Контроль и диагностика тепломеханического оборудования ТЭС
.pdfние измерений по трем главным направлениям в зоне одного подшипника или требуется минимизация количества замеров, то допускается измерение вибрации по двум направлениям: осевом и одном из поперечных направлений. Предпочтение отдается горизонтальному направлению, как правило, соответствующему направлению минимальной жесткости системы. Допускается также осевую вибрацию привода, нагнетателя и других узлов агрегата измерять только у подшипника свободного вала.
Методику измерения вибрации паровых турбин регламентируют ГОСТ
25364–97 и ГОСТ ИСО 108816-1-97.
Результаты измерения вибрации существенно зависят от способа крепления датчиков на исследуемой поверхности, т.к. в них вибрация измеряется контактным способом.
Места установки вибродатчиков должны быть чистым и плоским. Шероховатость поверхности должна быть минимальной. Краска в месте установки датчика должна отсутствовать и место установки датчика должно быть промаркировано соответствующим образом.
Применяется три способа крепления вибродатчиков: на шпильку, магни-
том, ручным щупом.
При креплении датчика на шпильку обеспечивается максимальная жесткость крепления (за счет затяжки резьбового соединения), при этом колеблющаяся масса преобразователя является минимальной и определяется только весом датчика. Поэтому, при таком креплении, обеспечиваются частотные характеристики датчика, указаные в его паспорте.
Установка измерительного преобразователя с помощью магнита, на сегодняшний день является наиболее удобным и распространенным способом крепления. Очевидно, что резонансная частота крепления будет зависеть от силы и массы магнита, и собственно массы самого датчика и будет гораздо ниже, чем при креплении датчика на шпильку. Однако, анализируемый частотный диапазон обычно не превышает нескольких килогерц и поэтому данный способ крепления считается приемлемым. Крепление датчика с помощью магнита имеет несколько существенных недостатков. Преобразователь невозможно установить на немагнитную поверхность. Датчик на таком креплении неудобно размещать в труднодоступных местах. У пользователя могут быть проблемы с повторяемостью измеряемой вибрации, вследствие того, что, при установке возникают трудности с попаданием датчика в одну и туже контролируемую точку. Необходимо принять меры к маркировке места установки датчика. Но тем неимение, в 90% случаев погрешности, вносимые этим обстоятельством пренебрежимо малы.
Ручным щупом пользуются тогда, когда жесткая установка датчика невозможна. Это может произойти в случае, если нам необходимо установить измерительный преобразователь в труднодоступном месте или на немагнитном материале. Такой способ крепления также поможет выполнить замер на горячей поверхности.
131
5.4. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ВИБРАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ
В ГОСТ ИСО 10816-1-97 «Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений на невращающихся частях. Часть 1. Общие требования» рассматриваются критерии двух видов, распространяющиеся на эксплуатационный контроль и приемочные испытания и предназначенные для оценки уровней вибрации машин различных типов.
Критерий 1 – определяет зоны качества А, В, С, D, состояния агрегата по уровню вибрации в соответствии с общепринятыми пределами (данный критерий условно можно назвать статический);
Критерий 2 – определяет динамику изменения вибрации агрегата («скачки», тренды вибрации).
Общепринято, разделять все множество существующих агрегатов на четыре класса по мощности и характеристикам опор (фундаментов).
1 класс – отдельные части двигателей и машин, соединенные с агрегатом (например, моторы мощностью до 15 кВт):
2класс – машины средней величины (моторы 15–875 кВт ) без специальных фундаментов; жестко установленные двигатели или машины (до 300 квт) на специальных фундаментах;
3 класс – мощные первичные двигатели и другие мощные машины с вращающимися массами, установленные на массивных фундаментах, относительно жестких в направлении измерения вибрации (например, турбоагрегаты);
4 класс – мощные первичные двигатели и другие мощные машины с вращающимися массами, установленные на массивных фундаментах, относительно податливых в направлении измерения вибрации.
