Учебно-методический комплекс дисциплины «теплотехнический эксперимент» (стр. 12 )

Эффективность системы диагностики проявляется в выявлении зависимостей между критериями надёжности и оценка времени работы изделия до отказа. Время работы изделия до отказа в разработанной системе оценивается методами акустической эмиссии и методом автоциркуляции импульсов ультразвуковых волн. Для создания объективной системы диагностики необходимо рассматривать влияние эксплуатационных факторов на свойства основного металла паропроводов. К одному из методов неразрушающего контроля, использующегося в последнее время в теплоэнергетике, относится акустическая эмиссия (АЭ) – метод, основанный на регистрации волн напряжений от распространяющихся дефектов независимо от их природы и причин, вызывающих их развитие. Основным достоинством АЭ является возможность ее применения непосредственно в процессе эксплуатации энергооборудования, а также возможность определения координат возникающих несплошностей материала и, после дополнительных исследований для определения особенностей технологических режимов контролируемого объекта, оценить степень опасности развивающихся дефектов.

Получение полезной информации, которая может быть выделена из интегрального количества регистрируемых сигналов АЭ, осуществляется методами математической обработки, при этом число возможных учитываемых параметров может быть достаточно большим. В связи с этим определенное значение имеет выбор наиболее информативных параметров, несущих необходимую информацию о локальной динамической перестройке внутренней структуры твердых тел. В нашем случае контроль и эксперименты как в лабораторных, так и производственных условиях осуществлялись регистратором сигналов АЭ с переменной полосой пропускания в двух диапазонах 0,1-0,6 и 0,6-1,2 МГц при уровне шумов, приведенных ко входу менее 1,5 мкВ и ширине полосы пропускания 8 кГц. Прибор при этом может работать в двух режимах: регистратора сигналов АЭ с переменной полосой пропускания (предназначен для измерения активности, интенсивности и суммарного счета АЭ с дискриминацией по трем уровням) и анализатора спектра последо­вательного действия.

При установке комплекса контроля на теплоэнергетическое да и на любое другое промышленное оборудование априорно определяются участки паропроводов, подвергающиеся повышенным нагрузкам во время эксплуатации. При запланированных ремонтах на элементах конструкций, подлежащих периодическому или постоянному контролю, устанавливаются волноводы, рабочая часть которых выходит за слой теплоизоляции. При периодическом контроле на волноводы устанавливаются преобразователи, расстояние между волноводами которых составляет 8-10 метров. Данная система обеспечивает обнаружение и локализацию развивающихся дефектов с погрешностью менее 5 %. Контроль корпусов турбин происходит аналогичным образом. В общем случае на турбине устанавливается 8-12 волноводов на местах наиболее подверженных образованию трещин по данным отдела технического контроля ТЭС. Были произведены исследования корпуса вблизи предполагаемого дефектного участка. На данном месте в течение года осуществлялся периодический контроль по измерению активности сигналов акустической эмиссии. На первоначальном этапе активность сигналов акустической эмиссии от предполагаемого дефектного участка была в 2-3 раза выше, чем от остальных точек контроля. После наработки около 9 000 ч активность увеличилась почти в пять раз, что говорит о наличии развивающегося дефекта. При этом использовались лабораторные данные, полученные при испытании образцов литой стали с регистрацией акустической эмиссии. Оценка степени опасности дефекта позволила предотвратить аварийный останов, и во время планового ремонта в районе контролируемого участка была устранена трещина, и, следовательно, удалось избежать ущерба, который мог быть нанесен аварией. При эксплуатации тепловых электростанций в металле котлов, паропроводов, турбин, работающих при температурах 450-600°С наблюдаются процессы ползучести, т. е. с течением времени накапливается остаточная деформация узлов. Величина её составляет несколько процентов, а скорость накопления порядка (10-6-10-5)%/час. Наиболее интенсивно ползучесть протекает в гнутых отводах и сварных стыках паропроводов, что в конечном итоге является причиной их разрушения. На последней стадии пол­зучести на границах зерен возникают микропоры и клиновидные трещины, причем со временем количество их растет и они сливаются друг с другом, образуя цепочки микропор и микротрещин, что в конечном итоге приводит к зарождению одной или нескольких макротрещин. Насосы применяемые в теплоэнергетике так же подвергаются деформации, не так сильно как оборудование работающее под высокими температурами, но все же.

