Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние неразрушающего контроля трубопроводов энергоблоков 8
1.1. Анализ факторов, влияющих на разрушение металла трубопроводов 8
1.2. Классификация дефектов сплошности и дефектов структуры, характерных для металла трубопроводов энергоблоков 16
1.3. Современные методы и средства неразрушающего контроля металла трубопроводов 23
1.4. Выводы и постановка задачи 34
Глава 2. Разработка и исследование способов электромагнитного контроля металла трубопроводов в процессе эксплуатации 35
2.1. Исследование способа электромагнитной дефектоскопии трубопроводов на основе трансформаторного возбуждения 35
2.2. Исследование электромагнитной дефектоскопии металла трубопроводов на основе локального намагничивания 65
2.3. Экспериментальное исследование воздействия дефектов сплошности на вносимые параметры электромагнитных преобразователей при трансформаторном возбуждении 83
2.4. Экспериментальное исследование воздействия дефектов сплошности на вносимые параметры феррозондовых преобразователей при локальном намагничивании 95
2.5. Выводы 102
Глава 3. Исследования вносимых параметров электромагнитных преобразователей при изменении структуры металла трубопроводов из-за его деградации 104
3.1. Теоретическое исследование структуроскопии металла трубопроводов на основе первичных преобразователей с U-образными сердечниками 104
3.2. Исследование взаимосвязи между остаточным ресурсом металла и вносимыми параметрами в электромагнитный преобразователь с U-образными сердечниками 115
3.3. Выводы 123
Глава 4. Разработка средств оценки технического состояния металла трубопроводов в процессе эксплуатации 125
4.1. Установка «СПРУТ» для электромагнитной дефектоскопии трубопроводов в процессе эксплуатации 125
4.2. Электромагнитный структуроскоп «РЕСУРС-ВТ-08» для оценки остаточного ресурса работы металла 129
4.3. Выводы 132
Заключение 134
Литература 137
Приложение
- Классификация дефектов сплошности и дефектов структуры, характерных для металла трубопроводов энергоблоков
- Исследование электромагнитной дефектоскопии металла трубопроводов на основе локального намагничивания
- Исследование взаимосвязи между остаточным ресурсом металла и вносимыми параметрами в электромагнитный преобразователь с U-образными сердечниками
- Электромагнитный структуроскоп «РЕСУРС-ВТ-08» для оценки остаточного ресурса работы металла
Введение к работе
Одной из основных проблем в энергомашиностроении является обеспечение надежности и долговечности службы деталей и узлов различных элементов энергетического оборудования. Для этого необходимо применять профилактические меры и своевременно заменять детали и узлы, заведомо отработавшие свой ресурс. С увеличением срока эксплуатации и приближении его к ресурсному, все более актуальными становятся вопросы выявления образующихся дефектов сплошности и прогнозирования остаточного ресурса по фактическому состоянию металла в наиболее нагруженных узлах. К высоконагруженным и достаточно важным элементам оборудования энергоблоков относятся трубопроводы. Металл трубопроводов энергоблоков постоянно работает под напряжением при высоких температурах в условиях ползучести. Существующие методы и средства неразрушающего контроля не удовлетворяют в полной мере современным требованиям по оперативности и достоверности оценке состояния металла трубопроводов энергоблоков, отсутствует комплексный подход, включающий оценку состояния металла по его физико-механическим характеристикам, увязанным с остаточным ресурсом, выявление с приемлемой вероятностью наиболее характерных дефектов, развивающихся в процессе эксплуатации.
В связи с этим, разработка новых более эффективных способов и средств для оценки стадий деградации металла и выявления наиболее характерных и опасных дефектов в процессе эксплуатации трубопроводов энергоблоков является актуальной задачей.
