Энергодиагностика
+7-498-661-92-81
+7-498-661-61-35
Метод Магнитной Памяти Металла
Энергодиагностика
Метод Магнитной Памяти Металла
Реклама
Новости
28 апреля 2017 г.
В апреле 2017 года в ООО "Энергодиагностика" проведена специальная оценка условий труда.
2 марта 2017 г.
На семинаре по методу МПМ представлено более 60 отзывов организаций, диагностических фирм и промышленных предприятий об эффективности метода МПМ по результатам практической диагностики оборудования.
1 марта 2017 г.
Семинар состоялся 1 марта 2017 года в Москве, ЦВК "Экспоцентр", Павильон № 2, зал семинаров № 1.

Оценка ресурса энергооборудования с использованием метода магнитной памяти металла

д.т.н., профессор Дубов А.А.

Согласно "Типовой инструкции по контролю метала и продлению срока службы основных элементов котлов, турбин и трубопроводов ТЭС" основным параметром, характеризующим живучесть и ресурс узлов энергооборудования, работающего в условиях циклических нагрузок, предлагается считать трещиностойкость. Однако определяется эта характеристика на образцах, и перенос результатов лабораторных испытаний на реальные условия эксплуатации не дает объективной оценки состояния металла.

В статье рассматриваются возможности метода магнитной памяти металла (МПМ) выявлять непосредственно на оборудовании зоны начального развития трещин и отслеживать развитие процесса усталостного разрушения в этих зонах. На основе 100% обследования энергооборудования с использованием метода МПМ предлагается выявлять все потенциально опасные зоны с развивающимися дефектами и своевременно их устранять во время ремонта. Таким образом, представляется возможность оценки реального ресурса оборудования.

В работе [1] были представлены проблемы оценки остаточного ресурса стареющего оборудования.

Среди основных научно-технических проблем следует выделить следующие:

  • отсутствие научно-обоснованной концепции технической диагностики и определения ресурса;
  • недостаточная эффективность традиционных методов и средств неразрушающего контроля (НК) при ранней диагностике усталостных повреждений и исследовании структурно-механических свойств металла;
  • низкая эффективность существующих методик поверочного расчета на прочность из-за отсутствия фактических структурно-механических свойств металла по всем элементам и узлам оборудования;
  • отсутствие в широкой практике эффективных средств и методов НК, позволяющих выполнить 100% обследование оборудования с целью оценки напряженно-деформированного состояния и индивидуального ресурса каждого узла и агрегата в целом.

Научно-технические проблемы по обеспечению надёжности оборудования и продлению ресурса усугубляются отсутствием необходимых финансовых средств. По оценке, представленной в Концепции технического перевооружения электростанций РАО "ЕЭС России" до 2015 года, трудозатраты на обеспечение экспертно-прогнозируемого ресурса, при его продлении выше паркового, могут составлять около 50% от стоимости полной замены энергоблоков аналогичного оборудования. Указано, что этот высокий уровень затрат должен быть направлен на 100% диагностическое обследование оборудования, выполнение поверочных расчетов на прочность и анализ технико-экономической документации по опыту эксплуатации оборудования. Очевидно, что эти затраты были обоснованы, исходя из опыта контроля металла энергооборудования, сложившегося в РАО "ЕЭС России" с расчётом на 100% обследование традиционными методами разрушающего и неразрушающего контроля.

Таким образом, в настоящее время на мощных электростанциях, где оборудование выработало парковый ресурс, сложилась тупиковая ситуация. Денег на замену оборудования и даже на 100% его обследование нет, а без такого обследования ни одна организация, очевидно, не возьмет на себя ответственность продлевать ресурс! При этих условиях руководству электростанций необходимо обеспечивать надёжную и безопасную эксплуатацию оборудования.

Следует отметить, что выполнение 100% обследования энергооборудования с использованием традиционных методов НК (УЗД, МПД, и др.) связано не только с высоким уровнем затрат, но является малоэффективным из-за их непригодности к выявлению усталостных повреждений на раннем этапе их развития.