По качеству вибросостояния принята следующая градация:
зона А – в эту зону попадают, как правило, новые машины, только что введенные в эксплуатацию;
зона В – машины, попадающие в эту зону, обычно считают пригодными к эксплуатации без ограничения срока;
зона С – машины, попадающие в эту зону, обычно рассматривают как непригодные для длительной непрерывной эксплуатации. Обычно данные машины могут функционировать ограниченный период времени, пока не появится подходящая возможность для проведения ремонтных работ.
зона D – уровни вибрации в данной зоне рассматривают как достаточно серьезные, для того, чтобы вызвать повреждения машины (аварийный уровень).
ГОСТ ИСО 10816-1-97 является базовым документом для разработки руководств по измерению и оценке вибрации машин. Критерии оценки для машин конкретных типов должны быть установлены в соответствующих отдельных стандартах.
В табл.5.1 приведены только временные, примерные критерии, которыми можно пользоваться при отсутствии подходящих нормативных документов. По ней можно определить верхние границы зон от А до С, выраженные в средних
132
квадратических значениях виброскорости vrms., мм/с, для машин различных классов:
Таблица 5.1. Примерные границы зон для машин различных классов
vrms, мм/с |
|
Класс I |
|
Класс II |
|
Класс III |
Класс IV |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,28 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,45 |
|
А |
|
|
А |
|
|
А |
|
|
|
|
0,71 |
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1,12 |
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1,8 |
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2,8 |
|
С |
|
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
7,1 |
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
11,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
18 |
|
D |
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
28 |
|
|
|
|
|
D |
|
|
D |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
45 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
71 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.5. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА ВИБРАЦИИ
Общая структура систем измерения и анализа вибрации включает в себя:
–первичные измерительные преобразователи;
–согласующие устройства;
–линии связи;
–собственно средства анализа;
–базу данных (в простейшем случае – пороговые устройства);
–средства (программы) обработки информации.
При периодическом контроле оборудования применяется переносная аппаратура. Сбор, хранение и анализ вибраций осуществляется с помощью переносных коллекторов – виброанализаторов (рис.5.5). В современных приборах предусмотрена возможность перегружать данные измерений в ПК для хранения и анализа.
Широкое распространение получили диагностические системы, включающие переносные коллекторы-анализаторы и совместимые с ними ПК, оснащѐнные целевым программным обеспечением. По результатам мониторинга генерируется отчѐтная документация.
133
Рис.5.5. Переносные виброанализаторы разных производителей
Стационарная аппаратура применяется для непрерывного контроля технического состояния оборудования. Различают контрольно – сигнальную (для контроля предельно-допустимого уровня) и диагностическую аппаратуру (для определения вида и степени развития дефекта, выявления тенденций к изменению диагностических признаков).
Стационарные измерительные комплексы состоят из компьютера с платами ввода и обработки вибросигнала, а также блоков преобразования, коммутации, согласования и т.д. Непосредственно в цеху устанавливаются блоки с оборудованием, к которым подсоединяются кабели с вибропреобразователями и датчиками оборотов. Структурная схема стационарной системы непрерывного контроля приведена на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Структурная схема системы непрерывного вибродиагностического контроля
Стационарные системы подразделяются на два вида:
134
–собственно стационарные системы, которые постоянно работают на одной и той же машине, их датчики стационарно закреплены, обычно резьбовым соединением (на шпильки), кабельные трассы проложены в кабель-каналах, второй тип систем;
–стендовые системы, обычно ими комплектуются испытательные стенды, в таких системах датчики устанавливаются на машину только на период испытаний. В таких системах датчики обычно устанавливаются на магнитах.
В любом типе стационарных систем все измерения проводятся автоматически, система сама следит за режимами работы оборудования, переключает каналы, в зависимости от обнаруженных дефектов регулирует частоту измерений и контроля состояния оборудования. В то же время в любой момент оператор может провести любое измерение по требованию и провести дополнительный анализ данных.