Цель настоящей диссертационной работы состоит в повышении достоверности оценки технического состояния трубопроводов энергоблоков в процессе их эксплуатации на основе бесконтакных электромагнитных методов контроля.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи: • исследование функции распределения электромагнитного поля продольных токов в контролируемом трубопроводе, входящем в электрически замкнутый контур;
• исследование воздействия дефектов на распределение электромагнитного поля над поверхностью трубопровода;
• разработка способов оценки параметров дефектов, выявленных в ферромагнитных трубопроводах;
• исследование основных закономерностей бесконтактного выявления дефектов на основе анализа магнитных потоков рассеяния при локальном намагничивании;
• исследование взаимосвязи между степенью деградации металла, с одной стороны, и его электромагнитными параметрами, с другой стороны;
• разработка способов получения информации о степени деградации металла и реализующих эти способы средств контроля;
• разработка средства дефектоскопии и структуроскопии для оперативного, периодического и непрерывного контроля элементов энергоблоков в процессе эксплуатации.
Диссертационная работа изложена на 160 страницах машинописной текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на страницах \ состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 125 наименований и приложения, а также включает рисунки и таблицы в количестве 54 шт. на листах.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и основные направления научного исследования, отмечаются новизна и практическая значимость полученных результатов.
Первая глава посвящена вопросам современного состояния неразрушающего контроля трубопроводов энергоблоков. Проведен анализ факторов, влияющих на разрушение металла трубопроводов.
Определено, что для прогнозирования работоспособности металла трубопроводов энергоблоков необходимо в процессе эксплуатации контролировать ряд параметров. К ним относятся состояние структуры металла и наличие нарушений сплошности.
Вторая глава посвящена исследованию способов электромагнитного контроля металла трубопроводов в процессе эксплуатации. Наиболее вероятно развитие дефектов с внутренней стороны трубопроводов. Для их надежного выявления необходимо ослабить скин-эффект, приводящий к уменьшению плотности тока во внутренних слоях трубопровода. Это наилучшим образом достигается при трансформаторном способе возбуждения переменного тока в трубопроводах, образующих электрически замкнутый контур. Последнее условие практически всегда выполняется для трубопроводов энергооборудования.
Третья глава посвящена оценке степени деградации металла электромагнитным методом. В ней описан выбранный электромагнитный преобразователь для оценки изменений структуры металла и проведена его оптимизация применительно к решаемой задаче. Здесь же приведены результаты экспериментальных исследований взаимосвязи между степенью деградации металла и выходными характеристиками выбранного электромагнитного преобразователя. В отличие от стандартных задач структуроскопии, связанных, обычно, с контролем тонкого поверхностного слоя, для определения степени деградации металла требуется интегральная оценка свойств металла по толщине в слое не менее, чем 1...2 мм. Во-вторых, необходимо контролировать металл с плохим состоянием поверхности, что обусловлено его длительной эксплуатацией. С учетом специфики решаемой задачи был разработан первичный электромагнитный преобразователь с двумя вложенными друг в друга U- образными сердечниками. Теоретические исследования данного преобразователя проводились методом конечных элементов. При соответствующем выборе параметров (числа витков обмоток и размеров сердечника) удается подавить влияние вариации рабочего зазора между торцами сердечника и поверхностью металла. Четвертая глава посвящена разработка средств оценки технического состояния металла трубопроводов в процессе эксплуатации энергоблоков. Система прогнозирования развития усталостных трещин (СПРУТ) на основе трансформаторного возбуждения в замкнутом трубопроводе разрабатывалась применительно к задаче непрерывного и периодического контроля за состоянием гибов трубопровода ядерного реактора на быстрых нейтронах.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы.
Классификация дефектов сплошности и дефектов структуры, характерных для металла трубопроводов энергоблоков
Вышеизложенный анализ показывает, что для прогнозирования работоспособности металла трубопроводов энергоблоков необходимо в процессе эксплуатации контролировать ряд параметров. К ним относятся состояние структуры металла, суммарная остаточная деформация, наличие нарушений сплошности.
Для отбраковки труб с недопустимой остаточной деформацией после 100 тыс. часов эксплуатации даже 0,8% деформации на прямых участках являются недопустимыми. Достижение 0,5% деформации на прямом участке является признаком развития ползучести в металле гиба и возможного образования в нем трещин.