Согласно типовой инструкции [2] основным параметром, характеризующим живучесть узлов энергооборудования, работающего в условиях циклических нагрузок, предлагается считать трещиностойкость. Необходимо помнить, что это условная характеристика материала, которая определяется отношением текущей (фактической в данное время, в данных условиях) скорости роста трещины к критической скорости для данного материала. Однако определяется эта характеристика на образцах, и перенос результатов лабораторных испытаний на реальные условия эксплуатации не дает объективной оценки живучести и работоспособности оборудования.

Можно ли сделать оценку скорости роста трещин и выявить зоны их развития в реальных условиях непосредственно на оборудовании?

Известно, что основная цель 100% обследования - выявить потенциально опасные зоны концентрации напряжений (ЗКН), в которых происходит развитие повреждений из-за коррозии, усталости и ползучести. Именно для решения этой задачи предлагается использовать метод магнитной памяти металла (МПМ), основное назначение которого - выявление ЗКН на основе экспресс-контроля всей поверхности оборудования. При этом никаких подготовительных работ не требуется.

Большинство узлов и элементов энергооборудования работают в условиях циклических рабочих нагрузок и после длительной их эксплуатации следует ожидать повреждений из-за усталости и/или ползучести, которые происходят, как правило, неожиданно в локальных зонах концентрации напряжений (ЗКН).

ЗКН - это не только заранее известные области, где особенности конструкции создают различные условия для распределения напряжений, создаваемых внешней рабочей нагрузкой, но и случайно расположенные области, где в силу начальной неоднородности металла в сочетании с нерасчетными дополнительными рабочими нагрузками возникли большие деформации (как правило, деформации сдвига).

В работе [3] рассмотрена физическая сущность усталостной поврежденности металла и предложена модель развития этого процесса, открывающего возможность количественной оценки состояния материала при использовании метода магнитной памяти металла (МПМ).

Основные выводы из предложенной модели заключаются в следующем:

  • развитие процесса усталостного разрушения сопровождается изменением локальной плотности металла, выражающимся в появлении областей с пониженной и повышенной плотностью;
  • металл разрушается в ЗКН из-за уменьшения своей плотности или разрыхления;
  • процесс разрушения начинается в подповерхностном слое и развивается вглубь металла;
  • накопление усталостной поврежденности и развитие процесса разрушения – это увеличение доли разрыхленного слоя металла на поверхности изделия и в его объеме.

Установлено, что усталостное разрушение металла имеет три фазы:

  • первая – подготовительная, заключающаяся в перераспределении продольных неоднородностей деформации, выстраивающихся в создающихся условиях в "удобную" для металла периодическую последовательность; процесс в этой фазе развивается в двух направлениях – в глубину и длину, характеризуется сравнительно высокой скоростью, и продолжается сравнительно недолго – 1,0-1,5% от предельного количества циклов;
  • вторая – основная – накопительная, характеризующаяся очень медленным развитием процесса развития в одном направлении – в глубину (от единиц до десятков микрон) и продолжающаяся очень долго – 90-95% от предельного количества циклов;
  • третья – финальная, протекающая очень быстро и приводящая к возникновению в "случайном месте" микротрещины и развитию ее с очень высокой скоростью в глубину и длину и превращению ее в макротрещину.

Следует отметить, что первые две фазы развития усталостной поврежденности металла в условиях циклического нагружения хорошо изучены, а вот третья фаза, ставшая предметом многочисленных исследований, остается в значительной степени тайной.

На рис.1 приведено графическое представление трех фаз процесса накопления усталостной поврежденности металла в виде зависимости толщины ослабленного (рыхлого) слоя металла Δ [10-6] от количества циклов нагрузки N.

Рис.1а.

Рис.1б.

В работе [3] этот график представлен количественно на основе расчетного исследования для трубного образца в условиях симметричного циклического нагружения вдоль радиуса.

Скоротечность третьей фазы и неопределенность места начала разрушения до сих пор не позволяли детально изучать события, предшествующие разрушению непосредственно на оборудовании.