В настоящее время находят широкое применение экспертные системы постановки диагноза и прогноза. Экспертная система – это система, в которую включены знания специалистов о некоторой проблемной области и, которая в пределах этой области способна принимать экспертные решения. Заложенный в систему алгоритм диагностики с решающими правилами распознавания технического состояния позволяют ставить диагноз с максимальной точностью.
ТЕМА 6. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС
Автоматизация процессов контроля оборудования ТЭС является одним из перспективных направлений научно-исследовательской деятельности. Многообразие объектов контроля, широкий диапазон конструкционных материалов, конструкций и состояний поверхности, дефектоскопических критериев и требований нормативных документов делает достижение этой задачи весьма проблематичной.
В настоящее время в различных научно-исследовательских институтах развивается направление деятельности, связанное с разработкой автоматизированных систем неразрушающего контроля. Некоторые их рассмотрены ниже.
Вопросы автоматизации неразрушающего контроля рассмотрены на примерах автоматизированных систем и комплексов, разработанных специалистами УралВТИ (РФ). Все рассмотренные автоматизированные системы успешно применяются на практике.
Материалы подобраны из сборника докладов Всероссийской конференции «Реконструкция энергетики-2009».
6.1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДОНТРОЛЯ ОСЕВОГО КАНАЛА РОТОРА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
Ротор является одним из ответственных элементов паровой турбины, определяющий ресурс ее работы. В процессе эксплуатации он подвергается воз-
135
действиям значительных статических и динамических нагрузок, поэтому важно вовремя обнаружить дефекты в металле ротора. Согласно действующим норма- тивно-техническим документам, ротора турбин после наработки соответствующего службы должны подвергаться обследованию со стороны осевого канала.
В Уральском всероссийско-техническом институте (УралВТИ) разработан автоматизированный комплекс «РОТОР-К», предназначенный для контроля роторов турбин со стороны осевого канала. Комплекс позволяет проводить визуальный, вихретоковый и ультразвуковой контроль, а также измерение остаточной формации. В настоящее время комплекс успешно применяется для неразрушающего контроля различных типов паровых турбин.
Комплекс «РОТОР-К» состоит из:
–транспортного механизма (ТМ);
–сменных сканирующих модулей (СМ);
–блока управления и преобразования (БУП);
–ПЭВМ со специальным программным обеспечением.
На рис 6.1 и 6.2 показан внешний вид элементов комплекса «РОТОР-К». Программа посылает команды в блок управления и преобразования,
обеспечивает позиционирование транспортного механизма и сменных сканирующих модулей и принимает оцифрованные информационные сигналы с первичных преобразователей. В состав блока управления и преобразования входят блоки питания, микроконтроллера, вихретокового дефектоскопа, ультразвуковой коммутатор и силовые блоки управления шаговыми двигателями ТМ и СМ.
Транспортный механизм обеспечивает перемещение сканирующего модуля внутри осевого канала на заданное расстояние. СМ осуществляют сканирование поверхности осевого первичными преобразователями. Первичные преобразователи имеют возможность аксиального и радиального перемещений, благодаря чему, возможно осуществлять 100% контроль поверхности осевого канала ротора.
а |
б |
Рис.6.1. Универсальный транспортный механизм с блоком управления для перемещения модулей поисковых систем внутри осевого канала (а), вихретоковый и визуально-оптический сканирующий модуль (б)
136
а |
б |
Рис.6.2. Ультразвуковой сканирующий модуль |
(а), модуль измерения |
диаметра осевого канала и оценки остаточной деформации металла (б)
Отличительной особенностью комплекса является использование специально разработанного вихретокового дефектоскопа. Дефектоскоп обеспечивает формирование возбуждающего и прием информационного сигнала с вихретоковых преобразователей, выделение полезной информации в различной форме (амплитудной, фазовой и комплексной). Позволяет осуществлять отстройку от «мешающих факторов» путем автоматического переноса начала координат комплексной плоскости.