Основанием для определения фактического уровня длительной прочности металла после продолжительного эксплуатационного старения является снижение кратковременных прочностных свойств ниже требований технических условий. Наличие скопления пор в виде цепочек по границам зерен, видимых при увеличении в 500 раз, недопустимо и металл должен быть снят с эксплуатации.
Таким образом, в процессе эксплуатации трубопроводов энергоблоков необходимо применение, по меньшей мере, трех типов контрольно-измерительных приборов: для определения механических свойств и структуры металла; измерения степени деформации; выявления дефектов сплошности.
Действующими директивными материалами предусмотрен выборочный контроль структуры и механических свойств металла трубопроводов энергоблоков. С этой целью на котлоагрегатах производится большое количество вырезок труб, на которых определяется уровень механических свойств и проводится металлографическое исследование.
При исследовании микроструктуры пароперегревателей основной задачей является отбраковка труб из низколегированных марок 12Х1МФ и 12Х2МФСР с недопустимой браковочной структурой и аустенитных труб с мелким зерном.
Для теплостойких перлитных сталей брак по структуре обусловлен прежде всего недогревом или недостаточной скоростью охлаждения при нормализации в результате чего образуется ферритокарбидная структура, либо, в случае перегрева при отпуске, перекристаллизованная структура. Эта задача при входном контроле труб и в процессе их производства может успешно решаться с помощью существующих средств электромагнитной структуроскопии. В частности, на Первоуральском новотрубном заводе была разработана методика безобразцового электромагнитного контроля микроструктуры и механических свойств холоднодеформированных труб пароперегревателей из сталей 12Х1МФ и 12Х2МФСР [7]. Было установлено, что после холодной прокатки, последующей нормализации или закалки наряду с изменением прочностных и пластических свойств сталей изменяется значение коэрцитивной силы Не. При этом с ростом Не возрастают пределы прочности и текучести металла и снижаются его пластические свойства.
Зависимость механических свойств стали 12Х1МФ от коэрцитивной силы [8] приведена на рис. 1.2.1.
Для холоднодеформированных труб из стали 12Х1МФ после отпуска в интервале 690 ... 750 С магнитные характеристики (магнитная проницаемость max, остаточная индукция Вг, коэрцитивная сила Не и магнитная насыщаемость Is) практически не изменялись. Структура стали 12Х1МФ -рекомендованная. При температурах отпуска 760...800 С наблюдается снижение jumax и Вг, и возрастание Не. Эти показания соответствуют структуре образцов, состоящей из феррита и перекристаллизированного перлита, расположенного по границам зерен феррита (баллы зерна 8...9, структура переотпуска). На образцах с браковочной феррито-карбидной структурой (балл 7) были получены минимальные значения Не и де, в и наибольшие значения Вг и fimax- Таким образом, для контроля структуры и механических свойств котельных низколегированных сталей может успешно применяться электромагнитный метод.
На Первоуральском новотрубном заводе была также разработана методика неразрушающего контроля структуры и свойств горячекатанных труб из сталей 20 и 12Х1МФ [7]. Для измерения был применен феррозондовый коэрцитиметр КИФМ-1. В табл. 1.2.1 представлено соответствие между показаниями коэрцитиметра и микроструктурой для труб из стали 12Х1МФ по методике Первоуральского новотрубного завода.
Согласно разработанной на Первоуральском новотрубном заводе методике механические свойства горячекатаных труб из сталей марок 20 и 12Х1МФ могут быть определены по среднему значению размагничивающего тока 1р, которое пропорционально значению Не, полученному в результате трехкратного измерения 1р.