Тем не менее, было достоверно установлено, что основной характеристикой состояния металла, определяющей его живучесть при циклическом нагружении, является скорость развития трещины, неравномерно увеличивающейся по мере накопления усталостной поврежденности сначала очень медленно, а потом внезапно, начиная с какого-то значения, названного критической скоростью, резко и быстро. Так появилась условная характеристика, названная трещиностойкостью.

В работе [3] отмечается, что критическая скорость роста трещины - это скорость увеличения толщины «рыхлого» слоя или изменения плотности поверхностного слоя металла в ЗКН. Следовательно, можно говорить о критической толщине этого слоя металла, выше которой начинается необратимый процесс образования трещины.

Рассмотрим далее возможности метода МПМ отслеживать развитие процесса усталостного разрушения металла непосредственно на оборудовании.

Основным диагностическим параметром по методу МПМ является градиент магнитного поля рассеяния Нр (р/dx) или коэффициент интенсивности изменения этого поля (Кин)*, фиксируемого при сканировании датчиком специализированного магнитометра вдоль поверхности оборудования. Установлено, что именно этот диагностический параметр в силу магнитомеханического эффекта напрямую отображает энергетическое состояние поверхностных и глубинных слоев металла в ЗКН [3]. При этом, максимальное значение градиента поля, определяемое на поверхности металла с точностью до миллиметра, соответствует источнику возникновения трещины. В области наиболее интенсивного процесса деформирования и, в конечном итоге, разрушения доменная структура претерпевает значительные изменения. Размеры доменов, направления которых совпадают с направлением скольжения, достигают критических размеров. В итоге домен с максимальным размером "раскалывается" – образуется микротрещина. Расчетными исследованиями в работе [3] показано, что критический размер домена технического железа может иметь объем, охватывающий до десятка зерен. В настоящее время ООО "Энергодиагностика" в результате большого опыта обследования энергооборудования располагает количественными значениями Кин, характеризующими предельное состояние металла по условиям прочности и начальное развитие микро и макротрещин**.

* Kин=|ΔHp|/Δx, где |ΔHp| – модульная разность напряженности магнитного поля Нр между соседними точками измерения, расположенными на расстоянии Δx. При Δx->0, Кин=dHр/dx.

** Следует отметить, что деление трещин на микро и макротрещину до сих пор в технической литературе носит условный характер.

На рис.2 приведены результаты контроля обода диска ступени № 29 РСД турбоагрегата К-300-240 блока №3 Конаковской ГРЭС (июль 2001 год). Распределение поля Нр и его градиента р/dx, представленное на рис.2,а характеризует состояние металла обода диска. В зоне локального изменения поля Нр и максимального значения градиента на диске была взята "реплика" для исследования структуры металла. На рис.2,б представлено фото, иллюстрирующее результаты металлографического исследования. Видны микротрещины с раскрытием 1-2 микрона.

Рис.2а. Результаты контроля обода диска. Эпюра распределения величины Нр в ЗКН.

Рис.2б. Результаты металлографического исследования.

На рис.3,а приведены результаты контроля методом МПМ вдоль выходной кромки лопатки №12 ступени 38 РНД турбины К-300-240 блока №5 Конаковской ГРЭС. В зоне резкого локального изменения поля Нр и его градиента была взята "реплика" для исследования состояния металла. На рис.3,б представлены результаты металлографического исследования с увеличением х600. В зоне максимального значения градиента поля р/dx была выявлена микротрещина с раскрытием 5-8 микрон. На этом же рисунке приведены результаты измерений поля Нр и его градиента в зоне микротрещины до шлифовки (а), после первичной шлифовки под реплику (в) и после вторичной шлифовки (г). Шлифовка в данном случае на лопатке №12 была выполнена на глубину около 200 микрон. Представленная на рис.3,б темная полоса соответствует разрыхленному слою металла. Под рыхлым слоем находится плотный слой металла с повышенной твердостью. Об этом свидетельствуют результаты экспериментальных исследований аналогичных лопаток, представленные в работе [4].

Рис.3а.

Рис.3б.

Рис.3в.

Рис.3г.

