Введение к работе
Актуальность темы и степень её разработанности
Одним из важнейших факторов безопасной эксплуатации котельного и теплообменного оборудования является работоспособность парогенераторов. Основными элементами, определяющими срок службы парогенератора при эксплуатации, являются теплообменные трубки. Тонкостенные трубы относятся к высоконагруженным и ответственным деталям, к которым предъявляются строгие требования. Проведенный анализ показывает, что основными причинами отказа теплообменного оборудования являются либо медленно прогрессирующие повреждения коррозионного типа и эксплуатационный износ, либо повреждения в результате развития дефектов производственного брака или некачественного ремонта. Для предотвращения возможных аварий с серьезными последствиями необходимо проводить периодический контроль состояния труб котельного и теплообменного оборудования с использованием средств неразрушающего контроля и технической диагностики.
На сегодняшний день электромагнитные методы неразрушающего контроля широко используются в технологических процессах производства и эксплуатации большого количества промышленных объектов, и с успехом применяются для контроля металлоизделий.
Одним из наиболее эффективных методов исследования состояния теплообменных трубок парогенераторов на сегодняшний день является вихретоковый метод неразрушающего контроля. Этот метод в основном применяется для контроля поверхностных и подповерхностных несплошностей. Однако, довольно часто возможен только односторонний доступ к внутренней поверхности исследуемого изделия, это в частности характерно для трубок парогенераторов, что не позволяет с достаточной эффективностью выявлять дефекты наружной стенки, что делает актуальной разработку эффективных методов внутритрубного контроля, решающих эту проблему.
Одним из возможных способов выявления дефектов наружной поверхности тонкостенных ферромагнитных труб может стать метод контроля в удалённых полях вихревых токов. Его технология способна дополнить и расширить область применения универсальных дефектоскопических систем. Основное преимущество метода — это способность проводить контроль трубного металлопроката почти с равной чувствительностью к дефектам на внутренней и внешней стенке объекта контроля. Еще одной важной с точки зрения применения особенностью метода контроля в удалённых полях является чувствительность к изменению толщины стенки исследуемой трубы.
Не смотря на существование ряда зарубежных публикаций, доступных теоретических и экспериментальных данных явно недостаточно для практической реализации данной технологии. В общедоступных источниках отсутствуют данные численного моделирования для удалённых полей вихревых токов, а имеющиеся ссылки являются в значительной части теоретическими и описательными с большим количеством допущений и упрощений и не раскрывают полную картину распределения слабого электромагнитного поля в теле ферромагнитного объекта контроля. Информация о серьезных отечественных разработках по данному направлению отсутствует полностью. На данный момент существует множество продуктов электромагнитной дефектоскопии основанных на вихретоковом методе. При этом
контроль в ближних полях вихревых токов досконально изучен и широко применяется, а контроль в удалённых полях не имеет развернутой теории и масштабной реализации (особенно в продуктах отечественных разработчиков средств неразрушающего контроля).
Таким образом, развитие теоретической базы и создание средств вихретокового неразрушающего контроля в удалённых полях необходимо для повышения достоверности контроля технического состояния тонкостенных труб ответственного назначения, что позволит обеспечить безаварийную работу теплообменных узлов. В связи с этим разработка новых более эффективных способов и средств выявления дефектов, с точки зрения повышения информативности и достоверности результатов контроля в процессе эксплуатации котельного и теплообменного оборудования, является актуальной задачей.
Цели и задачи
Цель диссертационной работы состоит в развитии вихретокового метода неразрушающего контроля в удалённых полях и разработке средств неразрушающего контроля на его основе, в частности создания оборудования для внутритрубного контроля тонкостенных изделий ответственного назначения.
Исходя из поставленной цели, основные задачи диссертации можно сформулировать следующим образом:
-
Провести анализ метода контроля в удалённых полях вихревых токов с целью определения его применимости на реальных изделиях.
-
Разработать математическую модель для описания процесса электромагнитного взаимодействия удалённых полей вихревых токов с контролируемым объектом для случая внутритрубного контроля проходным преобразователем.
-
Исследовать различные варианты конструкции проходных вихретоковых преобразователей, реализующих метод контроля в удалённых полях, а также их взаимодействие с разными типами дефектов.
-
Исследовать влияние на выходной сигнал различных вариаций геометрических параметров преобразователя и условий контроля, таких как расстояние между возбуждающей и сигнальной катушками и их габариты, наличие зазора и внешнего элемента конструкции обладающего электромагнитными свойствами.
-
Исследовать влияние на выходной сигнал преобразователя различных вариаций геометрических характеристик дефектов, таких как глубина, размер (диаметр, ширина и длина).
-
Разработать конструкцию преобразователя и средств дефектоскопии для контроля в удалённых полях вихревых токов.
-
Провести экспериментальное исследование взаимодействия преобразователя с объектом контроля.
-
Дать оценку границ применимости разработанного метода в сравнении с вихретоковым контролем в ближних полях.
Научная новизна
-
Разработана численная модель для описания процесса электромагнитного взаимодействия удалённых полей вихревых токов с контролируемым объектом при внутритрубном контроле.
-
С использованием метода конечных элементов получена картина распространения суммарного магнитного поля тока возбуждения и вихревых токов в удалённой области.
-
Получена теоретическая зависимость квазиоптимальных геометрических параметров преобразователя от внутреннего диаметра объекта контроля для случая удалённых полей.
