонических отдельных доменов и составляющих сигнала преобразователя при растяжении вид междоменных образца из стали марки 40Х границ. Такая перестройка структуры существенно изменяет электромагнитные характеристики материала - величины продольной и поперечной магнитострикции, вихретоковых и полных магнитных потерь, магнитной проницаемости и др. Пластическая деформация, внося в ферромагнетик дефекты кристаллической структуры, измельчает магнитную доменную структуру, то есть затрудняет процессы смещения основных доменных границ [2]. При этом характер возникающих дефектов и особенности их распределения в кристалле обусловливают соответствующие изменения электрофизических свойств. Любое воздействие на металл, приводящее к увеличению в нем дефектов кристаллического строения, приводит к увеличению электрического сопротивления. Таким образом, изменения электрофизических свойств металлов при действии нагрузок соответствуют изменениям в структуре и накоплению повреждений.

Бесконтактное измерение взаимосвязанных механических и электрофизических параметров металлов обычно осуществляется электромагнитными методами с помощью электромагнитных преобразователей.

Так как спектр гармонических составляющих сигнала электромагнитного преобразователя отображает более тонкое строение формы индуктируемой ЭДС, то параметры спектра являются более информативными, чем классические магнитные характеристики или первые гармоники ЭДС. Анализ общих закономерностей взаимосвязи механических и электрофизических свойств металлов с параметрами гармонических составляющих вторичного электромагнитного поля, проведенный на основе системы уравнений Максвелла, описывающих внешнее электромагнитное поле в пространстве вокруг преобразователя, показывает возможность их использования в задачах диагностики и прогнозирования ресурса оборудования [3].

Для исследования зависимости параметров гармонических составляющих вторичного электромагнитного поля от уровня и характера повреждений структуры металла, был разработан компьютеризованный Рис. 2. Рельеф амплитуд гармонических составляющих сигнала проходного преобразователя исследовательский при растяжении образца из стали марки 12Х18Н10Т комплекс, состоящий из стандартной испытательной машины и автоматической измерительной системы. Связь электромагнитных измерительных преобразователей с измерительной системой осуществляется через плату сопряжения ТР-805 фирмы Ti-Pi, которая содержит аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи и анализатор спектра. Для обработки информации использовался программный комплекс Spectralab фирмы Sound Technology Inc. Испытанию подвергались цилиндрические образцы с размерами:

длина рабочей части - 100 мм; диаметр - 6 мм; концентратор напряжения - круговая проточка шириной 1 мм, глубиной 0,7 мм. Плоские образцы с размерами: длина - мм; ширина - 60 мм; толщина 8 мм. Концентратор напряжения - боковой пропил в средней части образца протяженностью 33 мм, раскрытием 2,5 мм. При испытаниях на циклическую нагрузку использовали плоские образцы сечением 2х3 мм и длиной рабочей части 60 мм. В качестве материалов-представителей взяты наиболее широко применяемые в нефтяном машиностроении углеродистые, низколегированные и нержавеющие стали.

На рисунке 1 приведены зависимости амплитуд гармонических составляющих сигнала проходного электромагнитного преобразователя при растяжении цилиндрического образца из стали марки 40Х до полного разрушения. Как видно из рисунка, разные гармонические составляющие по-разному реагируют на приложенную нагрузку, но в совокупности они характеризуют состояние материала при конкретной нагрузке. Аналогичные исследования были проведены для углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей при Рис. 3. Рельеф амплитуд гармонических растяжении, сжатии и составляющих сигнала преобразователя при кручении кручении цилиндрических образца из стали марки Стобразцов, при растяжении и циклических нагрузках плоских образцов. Соответствующие диаграммы приведены на рисунках 2-4.

Анализ изменения гармонических составляющих спектра сигнала электромагнитного преобразователя при различных схемах нагружения образца показывает, что деформация сдвига увеличивает первую и четные гармоники, а нормальные напряжения вызывают увеличение нечетных гармоник выше первой.

При больших продольных нагрузках на стержень начинается перераспределение напряжений, что отражается в увеличении первой и четных гармоник сигнала преобразователя. Когда касательные напряжения достигают определенного значения, третья гармоника резко уменьшается. Это явление может быть использовано в качестве в качестве физического критерия потери устойчивости в задачах прогнозирования ресурса оборудования.

Различные изменения параметров гармоник отражают иерархичность и многостадийность процессов разрушения материалов. Каждую стадию можно идентифицировать совокупностью параметров гармонических составляющих спектра сигнала электромагнитного преобразователя.