С увеличением числа циклов нагрузки плотный слой металла растрескивается, увеличивая размеры рыхлого слоя. Таким образом развивается трещина на поверхности лопатки. Из результатов эксперимента со шлифовкой лопатки №12 в зоне развивающейся трещины очевидна связь диагностического параметра р/dx с размерами (глубиной и шириной) поврежденного слоя металла. Эта связь обоснована и физическим "магнитодислокационным" механизмом формирования магнитного поля Нр в локальной ЗКН [3].

Следует отметить, что если своевременно не удалить поврежденный слой металла, то это может привести к серьезной аварии с лопаткой или диском в межремонтный период. Скорость превращения микротрещины в макротрещину для каждого конкретного узла очевидно разная. Такие исследования в реальных условиях эксплуатации ответственного оборудования, как правило, не проводят. Использование метода МПМ при 100% обследовании стареющего оборудования позволит в дальнейшем выявить зоны образования трещин и оценить скорость их развития для различных узлов энергооборудования. В настоящее время имеются методики классификации степени поврежденности металла в ЗКН по значению градиента поля.

В ходе промышленных исследований установлено, что значения диагностического параметра Кин в ЗКН для однотипных элементов (например, лопаток одного диска) при одном и том же времени эксплуатации, как правило, разные, например, из-за разной амплитуды циклической нагрузки.

Известно, что скорость развития повреждения во II и III фазах для однотипных элементов так же, как правило, разная. Эту скорость можно отслеживать по значению Кин. На этой основе построена методология оценки ресурса по значению Кин, представленная в работе [5]. В работе [3] показано, что уменьшение плотности металла в ЗКН при накоплении усталостной поврежденности сопровождается увеличением плотности магнитной энергии и, соответственно, увеличением диагностического параметра Кин.

Имеющийся опыт 100% обследования роторов турбин К-300 Конаковской ГРЭС, К-200 Череповецкой ГРЭС и Заинской ГРЭС, Т-100 Северодвинской ТЭЦ-2, ПТ-60 и Т-100 Петрозаводской ТЭЦ и других (всего обследовано более 50-ти турбин различных типов) позволяет сделать заключение: ЗКН - источники развития повреждений (как правило, в виде трещин) составляют не более 3-5% от всей поверхности и объема металла роторов. Остальные 95% объема металла роторов турбин после их длительной эксплуатации находятся в удовлетворительном состоянии! Таким образом, проблема оценки ресурса роторов турбин решается путем своевременного выявления зон максимальной концентрации напряжений и их удаления обычной шлифовкой в процессе ремонта. Аналогичный подход при оценке ресурса с использованием 100% обследования методом МПМ используется предприятием ООО "Энергодиагностика" на всех видах энергооборудования: турбины, котлы, трубопроводы пара и воды и др. При этом затраты на выполнение такого обследования значительно ниже по сравнению со стоимостью диагностических работ, указанной в концепции РАО "ЕЭС России". Например, обследование всех трех роторов турбин К-200 и К-300 составит не более 1 млн. рублей (по состоянию на июнь 2004 года).

Литература

1. Дубов А.А. Проблемы оценки остаточного ресурса стареющего оборудования // Теплоэнергетика, №11, 2003. С.54-58.

2. РД 10-577-03. Типовая инструкция по контролю металла и продлению срока службы основных элементов котлов, турбин и трубопроводов тепловых электростанций. М.: ОРГРЭС, 2003.

3. Власов В.Т., Дубов А.А. Физические основы метода магнитной памяти металла. М.: ЗАО "Тиссо", 2004. 424с.

4. Дубов А.А., Матюнин В.М., Рыжков Ф.Е., Чечко И.И. Ранняя диагностика повреждений лопаток с использованием метода магнитной памяти металла // Тяжелое машиностроение, №10, 2001. С.32-34.

5. Дубов А.А., Дубов Ал.Ан., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля. Учебное пособие. М.: ЗАО "Тиссо", 2006. 332с.

ООО "Энергодиагностика" является разработчиком нового метода и приборов неразрушающего контроля, основанных на использовании магнитной памяти металла (МПМ).
1992-2017 © ООО "Энергодиагностика"
Рейтинг@Mail.ru
Создание сайта: ООО "Модерн Медиа"