Исследование электромагнитной дефектоскопии металла трубопроводов на основе локального намагничивания
Трубопроводы энергоблоков содержат различные элементы в виде задвижек, креплений, врезок и т.п. При этом возникают участки с кривизной малого радиуса. Это приводит к возрастанию механических напряжений на соответствующих участках и увеличению риска образования на них трещин. Для дефектоскопии подобных участков целесообразно использовать один из методов электромагнитного контроля — феррозондовый, с локальным намагничиванием. Локализация зоны намагничивания вносит ряд особенностей по сравнению с традиционно используемым однородным намагничиванием: возрастает неоднородность намагниченности материала и направление вектора Но в данной зоне изменяется от точки к точке. Магнитное поле дефекта, перемещающегося в локально намагниченной зоне, не является статическим, распределение его напряженности изменяется по мере перемещения дефекта в соответствии с величиной и направлением Но на пути перемещения дефекта. Таким образом, на магниточувствительные преобразователи, расположенные в зоне локального намагничивания, от перемещающегося дефекта действует не статическое поле рассеяния, образующееся при однородном намагничивании, а изменяющееся под влиянием величины и направления действующего на дефект Но. Вопросы, связанные с полем дефекта и оптимизацией метода контроля при локальном намагничивании изложены в [86-101].
Рассмотрим динамику изменения распределения напряженности поля рассеяния дефекта Н при изменении направления вектора . Направление 0 однородного магнитного поля относительно поверхности ферромагнитного полупространства (рис. 2.2.1) можно охарактеризовать величиной его составляющих вдоль указанных на рисунке координатных осей: 0х и 0у. Решая задачу в линейном приближении (f c=comt и -"с ) и полагая, что плотность магнитных зарядов и а на гранях Характерным в структуре полученных выражений является наличие функций двух типов: а) характеризующих намагничивающее поле {Нох и Ноу) и б) характеризующих поле дефекта (In и arctg). Первые являются в (2.2.2) и (2.2.3) весовыми функциями, вторые описывают непосредственно распределение поля дефекта. При анализе выражений (2.2.2) и (2.2.3) следует обратить внимание на два частных случая: 1) 0у=0; 2) 0jr=0. В первом случае дефект находится в магнитном поле, направленном параллельно поверхности раздела сред, а составляющие напряженности поля дефекта в подвижной, связанной с центром дефекта ( = х х) системе координат (Х ОУ ), принимают вид: что совпадает с аналогичными выражениями для параллельного намагничивания [31]. Во втором случае дефект находится в нормальном к поверхности раздела сред намагничивающем поле , откуда выражения Н Hv для и у в штрихованной системе запишутся в виде: что совпадает с выражениями [135] для нормального намагничивания. Если в рассмотренных двух случаях распределение напряженности поля дефекта является симметричным относительно плоскости, проходящей через Хо перпендикулярно оси ОХ, то при наличии двух составляющих напряженности намагничивающего поля симметрия составляющих н(х) нарушается. Пример асимметричного распределения составляющих поля дефекта показан на рис. 2.2.2 и рис. 2.2.3, где распределение х и у дано и н в штрихованной системе координат при различных значениях 0х и 0у. кН кН Расчет выполнен в относительных единицах v ; для «равностороннего» (h = 2b = 0,1мм) дефекта. Кривая I на рисунках н = о н соответствует случаю 0у , то есть угол а между осью ОХ и вектором равен нулю; Кривая 2 - значению угла а = 30, кривая 3 - а = 60, кривая 4-а = 90 (нормальное намагничивание). Из рис. 2.2.2 видим, что форма кривой I, симметричная при а = 0, изменяется с увеличением а и при а-»90 принимает форму кривой 4, совпадающую (с точностью до знака) с кривой I нарис. 2.2.3. Зависимость распределения составляющих напряженности магнитного поля дефекта от направления
Исследование взаимосвязи между остаточным ресурсом металла и вносимыми параметрами в электромагнитный преобразователь с U-образными сердечниками
Как было показано в Гл. 1 прогнозирование остаточного ресурса металла - одна из наиболее актуальных проблем при эксплуатации трубопроводов энергоблоков. В многочисленных работах отмечалось наличие взаимосвязи между механическими и электромагнитными параметрами сталей различных марок. Однако применение электромагнитных методов для прогнозирования остаточного ресурса сдерживается двумя обстоятельствами. Сложностью получения образцов с различной степенью деградации металла и большой погрешностью измерения электромагнитных параметров металла массивных объектов. Для повышения точности измерения электромагнитных параметров металла в разомкнутой магнитной цепи был разработан способ, описанный в Гл.2, что позволило получить достаточную чувствительность и разрешающую способность к изменениям электромагнитных свойств в процессе деградации металла. Другая проблема - получение образцов с различной степенью деградации металла, решалась путем применения передовых методик ускоренных испытаний металла. При этом наиболее значимыми для повреждаемости металла в процессе эксплуатации были признаны четыре фактора: деформация разной степени, в том числе локальная деформация в зонах термического влияния при сварке металла, в местах концентрации напряжений в результате развития коррозионных повреждений и срабатывания" конструктивных концентраторов в перенапряженных зонах конструкции; старе ниє металла, в связи с напряженно - деформированным воздействием на него; наводораживание металла; комплексное воздействие деформации, старения и наводораживания.
