CC BY
11
^ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК 620.179.16
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИНЦИПОВ ЕЁ АВТОМАТИЗАЦИИ
В.В. Малый1, А.С. Костюхин2, И.Ю. Кинжагулов3
Университет ИТМО, Россия, 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр-т, 49.
В данной статье рассматриваются вопросы контроля качества паяных соединений теплообменных аппаратов. Описаны возникающие дефекты, проанализированы существующие решения, выявлены достоинства и недостатки. Представлены решения основных вопросов, возникающих при создании автоматизированной установки.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, ультразвуковой контроль, контроль паяных соединений, контроль теплообменных аппаратов, фазированная антенная решетка, автоматизированный неразрушающий контроль, создание автоматизированной установки.
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR NON-DESTRUCTIVE QUALITY CONTROL OF HEAT EXCHANGER BRAZED JOINTS AND DETERMINATION OF THE PRINCIPLES OF
ITS AUTOMATION
V.V. Malyy, A.S. Kostyukhin, I.Y. Kinzhagulov
ITMO University, Russia, 197101, St. Petersburg, KronverkskyAve., 49.
This article discusses the issues of quality control of soldered joints of heat exchangers. Defects that arise are described, existing solutions are analyzed, advantages and disadvantages are identified. Solutions to the main issues that arise when creating an automated system are presented.
Keywords: non-destructive testing, ultrasonic testing, brazed joint testing, heat exchanger testing, phased antenna array, automated non-destructive testing, creation of an automated system.
Введение
Современные реалии контроля качества сложных объектов ставят все более высокие требования к методам и средствам их реализации. Повышение требований к достоверности результатов контроля обуславливает необходимость создания и внедрения автоматизированных комплексов неразрушающего контроля (НК), которые минимизируют влияние человеческого фактора (оператора). Одним из таких объектов является теплообменный аппарат (ТА), который представляет собой паяную ореб-ренную конструкцию двух пластин из разных металлов с фрезерованными на одной из них канавками. Ребра одной пластины соединяются с другой посредствам припоя. Одним из этапов является нанесение припоя на ребра одной пла-
стины и спаивание со второй пластиной. Процесс пайки ТА состоит из сложных многоэтапных операций, на каждой из которых возможно образование различного рода дефектов (неспай, непропай), влияющих на работоспособность как ТА в целом, так и его составных частей.
В настоящее время контроль качества ТА осуществляется на основе результатов гидравлических и огневых испытания. В случае наличия дефектов пайки в процессе испытаний ТА переходит в неработоспособное состояние и становится непригодной для дальнейшего использования по назначению. Одним из путей решения задачи обеспечения качества паяных соединений ТА является внедрение новых технологий НК, а также совершенствование уже используемых методов, средств и методик дефектоскопии и дефектометрии[1].
1Малъш Валерий Валерьевич - аспирант 2 года обучения, тел.: +7 961 062-20-91, е-mail banqvalera@mail.ru;
2Костюхин Александр Сергеевич - научный сотрудник научно-исследовательского центра технологий контроля качества ракетно-космической техники, тел.:+7 900 639-05-33, е-mail: noxx9999@yandex.ru;
3Кинжагулов Игорь Юрьевич - кандидат технических наук, преподаватель тел.: +7 911 262-45-59, е-mail: kinzhiki@mail.ru.
Описание задачи
ТА представляют собой геометрически сложную конструкцию с множеством различных внутренних полостей, что, в свою очередь обуславливает сложность технологии пайки, связанную с нанесением припоя и обеспечением стабильности величины гарантированного зазора между сопрягаемыми элементами. Наиболее остро стоит вопрос качества паяных соединений (ПС), так как из-за особенностей режимов работы ТА, а также из-за высоких нагрузок при эксплуатации, дефект может привести к выходу дорогостоящего ТА из строя, который по стоимости разработки и производства составляет 2040% стоимости изделия.
Объект контроля (ОК) имеет сложную оребренную внутреннюю структуру. Паяная оребренная конструкция ТА представляют собой две пластины из разных металлов с фрезерованными на одной из них канавками. Ребра одной пластины соединяются с другой посред-ствам припоя. Внутренняя структура ОК представлена на рисунке 1.
