CC BY
4
СОЗДАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА И МЕТОДИКИ ДЛЯ
ДИАГНОСТИКИ ТЕПЛООБМЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДОМ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
Р.П. Суслов, магистрант
И.А. Балахнин, канд. техн. наук, доцент
Дзержинский политехнический институт (филиал) Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева (Россия, г. Дзержинск)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-4-80-84
Аннотация. В статье рассматривается разработка экспериментальной установки и выбор методик диагностирования технологического оборудования вихретоковым методом неразрушающего контроля. Описывается принцип работы вихретокового дефектоскопа и методы контроля на теплообменном технологическом оборудовании. Подробно описывается структура и принцип работы разработанного стенда.
Ключевые слова: вихретоковая дефектоскопия, технологическое оборудование, нераз-рушающий контроль, экспериментальный стенд, электромагнитное поле.
Россия обладает мощным промышленным комплексом, но более 75% оборудования на опасных производствах изношены и это повышает риск аварий. Единовременную модернизацию всей технологической базы провести невозможно. Проведение качественной диагностики, позволяет повысить уровень промышленной безопасности оборудования. Наиболее ответственным видом такого оборудования в химической промышленности, являются кожухотрубчатые теплообменники, в которых значительному износу подвергается трубки трубного пучка. Для их диагностики эффективен метод вихретоковой дефектоскопии (ВТД), который позволяет обнаружить дефекты, такие как трещины и износ.
Тем не менее, скудная приборная и нормативная база на территории СНГ и РФ, привела к субъективности данного метода. Зачастую данные, собранные разными организациями и специалистами с одного объекта, разнятся колоссально.
Решение вопроса диагностики тепло-обменных устройств вихретоковым методом:
Внутритрубный метод вихретоковой дефектоскопии (ВТД) - один из самых эффективных способов обнаружения развивающихся дефектов в теплообменных трубных пучках. Этот метод основан на
измерении изменений электромагнитных полей, возникающих в результате воздействия вихревых токов на поверхности обследуемого объекта, что позволяет выявлять дефекты (несплошности) и отклонения от нормы [2]. Для исследования и применения метода ВТД, требуется в лабораторных условиях создание экспериментальный стенд трубного пучка.
Основной цели создания стенда, является подготовка студентов к проблемам, связанным с эксплуатацией теплообменного оборудования. Помочь освоить навыки диагностики теплообменного технологического оборудования методом вихретоко-вой дефектоскопии. Стенд должен выполнять функцию настройки дефектоскопа под образцы (калибры) различного диаметра, химического состава и степени утонения теплообменных трубок кожухо-трубчатого теплообменника.
Основной задачей данной работы будет изучение принципов работы метода ВТД на стенде с последующей верификацией на реальном объекте.
Установка включает в себя генератор электромагнитных полей, датчики для регистрации вихретоковых токов, систему обработки и анализа полученных данных -вихретоковый дефектоскоп ВД-70. Также для релевантности выбранной методики был задействован вихретоковый дефекто-
скоп Ectan «Eddyfi» и програмный комплекс Magnfi Ectan компании Eddyfi Technologies.
Конструкция стенда:
1. Внутритрубный датчик с индукционной катушкой - этот элемент генерирует переменное магнитное поле, используемое для создания вихревых токов в теплообменнике, и измеряет параметры вихревых токов, проходящих через материал кожу-хотрубчатого теплообменника.
2. Дефектоскоп ВД-70 - этот прибор необходим для сбора и анализа данных ВТД.
3. Настроечные образцы или СОП - это образцы теплообменных труб с нанесенными определенным образом искусственными дефектами (несплошностями). СОПы изготавливаются из материала, аналогичного материалу объекта контроля (ОК). Имитацией единичных дефектов при контроле теплообменных труб являются плоскодонные фрезерованные выборки с эквивалентным объёмом относительно се-
чения согласно стандартам: ASME секция V и ГОСТ Р ИСО 15549-2009.
Анализ и интерпретация данных:
В качестве информативных параметров, используют амплитуду и фазу сигнала, наведённого совокупным магнитным полем. Составляющая сигнала, обусловленная вихревыми токами, имеет величину не более 10% от «холостого» сигнала. Поэтому в большинстве вихретоковых приборов используют процедуру «обнуления», которая реализуется с помощью вычитания Енач из общего сигнала. Это может быть сделано либо с помощью специально генерируемого дополнительного сигнала, противоположного «холостому», либо программно при наличии вторичного прибора с высоким разрешением [1].
Выбор параметра для оценки свойств ОК обусловлен его исследуемым свойством.
Совмещённое отображение амплитуды и фазы сигнала ВТП реализуется в так называемой комплексной плоскости (рис. 1а, б)
Рис. 1. Комплексная плоскость: а - отображение в комплексной плоскости; б - вектора вносимого напряжения.
Исходный возбуждающий ток является опорной величиной, относительно которой определяют изменение фазы остальных величин. Поэтому на рис. 1а вектор силы тока I и напряжённости H лежат на действительной оси Re. Вектор напряжённости вихревого электрического поля E, возбуждаемого током I, направлен в отрицательном направлении мнимой оси Ш. Это непосредственно ВТК метод позволяет выявлять внутренние и наружные дефекты типа трещин, язв, механических повреждений, локальных и протяженных утонений. Контролю подлежит вся доступная
для прохождения датчика поверхность труб, за исключением сварного шва, зоны вальцовки и приварки труб к трубной доске. Так как зоны с несплошностями и не-однородностями в большинстве случаев имеют схожую природу, их разделение сложно, а иногда и невозможно.