Проведенные исследования проводились применительно к оборудованию нефтегазовой и энергетической промышленности. Его значительная часть выполненным из малоуглеродистых и малоуглеродистых низколегированных сталей с исходной феррито-перлитной структурой без термического или других видов упрочения. К ним относятся стали 15. 20, Ст. Зсп или их аналоги. 09Г2, 09Г2С, 16ГС или их аналоги и имеющие углеродный эквивалент Сэ 0.49 по ГОСТ 19281-89: C3=C+Mn/6++Cr/5+U/14+Si/24+ni//40+Cu/13+P/2. Образцы, в виде параллелепипедов с размерами в мм 220x15x15 из исходного металла, подвергались комплексу воздействий, после чего были получены образцы, соответствующие различным степеням деградации металла. Затем каждый из образцов разрезался на две части. Одна из них предназначалась для проведения испытаний, с целью определения физико-механических свойств, отражающих степень пригодности металла к эксплуатации. Другая часть образца с определенными таким образом комплексом физико-механических свойств, использовалась для разработки электромагнитного структуроскопа. Комплекс воздействий, приводящих металл к различным степеням деградации, отражен на рис. 3.4.1. При анализе изменений физико-механических свойств измерялись следующие параметры: - Нв - твердость по Бриннелю; - Ав - предел прочности; - Ат - предел текучести; - As - относительное сужение; - К1с - параметр трещиностойкости; - Амц - предел малоцикловой выносливости; - А.1 - предел многоцикловой выносливости; - СП - структурная повреждаемость; - dl/dN - скорость роста циклической трещины. Результаты изменения предела прочности и текучести металла, а также его твердости при различных воздействиях отражены на рис. 3.4.2 - 3.4.5. В результате проведенных исследований определялся тип электромагнитного преобразователя и режим контроля, обеспечивающие наибольшую степень корреляции между регистрируемыми сигналами и представляющими интерес физико-механическими свойствами образцов. Наилучшие результаты были получены при использовании трансформаторного электромагнитного преобразователя с U - образным сердечником. Сердечник выполнялся из ферритового кольца М2000-НМЗ К28х16х9. Возбуждающая обмотка состояла из 150 витков провода ПЭВ2 -0.3 и размещалась в центральной части сердечника. Измерительная обмотка состояла из двух последовательно - согласно включенных секций, размещенных в зонах рабочих торцов преобразователей.
Было установлено, что наиболее информативна амплитуда основной гармоники на частоте f= 4 кГц. Измерения в этом режиме проводились по схеме, представленной на рис. 3.4.6. Здесь использовалось два идентичных электромагнитных преобразователя, один из которых -компенсационный, не взаимодействовал с образцом, а второй -устанавливался на поверхности образца. Полученные зависимости приведены на рис. 3.4.7. Как видно из приведенных зависимостей, имеется высокая степень корреляции между регистрируемым сигналом и контролируемыми свойствами образцов. Проведенные исследования позволили установить, что основным мешающим фактором в данном случае является вариация рабочего зазора между торцами сердечника и поверхностью образца. Зависимость регистрируемого напряжения от зазора Z в диапазоне Z 0,2 мм имеет вид прямой линии с крутизной порядка S=20 мВ/мкМ.