Основными дефектами ПС являются «непропай» и «неспай», а их наличие, в большинстве случаев, приводит к нарушениям теп-лообменных режимов в аппарате и как следствие к выходу изделия из строя.
Рисунок 1 - Внутренняя структура ПС ТА; 1 -
внутренняя стенка, 2 - внешняя стенка, 3 - ребро, 4 - канавка
Согласно ГОСТ 17325-79 [2], рассматриваемые в статье дефекты имеют определения:
- непропай - дефект паяного соединения, проявляющийся в частичном или полном незаполнении паяльного зазора припоем (рисунок 2 а);
- неспай - дефект паяного соединения, проявляющийся в отсутствии сцепления паяемого материала с материалом паяного слоя (рисунок 2.б).
V
а) б)
Рисунок 2 - Дефекты паяных соединений типа несплошность: дефект типа «непропай» (а); дефект типа
«неспай»
Зачастую, качество ПС определяется гидравлическими испытаниями на прочность, пневматическими испытаниями на герметичность, а также огневыми испытаниями. Поскольку данные виды испытаний являются разрушающими, невозможно обеспечить целостность ТА в процессе его изготовления. Таким образом, остро стоит вопрос о создании технологий НК ПС ТА.
В настоящее время, существуют методики НК, позволяющие выявлять дефекты типа
«непропай» и «частичный непропай»[3, 4]. Проанализировав данные работы, было отмечено, что ультразвуковой эхо-импульсный метод является наиболее перспективным методом контроля качества ПС ТА. Также, проведя анализ текущих достижений в области неразрушаю-щего контроля паяных соединений, был сделан вывод, что на данный момент существуют методы и средства контроля, позволяющие обнаруживать дефекты типа «непропай» и «частичный непропай». Однако, данные методики не
позволяют гарантированно выявлять дефект типа «неспай» в ПС ТА, что существенно увеличивает риски отказа всего изделия при воздействии эксплуатационных нагрузок. Предполагается, что для обеспечения выявления дефектов типа «неспай» необходимо использовать комбинирование эхо-импульсного и теневого метода ультразвукового контроля.
Ультразвуковой эхо-метод основан на возбуждении упругих колебаний в объеме контролируемого изделия и регистрации отраженного от дефекта сигнала. Информативными параметрами при применении эхо-импульсного метода являются амплитуда и время прихода
эхо-сигнала. В бездефектном ПС ультразвуковой сигнал проходит через границу раздела двух акустически разнородных сред, что обуславливает возникновение акустического импеданса (отражения) на данной границе. Величина импеданса существенно зависит от сплошности диффузионной границы. Наличие в ПС дефекта типа «непропай» приведёт к незначительному увеличению акустического импеданса. При многократном прохождении диффузионного раздела сред ультразвуковой волной заметно большее её затухание при наличии «неспая», по сравнению с однородным соединением.
Положение 1 Положение 2
I I
|ЩД|И III II пш
н
ЗИ - Зондирующий импульс Н - Сигнал от несплошности Д- Донный сигнал
ПоЛ жжение 1
\
0 4 а 12 16 20
ЗИ н Положение 2
в 11 16 го
Рисунок 3 - Схема распространения ультразвуковых колебаний при эхо-методе
Ультразвуковой теневой метод основан на генерации ультразвуковых колебаний пьезоэлектрическим преобразователем, работающим в режиме излучения, и приеме прошедшего через объект контроля сигнала приемным преобразователем. Признаком обнаружения дефекта, при использовании данного метода, является
ослабление прошедшего сигнала, вызванного экранированием части ультразвукового пучка несплошностью. В ПС, содержащим дефекты типа «непропай» и «неспай», амплитуда прошедшего сигнала уменьшается, по сравнению с прошедшим сигналом на бездефектном ПС.
Рисунок 4 - Схема распространения ультразвуковых колебаний при теневом методе:
1 - излучатель, 2 - приемник, 3 - объект контроля, 4 - несплошность
Для упрощения интерпретации полученных результатов и визуализации контролируемого сечения ТА, предлагается использовать де-
фектоскоп с фазированными антенными решетками (ФАР), реализующим ультразвуковой эхо-метод.