Ультразвуковой контроль осуществляется в иммерсионном варианте ввода ультразвука. Сканирующий модуль УЗК содержит 2 пары ПЭП установленных в специальных каретках прозвучивания металла ротора по схеме «тандем». Возможность варьировать базу тандема позволяет оператору заложить требуемый порог чувствительности к глубине трещин и надежно выявлять трещины которые развиваются с наружной поверхности ротора.
Визуальный СМ содержит видеокамеру стандартного ТВ-разрешения, которая в комбинации с вихретоковым СМ позволяет наблюдать за зоной контроля и получать изображения дефектов, выявленных вихретоковым методом.
Модуль измерения диаметра построен на основе высокоточных лазерных дальномеров и обеспечивает бесконтактное измерение диаметра канала вдоль длины ротора.
6.2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ВЫЯВЛЕНИЯ ТРЕЩИН ПОД СТЕЛЛИТОВЫМИ ПЛАСТИНАМИ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРБИН
Одной из наиболее частых причин остановов турбоагрегата является разрушение лопаточного аппарата турбины.
Лопатки паровых турбин работают в тяжелых условиях: резонансные колебания, в процессе которых возникают большие напряжения; воздействие влажного пара, и как следствие эрозионный износ входных кромок; коррозия.
Существуют различные методы защиты входных кромок лопаток последних ступеней турбин от этих воздействий. Наиболее распространен метод наплавки противоэрозионных стеллитовых пластин.
Практика эксплуатации турбин с лопатками упрочненными таким способом показывает, что в ряде случаев на входных кромках лопаток в
137
области припайки стеллитовых пластин начинают развиваться трещины. Имеющимися в наличии средствами неразрушающего контроля подобные несквозные дефекты не могут быть выявлены из-за отсутствия непосредственного доступа. Специалистами УралВТИ был разработан автоматизированный комплекс «Лопатка-2» для выявления таких дефектов. Комплекс позволяет выявлять дефекты, как в стыках стеллитовых пластин, так и под самими пластинами на ранней стадии их развития.
В комплексе реализован совместный вихретоковый и магнитный методы контроля в автоматическом режиме сканирования с компьютерным управлением и анализом результатов контроля. Блок-схема комплекса представлена на рис.6.3.
Рис.6.3. Блок-схема автоматизированного комплекса «Лопатка-2»:
МК – микроконтроллер; БУШД – блок управления шаговым двигателем; ШД –шаговый двигатель; АЦП – аналогово-цифровой преобразователь; ВТД – вихретоковый дефектоскоп; БУНУ – блок управления намагничивающим устройством; ИНУ – импульсное намагничивающее устройство; ЭХ1, ЭХ2, ЭХЗ – элементы Холлы; НУ – нормирующие усилители; ПИ – преобразователь интерфейса; КПК – персональный компьютер.
Комплекс состоит из транспортно сканирующего механизма (ТСМ) и блока управления и преобразования (БУП).
На ТСМ закреплен вихретоковый преобразователь (ВТП), импульсное намагничивающее устройство, магнитные преобразователи на элементах Холла (ЭХ 1,2,3). Элементы Холла позволяют фиксировать нормальную и тангенциальную составляющую поля рассеяния над трещиной. ВТП фиксирует наличие трещины в стыке пластин.
На рис.6.4 представлена принципиальная кинематическая схема сканирующего механизма.
138
Рис.6.4. Принципиальная кинематическая схема сканирующего механизма:
1 – каретка с блоком первичных преобразователей и импульсным намагничивающим устройством; 2 – двигатель; 3 – магнитные фиксаторы; 4 – направляющая каретки; 5 – объект контроля, блок управления и преобразования; КПК – карманный персональный компьютер, 6 – стеллитовые пластины; 7 – трещина
Автоматизированный комплекс «Лопатка-2» работает следующим образом. Сканирующий механизм устанавливается на лопатку и удерживается на ней магнитными фиксаторами. Каретка перемещает закрепленные на ней преобразователи вдоль кромки пера лопатки с заданным зазором и расстоянием от края. Двигатель сканирующего механизма выполнен на основе шагового двигателя, что дает возможность определять координаты преобразователей с требуемой точностью и позиционировать их в необходимом месте.