Электромагнитный структуроскоп «РЕСУРС-ВТ-08» для оценки остаточного ресурса работы металла
Электромагнитный структуроскоп «РЕСУРС-ВТ-08» разрабатывался применительно к задачам прогноза остаточного ресурса металла трубопроводов оборудования и аппаратов из конструкционных сталей. Принцип действия структуроскопа основан на измерении электромагнитных параметров металла в разомкнутой магнитной цепи с подавлением влияния зазора и описан в главе 2. Структуроскоп может применяться для прогноза остаточного ресурса трубопроводов оборудования энергетической и нефтегазовой промышленности, если его поверхность не подвергалась огневому воздействию, а металл эксплуатировался в условиях действия статических или циклических нагрузок.
В настоящее время структуроскоп использовался для контроля оборудования изготовленного из малоуглеродистых и малоуглеродистых низколегированных сталей с исходной феррито-перлитной структурой без термического или других видов упрочения (стали 15, 20. СТ. ЗСП или их аналоги, 09Г2, 09Г2С, 15ГС или их аналоги) и имеющих углеродный эквивалент Са 0.49 по ГОСТ 19281-89: Сэ = С + Мп/6 + Сг/5 + U/14 + Si/24 + Ni/40 + Cu/13+P/2. Результаты оперативного контроля, выполненного структуроскопом «РЕСУРС-ВТ-08», служат основанием для принятия решения о необходимости отбора микропроб или вырезки образцов металла для проведения его более детального исследования, а также проведения каких-либо специальных исследований (например, термографирования) или временной эксплуатации оборудования до выдачи заключения о его ресурсе на основе полного комплекса исследований. Категорию качества определяют, опираясь на тестовые образцы имитаторы [состояния металла, для каждой марки стали в предельном структурно-охрупченном состоянии. Результаты контроля позволяют отнести состояние металла к одной из следующих групп: 1-нормально, 2-допустимо. 3-опасно, 4-аварийно.
Внешний вид структуроскопа показан на рис. 4.2.2, а на рис. 4.2.3 отдельно показан первичный электромагнитный преобразователь структуроскопа. Структуроскоп имеет переключатель для выбора режима работы в зависимости от марки стали и ручку для регулировки коэффициента К, с помощью которой достигается отстройка от влияния зазора. Процедура настройки прибора соответствует описанию, приведенному в главе 2. В структуроскопе используется рабочая частота 4 кГц на основе рекомендаций, полученных при экспериментальных исследованиях. 1. Разработанная установка «СПРУТ» позволяет проводить периодический и непрерывный контроль целостности трубопроводов как на гладкой их части, так и в зоне гибов, где вероятность появления дефектов наиболее высока. При этом за счет сочетания трансформаторного возбуждения токов в трубопроводе с регистрацией наиболее информативного параметра - фазы вносимого напряжения, удается выявлять дефекты типа локальных утонений на толщину порядка 20% от толщины стенки ферромагнитного трубопровода. При этом в качестве чувствительного элемента рекомендуется использовать дифференциально включенные вложенные друг в друга катушки индуктивности, а рабочую частоту выбирать порядка 200... 300 Гц. 2. Электромагнитный дефектоскоп «РЕСУРС-ВТ-08» позволяет выявлять дефекты как в ферромагнитных, так и в немагнитных объектах с криволинейной поверхностью. При этом выявляются дефекты глубиной h более 0,1 мм при рабочем зазоре Yo менее 5h, но не более 6 мм. Отстройка от влияния кривизны достигается за счет применения дополнительных компенсационных катушек, реагирующих на перекос оси преобразователя и не реагирующих на дефект.
Электромагнитный структуроскоп «РЕСУРС-ВТ-08» способен регистрировать слабые изменения электромагнитных свойств материала за счет подавления влияния вариации зазора под торцами U - образного магнитопровода в разомкнутой магнитной цепи. Это позволяет прогнозировать остаточный ресурс металлообъектов, выполненных из наиболее распространенных в энергетической промышленности металлов.
Для разработанных дефектоскопов предложен контрольный образец с пониженной металлоемкостью, состоящий из четырех сопрягаемых друг с другом частей. Проведенный анализ погрешности имитации показал, что при оптимальном выборе размеров частей погрешность имитации за счет выполнения образца составным не превышает 10...15%, что вполне допустимо.