-
Исследовано влияние на выходной сигнал вихретокового преобразователя различных вариаций его геометрических параметров и условий контроля.
-
Исследовано влияние на выходной сигнал преобразователя различных вариаций геометрических размеров для дефектов разных типов.
-
Проведён сравнительный анализ базовых конструкций преобразователей для контроля в удалённых полях вихревых токов.
Теоретическая и практическая значимость
Проведён анализ уровня развития теоретической базы и практической реализации метода
контроля в удалённых полях в России и за рубежом.
Проведен сравнительный анализ вихретокового неразрушающего контроля в ближних и
дальних полях.
В рамках проведения экспериментального исследования разработана оригинальная
конструкция преобразователя для контроля в удалённых полях.
Проведен анализ метода контроля в удалённых полях вихревых токов с целью определения
границ его применимости на реальных изделиях.
Разработан комплекс усовершенствований электронного блока вихретокового
дефектоскопа ВД-41П для проведения исследований и контроля в удалённых полях.
В ходе проведения теоретических и практических исследований создана
экспериментальная система вихретоковой дефектоскопии ВД-41УП для проведения
неразрушающего контроля в удалённых полях.
Методология и методы исследования
Методологической основой исследования является совокупность теоретического анализа при помощи численных методов и экспериментального изучения физических процессов посредством проведения опытов.
Численное моделирование методом конечных элементов позволило заменить экспериментальный метод исследования для объектов, оперирование которыми затруднительно или невозможно. Благодаря численным методам была сформирована картина распространения электромагнитного поля в удалённой области и представлено распределение слабого поля в теле ферромагнитного объекта контроля. Для построения модели и проведения конечно-элементного анализа использовались программные средства "Maxwell" пакета "ANSYS Electronics Desktop: Electromagnetic Suite". Данное программное обеспечение широко применяется во всем мире и достоверность достигаемых с его помощью результатов подтверждается большим опытом использования для решения задач в различных областях. Математический аппарат "ANSYS Maxwell" предоставляет высокопроизводительное и точное решение задачи определения единственно возможного распределения электромагнитных полей в заданной расчетной области при данных граничных условиях.
Подход к выбору метрологического обеспечения базировался на государственных и международных стандартах и нормативных документах. Обработка результатов экспериментальных измерений велась при помощи статистических методов с применением современных средств вычислительной техники в соответствии с действующей нормативной базой. Выводы и оценки, основанные на итогах проведенного в работе теоретического исследования, сопоставлялись с результатами выполненных испытаний.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты исследования и теоретические обоснования процесса распространения электромагнитного поля вихревых токов и поля тока возбуждения, их взаимодействия с электропроводящими материалами в удалённой области.
-
Усовершенствованный метод вихретокового неразрушающего контроля в удалённых полях. Его теоретическое обоснование и результаты анализа имитационного и экспериментального изучения.
-
Предложенные конструкции вихретоковых преобразователей для контроля в удалённых полях и обоснованные зависимости параметров преобразователей от свойств и размеров исследуемых объектов контроля.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов исследований, представленных в работе, обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов электродинамики и современных высокоэффективных систем математического моделирования. Также достоверность подтверждается качественным совпадением теоретических данных полученных с применением численных методов и результатов экспериментального исследования с использованием опытного стенда на базе вихретокового дефектоскопа, внесенного в государственный реестр средств измерения. В пользу достоверности полученных в работе результатов можно отметить хорошую воспроизводимость экспериментов и корреляцию результатов применения исследованного метода с данными получаемыми при использовании других методов неразрушающего контроля. Полученные теоретически и экспериментальные данные качественно согласуются с выводами и результатами зарубежных авторов, освещающих данную тематику.
Основные положения диссертационной работы были представлены на XVII Международной молодежной научно-технической конференции учащихся, студентов, аспирантов и молодых ученых – «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы 2015» (Москва, 2015 г.); В докладе на сессии круглых столов форума «Территория NDT - 2015» (Москва, 2015 г.); на XVIII Международной молодежной научно-технической конференции учащихся, студентов, аспирантов и молодых ученых – «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы 2016» (Москва, 2016 г.); на 19-й Всемирной конференции по неразрушающему контролю – «19th World Conference on Non-Destructive Testing» (Мюнхен, 2016 г.).
По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях из списка ВАК (журналы «Ремонт. Восстановление. Модернизация», «Контроль. Диагностика», «Экспозиция Нефть Газ», «Известия высших учебных заведений. Машиностроение»).
Личный вклад
Личный вклад автора заключается:
в выборе научно-технического направления работы;
в постановке цели и задач исследования;
в определении приоритетов и методов исследования, структуры и содержания работы, формы представления результатов;
в анализе литературы и современного положения дел в области исследования и совершенствования методов и средств электромагнитной дефектоскопии;
в создании и исследовании имитационной модели с помощью численных методов;
в проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов;
в разработке теоретической базы метода и объяснение экспериментальных данных с точки зрения современной науки;
в разработке оригинальной конструкции преобразователя с интегрированным блоком предварительного усиления и каналом шумоподавления;
в исследовании метода и анализе его применимости на реальных изделиях;
в доработке вихретокового дефектоскопа ВД-41П, включающей в себя усовершенствование блока усиления и обработки сигнала.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы, включающего 171 наименования и приложения.
Объем работы составляет 157 страницы, включая 3 таблицы и 129 иллюстраций.