Блок управления и преобразования совместно с КПК и программным обеспечением выполняют следующие функции:
–управление шаговым двигателем сканирующего механизма;
–синхронизация движения каретки сканирующего механизма с частотой
идлительностью включения намагничивающего устройства. Синхронизация обеспечивает прерывистое движение каретки и осуществление следующего ряда последовательных действий:
1) перемещение по лопатке на заданную величину; 2) измерение вихретоковых параметров с ВТП, передача их на вихретоко-
вый дефектоскоп далее через АЦП4 на МК (рис.6.3); 3) по сигналу с МК блок управления намагничивающим устройством с
помощью импульсного намагничивающего устройства намагничивает зону контроля; сигналы с измерительных элементов Холла через нормирующие усилители НУ1-3 и АЦП1-3 поступают на МК;
4) МК передает полученную информацию с вихретокового и магнитных преобразователей и данные о текущем состоянии ТСМ через преобразователь интерфейса в компьютер КПК.
5) КПК осуществляет анализ полученной информации за текущий шаг, предоставляет эту информацию оператору в графическом виде, сохраняет ее в базе данных. Формирует команду следующего цикла.
139
6.3. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ВОДООПУСКНЫХ ОТВЕРСТИЙ БАРАБАНОВ КОТЛОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Барабаны являются одним из наиболее ответственных элементов паровых котлов. При обследовании барабанов в них обнаруживаются различные дефекты: трещины около трубных отверстий, на поверхности обечаек и днищ, в основных сварных соединениях, в местах приварки сепарационных устройств и др.
Работа дефектоскописта при ручном контроле осложнена тем, что поверхность отверстия труднодоступна. Даже при диаметре 100 мм достаточно трудно обеспечить надежный контакт преобразователя с поверхностью контроля и сохранение траектории сканирования. Помимо этих факторов, результаты контроля оказывают влияние стесненные условия работы дефектоскописта. Устранить влияние вышеуказанных факторов можно только при использовании автоматизированных систем контроля.
Еще с 80-х годов прошлого века специалистами УралВТИ ведутся работы по разработке полуавтоматических и автоматических систем контроля поверхностей отверстий. Постоянное усовершенствование механической и электронной частей автоматических систем контроля водоопускных отверстий барабанов привело к созданию автоматизированного комплекса контроля отверстий «АККО-2». В устройстве применены оригинальные механические узлы
исовременные электронные блоки. Комплекс обеспечивает 100 %
сканирование поверхности отверстий барабанов с использованием вихретокового преобразователя. Основные технические характеристики «АК- КО-2» следующие:
–минимальная глубина выявляемой трещины – 05 мм;
–минимальная протяженность выявляемой трещины – 2 мм;
–относительная погрешность глубины трещины – 20%;
–средняя производительность контроля – 10 отверстий/час.
6.4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КОЛЛЕКТОРОВ И ГИБОВ ТРУБОПРОВОДОВ
Автоматизированный комплекс для контроля коллекторов стороны внутренней поверхности. В настоящее время для визуального контроля внутренней поверхности коллектора применяются эндоскопы. К недостаткам этого способа, в первую очередь, следует отнести ограниченность зоны контроля.
Автоматизированный комплекс «КОЛЛЕКТОР-1», разработанный специалистами УралВТИ позволяет проводить 100% визуальный контроль внутренней поверхности коллектора. Комплекс помещают в коллектор через один из входных патрубков. Гусеничный двигатель обеспечивает перемещение устройства вдоль всего коллектора.
140