Главное преимущество технологии ФАР перед одноэлементным пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП) заключается в том, что управление лучом и его фокусировка осуществляется с помощью одного преобразователя содержащим множество пьезоэлементов. Последовательное возбуждение пьезоэлементов образующих активную апертуру ФАР позволяет задавать фокальные законы для контролируемого сечения объекта, тем самым добиваясь наилучшей чувствительности на определенной глубине. Секторное сканирование, используется
для картографирования объектов, что значительно упрощает контроль объектов со сложной геометрией, таких как ТА. Большая, чем у одноэлементных ультразвуковых преобразователей апертура позволяет при установке ФАР на поверхность изделия регистрировать на экране дефектоскопа сигналы, соответствующие внутренней структуре объекта контроля под датчиком. Типовой S-скан с ПС с непропаем представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 - Схема распространения ультразвуковых волн (УЗВ) на участке ПС ТА с непропаем при использовании ФАР
Реализация схем сканирования эхо-импульсным и теневым методом ввиду сложности внутренней оребренной структуры ОК накладывает значительные ограничения на скорость и точность результатов ручного контроля. Проведение сплошного ручного контроля ТА крайне трудоемко, что в свою очередь повышает вероятность ошибки оператора при проведении и анализе результатов сканирования.
Повышение скорости и достоверности результатов контроля возможно за счет автоматизации процесса сканирования. Проведение автоматизированных измерений с точки зрения механики заключается в перемещении преобразователя по поверхности объекта контроля с постоянной скоростью по заданной траектории. Поскольку, для ввода ультразвуковых волн в ОК используется иммерсионная жидкость, требуется соблюдать постоянный по величине зазор между ПЭП и поверхностью ОК.
Перед проведением контроля фактическая геометрия профиля ОК неизвестна, а источником исходных данных является ограниченный дискретный набор численных значений радиуса кривизны сопла в некоторых точках, удаленных от критического сечения. Для проведения сканирования всей поверхности ОК этих данных недостаточно, поэтому необходимо вычислить значения координат точек в промежутках между известными точками. Такая задача называется аппроксимацией, а ее результатом является функция, описывающая геометрический профиль ОК. Результаты различных методов аппроксимации представлены на рисунке 6.
Немаловажным вопросом является выбор схемы сканирования ТА. Сложность выбора схемы сканирования заключается в том, что в некоторых схемах сканирования сложная траектория движения датчика может привести к
накапливанию погрешности результатов измерений, тем самым это приводит к снижению достоверности результатов контроля.
/
Рисунок 6 - Профиль ТА, полученный различными методами аппроксимации
Рисунок 7 - Классификация возможных схем проведения контроля
Согласно Рисунку 7 возможные схемы проведения автоматизированных измерений условно можно разить на 3 группы: сканирование по сечениям ортогональным осевой линии; сканирование по образующей; сканирование по спирали. Каждая из предложенных схем имеет как преимущества, так и недостатки, критерием выбора той или иной схемы служит простота исполнения. Проведя качественный анализ, установлено, что наиболее рациональной схемой, является схема сканирования по сечениям ортогональным осевой линии с неподвижным объектом контроля. Данная схема сканирования является наиболее простой и при этом позволяет обеспечить требуемую точность измерений.
Сущность данной схемы сканирования заключается в жесткой фиксации и центрировании объекта контроля, а также, позиционировании датчика относительно поверхности объекта контроля. После чего происходит перемещение датчика на один оборот относительно центральной оси, перемещении датчика на шаг равный ширине пятна контакта датчика и последующие перемещение на один оборот датчика вокруг оси. Данная схема контроля позволяет получать чередующеюся оптоакустическую картину «ребро-канавка» и не зависит от изменения числа ребер в контролируемом сечении. Таким образом, осуществляется сканирование всей поверхности ТА. Применение схемы сканирования
по образующей осложнено еще и тем, что количество ребер не постоянно по всей длине ТА, что приводит к неоднозначности результатов измерения и последующей их неадекватности. Так же недостатком остальных схем контроля является сложность траектории движения датчика, что приводит к накапливанию погрешности результатов измерений, что приводит к недостоверности результатов измерений.