Анализ данных контроля заключается в классификации, оценке типа и величины дефектов, выявленных в процессе обработки данных вихретокового контроля, за исключением зон с неоднородностями структуры [2, 3].
Анализ данных контроля основан на формации используются амплитуда и фаза амплитудно-фазовом методе выделения сигнала. информации, т.е. в качестве носителя ин-
Рис. 2. Схема простейшего вихретокового преобразователя (зонда)
Возбуждающая катушка создает вокруг себя переменное магнитное поле, которое, взаимодействуя с теплообменной трубкой, наводит в нем вихревые токи (токи Фуко). Вторичное электромагнитное поле воздействует с измерительной катушкой. Напряженность поля вихревых токов зависит от геометрии, проводимости и магнитных свойств трубы. Появление в зоне контроля дефекта приводит к изменению напряженности поля вихревых токов, которое и регистрируется дефектоскопом.
При вихретоковом обследовании трубных пучков теплообменников возникает целый ряд проблем, без решения которых нельзя рассчитывать на приемлемые результаты контроля. Неоднородность геометрических, электрических и магнитных свойств труб, наличие конструкционных элементов в виде трубных досок и дистан-ционирующих перегородок, наличие в трубах развальцовки приводит к появлению сигналов от «мешающих факторов», которые требуется либо фильтровать, либо правильно классифицировать [4]. Двухпа-раметровость вихретоковых сигналов (сигнал характеризуется амплитудой и фазой) позволяет только частично решить эту задачу.
Для эффективной отстройки от мешающих факторов необходимо применение многочастотных многоканальных дефектоскопов, которые позволяют за счет микширования частот уменьшить влияние этих «мешающих факторов» [5]. В ряде
случаев и этого оказывается недостаточно и требует применения вихретоковых преобразователей особой конструкции. Естественно, такие вихретоковые дефектоскопы и зонды относительно дороги и для грамотного и эффективного их использования требуются специалисты высокой квалификации, имеющие большой опыт практической работы [4, 5]. Именно поэтому в развитых странах действующее теплообменное оборудование в атомной, химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслях обследуется специализированными фирмами, которые являются своего рода центрами анализа собранных вихретоковых данных.
Применение же сложного вихретоково-го дефектоскопа для целей диагностирования эксплуатируемого технологического оборудования в пределах одного действующего завода по ряду причин не целесообразно.
Практическое применение:
С помощью вихретокового дефектоскопа ЕСапе были проведены исследования различных образцов с дефектами. Результаты этих исследований представлены на рисунках 3 и 4, где ось абсцисс представляет действительную составляющую сигнала, а ось ординат - мнимую составляющую. Такие графики позволяют анализировать форму и параметры сигнала, что помогает определить тип дефекта и его размеры.
Для обкатки методики были взяты дан- 1200ХНГ-0,6-М10/25Г-4-2-У поз. 268/6, ные обследования на дефектных участках зав. №712. теплообменных труб теплообменника
III -Г. Г-- JH 3 г "Tin rrr=re r -•' »»- JfJi-T] ' r i .
j \
\
-1— ГГГ.11.1. 'T—irrfrrTPj
Рис. 3. Фрагмент данных дефектного участка трубы - локальный наружный дефект, оцениваемый в 82% (труба 3422)
Рис. 4. Фрагмент данных дефектного участка трубы - локальный наружный дефект, оцениваемый в 87% (труба 3422)
Заключение:
Экспериментальная установка для диагностики технологического оборудования методом вихретоковой дефектоскопии поможет студентам приобрести необходимый опыт, навыки и знания для успешного учебного процесса и будущей карьеры в данной области, а также послужит основой для дальнейших исследований и применения данного метода контроля качества в промышленности.
Реальные внутренние дефекты стенки трубы, по результатам анализа сигналов с
различных каналов, дают относительно сходные процентные показатели повреждения стенок на всех частотных каналах. Однако сигналы из неоднородного источника, например внутренних магнитных включений в трубках, искажают толщину стенки н различных частотных каналах. Оператор должен анализировать сигналы вихретокового прибора на нескольких доступных частотах, чтобы убедиться в том, что сигнал действительно происходит от дефекта в стенке.
Библиографический список
1. Бобров А.Л., Власов К.В., Бехер С.А. Основы вихретокового неразрушающего контроля: учебное пособие. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2019. - 98 с.
2. Международные стандарты на вихретоковый метод контроля: ISO 15549-2008, ISO 9712, ISO 12718.
3. Неразрушающий контроль: Справочник в 8 томах. Т. 2 / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 2006.
4. ASME BPVC 2019 Section V. Nondestructive Examination.
5. Лазуткин Д.Ю., Лунин В.П., Жданов А.Г. Подавление сигналов от мешающих факторов при вихретоковом контроле труб парогенераторов // 14-я междун. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Тез. докл. 2008. Т. 1. - М.: Изд-во МЭИ, 2008. - С. 392-394.
CREATION OF AN EXPERIMENTAL STAND AND METHODOLOGY FOR DIAGNOSING HEAT EXCHANGE TECHNOLOGICAL EQUIPMENT USING
EDDY CURRENT FLAW DETECTION
R.P. Suslov, Graduate Student
I.A. Balakhnin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Dzerzhinsky Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva (Russia, Dzerzhinsk)
Abstract. The article discusses the development of an experimental setup and the choice of methods for diagnosing technological equipment using the eddy current method of nondestructive testing. The principle of operation of an eddy current flaw detector and methods of monitoring on heat exchange technological equipment are described. The structure and operating principle of the developed stand is described in detail.
Keywords: eddy current flaw detection, technological equipment, non-destructive testing, experimental stand, electromagnetic field.