Сопоставление рельефа амплитуд гармонических составляющих с диаграммой нагружения образцов из этих металлов показывает, что каждая точка на кривой нагружения могут быть отображена совокупностью соотношений амплитуд и фаз гармонических составляющих сигнала электромагнитного преобразователя.

Для исследования параметров гармоник сигнала при растяжении плоских образцов с концентратором напряжения – боковым пропилом использовались накладные локальные электромагнитные преобразователи. На поверхность образца была Рис. 4. Рельеф амплитуд гармонических составляющих сигнала преобразователя при нанесена сетка, в узлах кручении образца из стали марки 12Х18Н10Т которой производились измерения. Сначала измерения производились на ненагруженных образцах, а затем образцы подвергались растяжению и записывались параметры сигнала во всех отмеченных точках.

Полученные сигналы раскладывались в ряд Фурье и измерялись амплитуды и фазы гармонических составляющих.

Для построения поверхности распределения амплитуд гармонических составляющих была разработана программа в системе MatLab. При этом были созданы матрицы параметров гармоник и координат точек, нанесенных на поверхность образца.

По значениям матриц производилась интерполяция с помощью стандартного приложения системы MatLab - функции griddata. На рисунке 5 показаны картины распределения амплитуд 1-й, 2-й, 3-й и 5-й гармоник вдоль поверхности плоского нагруженного образца из стали 17ГС с концентратором напряжения в виде бокового пропила.

В ненагруженном состоянии образца изменения амплитуд гармонических составляющих незначительны, изменения наблюдаются у краев пропила, что связано с влиянием краевого эффекта. После приложения усилия 35 кН формируется рельеф распределения параметров гармонических составляющих по поверхности испытуемого образца.

а) б) в) г) Рис. 5. Топография распределения амплитуд гармонических составляющих сигнала накладного вихретокового преобразователя при сканировании поверхности нагруженного плоского образца с концентратором напряжения в виде бокового пропила:

а - амплитуда 1-й гармоники; б - 2-й гармоники; в - 3-й гармоники; г - 5-й гармоники Максимальное увеличение амплитуд гармоник наблюдается там, где по результатам расчета напряженно-деформированного состояния существует наибольшая плотность силовых линий механического напряжения. Именно в этих местах начинают зарождаться трещины. Значения амплитуд гармоник взяты в безразмерном виде относительно действующего значения опорного сигнала компенсационной обмотки.

При применении электромагнитных методов диагностики для анализа изменения свойств испытуемого объекта используются вихревые токи. С их помощью находят нарушения сплошности, оценивают химический состав металла, устанавливают металлографическую структуру основного металла, определяют величину зерна, структурных включений, химико-термического воздействия на поверхностные слои сталей, измеряют упругие константы, твердость сталей, прочность, различного вида внутренние напряжения, в том числе остаточные, и т. д. [4]. Кроме того, метод позволяет анализировать кинетику потери устойчивости стальных стержней произвольной формы, усталостных процессов в образцах, нагруженных циклически, измерять усилия и крутящие моменты в стержнях, выявлять остаточные напряжения в стальных листах после их сварки и интеркристаллитную коррозию, оценивать вязкостное трение в сталях, измерять толщину покрытий и геометрические размеры объекта, прогнозировать потерю устойчивости элементов металлических конструкций, усталостное разрушение и многое другое. Универсальность метода обусловлена тем, что все реологические, магнитные и электрические свойства - производные электродинамических полей. Электроны вихревого потока, перемещаясь по этим полям, воспринимают информацию о них. Они пересекают кристаллические и металлографические структуры, дислокационные и доменные поля, спонтанно образующиеся замкнутые области реологических структур, огибают нарушения сплошности. Носителями информации о свойствах объекта являются параметры гармонических составляющих вторичного электромагнитного поля, возбуждаемого вихревыми токами. Вторичное электромагнитное поле наводит ЭДС в измерительной обмотке вихретокового преобразователя.

Применение электромагнитного многопараметрового метрического метода диагностики позволяет в задачах оценки технического состояния и прогнозирования ресурса оборудования перейти от качественной, часто интуитивной, оценки состояния объекта к количественной интегральной оценке [5]. Для этого из параметров гармонических составляющих формируется диагностическое пространство. Измеренные параметры p гармонических составляющих, соответствующих текущему состоянию материала изделия, представляются векторами (V1; V2; …; Vp). (1) Состояние материала в многомерном пространстве описывается результирующим вектором V, который представляет собой сумму векторов типа (10) V = [A(m), B(n), C(l)], (2) где A(m), B(n), C(l) – соответственно параметры гармонических составляющих электромагнитного поля, параметры механических или электрофизических свойств и структура связей между ними.

Pages:     || 2 |



© 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.