В результате анализа была выбрана рациональная схема проведения автоматизированных измерений на основе, которой был разработан алгоритм контроля качества паяных соединений ТА, а также, схема движения датчика при проведении автоматизированных измерений геометрических характеристик дефектов паяных соединений ТА представлена на рисунке 8.
а) б)
Рисунок 8 - Схема проведения контроля (а); схема расположения датчиков относительно поверхности
объекта контроля
Автоматизации процесса НК ПС ТА, позволит:
- Минимизировать влияние человеческого фактора при проведении НК, так как квалификация оператора не будет влиять на процесс измерений;
- Стабилизировать акустический контакт за счет использованиях иммерсионных ванн/ струйных подач иммерсионной жидкости, а также постоянного зазора между ПЭП и ОК;
- Повысить оперативность контроля за счет повышения скорости сканирования и протоколирования результатов контроля по удобной для интерпретации форме (В-скан, С-скан).
Проведя анализ автоматизированных установок контроля, установлено, что все уста-
новки имеют схожее устройство. Процесс контроля осуществляется по следующей схеме: перед проведением контроля оператор вводит начальные данные в блок сбора и обработки информации, после чего формируется управляющая программа и подается на средства автоматизации (двигатели устройства обеспечения контакта и т.д.). Средства автоматизации передают механическое воздействие на датчик, который входит в состав средства измерения, результаты измерений передаются на блок сбора и обработки информации, где происходит корректировка управляющей программы для получения достоверной информации. Функциональная схема автоматизированной ультразвуковой установки представлена на рисунке 9.
Система абтоматизиробанного контроля
Исходные данные об объекте контроля
Рисунок 9 - Функциональная схема автоматизированной ультразвуковой установки
Так же в результате анализа установлено, что, не смотря на большое разнообразие автоматизированных систем контроля качества, все они направлены на контроль изделий цилиндрической формы (трубы различных диаметров). Контроль изделий плоскопараллельной формы (листовой прокат) осуществляется, как правило, либо ручным способом контроля, либо в механизированном режиме с применение разного рода оснасток и приспособлений. Автоматизированный контроль изделий сложной геометрической формы в настоящий момент практически не осуществляется из-за отсутствия изделий такой формы в областях народного хозяйства. Тем самым задача по автоматизации нераз-рушающего контроля качества паяных соединений ТА является актуальной.
Выводы
Проведен анализ методов и средств ультразвуковой дефектоскопии, в части их применимости для выявления дефектов типа «неспай» и «непропай» в паяных соединениях оребрен-ных конструкций теплообменных аппаратов. Для повышения вероятности обнаружения дефектов в паяных соединениях, принято решение использовать комбинированный эхо-импульсный и теневой методы. Для упрощения интерпретации и визуализации результатов сканирования предлагается использование технологии ФАР для реализации эхо-метода. Поскольку реализация схем контроля ТА требует значительных временных затрат при ручном сканировании, для повышения скорости и достоверности
результатов предлагается автоматизировать процесс контроля. Рассмотрены основные вопросы, возникающие при создании автоматизированных установок неразрушающего контроля. В результате анализа существующих автоматизированных установок, были определены основные принципы для автоматизации технологии контроля.
Литература
1. Сергеев Д.С., Федоров А.В., Баринов А.В., Астре-динова Н.В. Автоматизированный лазерно-ультра-звуковой метод контроля качества паяных соединений сопел камер жидкостных ракетных двигателей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 1. С. 139149.
2. ГОСТ 17325-79. Пайка и лужение. Основные термины и определения: утвержден и введен в действие постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 11 октября 1979 г. N 3914: дата введения 1981-01-01. М.: Издательство стандартов, 1990. - 22 с.
3. Кинжагулов И.Ю. Модель термооптического возбуждения ультразвуковых волн в паяных тонкостенных изделиях // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54. № 7. С. 39-44,
4. Сергеев, Д. С. Методика контроля качества паяных соединений камер ЖРД с применением метода лазерно-ультразвуковой диагностики / Д. С. Сергеев, Н. В. Астрединова // Сборник трудов II Всероссийский конгресс молодых ученых. - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - С. 67.