Размер микропор не превышает несколько мкм, что значительно меньше порога чувствительности классических методов дефектоскопии. Однако микропоры видны в оптический микроскоп при увеличении 500-1000 раз при металлографическом исследовании. Длительность стадии ползучести от возникновения пор до развития макротрещины для теплостойких сталей (12Х1МФ и 15Х1М1Ф) может достигать половины общего времени эксплуатации, которое составляет величину (1-3) • 105 час (за год энергооборудование нарабатывает (7-8) • 103 час). Поэтому информация о степени дефектности металла позволяет определить ресурс работоспособности. В настоящее время диагностика проводится в основном металлографическими методами во время остановок энергоблоков на текущие или капитальные ремонты, при этом используются и другие методы дефектоскопии, однако все они требуют больших временных затрат. Микроструктура исследуется на шлифе с помощью портативного микроскопа или на оттиске со шлифа на стационарном микроскопе. Высокая трудоемкость приготовления шлифов ограничивает проведения масштабных работ. Поэтому необходимо разрабатывать новые прогрессивные экспресс-методы. Поэтому в систему внедрён разработанный метод автоциркуляции ультразвуковых импульсов, оценивающий микроструктуру металла, степень дефектности и прогноз остаточного ресурса работоспособности.

Немногие технологии допускают использование методик УЗК по скорости изменения УЗ. И это обусловлено тем, что изменение скорости УЗ может быть вызвано: наличием остаточных напряжений, непостоянством температуры окружающей среды, шероховатостью, кривизной поверхности, наличием окалины, геометрической дисперсией. Однако, применяя специальные датчики и устройства, а также методически учитывая влияние этих факторов можно измерить не саму скорость, а её изменение относительно эталона, или отношение скоростей различных типов и по этим величинам оценить изменения в материале, возникшие в процессе его эксплуатации. Старение оборудования тепловых электростанций, которые относятся к объектам повышенной опасности, на данном этапе становится одной из основных проблем отечественной энергетики. Исходя из этого, были проведены исследования металла образцов сварных соединений вырезанных из одного итого же паропровода: первое после 329640 часов эксплуатации и второе после 361800 часов.

Результаты механических испытаний сварных соединений и основного металла показывают, что механические характеристики имеют большой запас по прочности. При этом даже несплавление в корне шва на момент изготовления не привело к развитию дефекта после наработки 361800 часов и последующему разрушению.

Стоит отметить, что, анализ одного из эксплуатационных параметров (давление) в течение суток и в разное время года, приводит к тому, что паропровод испытывает малоцикловое нагружение. Перепады давления могут приводить к развитию усталостных трещин от дефектов в сварных швах, поэтому необходимо применение методов неразрушающего контроля, что особенно актуально для паропроводов, отработавших расчетный срок.

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции:

методы контроля качества и состояния теплоизоляционных материалов, дефектоскопия.

Вопросы для самоконтроля

1 Какие существуют методы контроля качества и состояния металлов?

2 Какие существуют методы контроля качества и состояния теплоизоляционных материалов?

3 Что понимают под дефектоскопией?

4 Какие существуют методы неразрушающего контроля?

Рекомендуемая литература

Краткий справочник по теплотехническим измерениям. -  М.: Энергоатомиздат,1990. – 320 с.

Теплотехнические измерения  и приборы. – М.: Энергия, 1978. – 704 с. 

Тепло – и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общей ред. и . – М.: издательство МЭИ, 2007. – 564 с.

Электронная энциклопедия энергетики.

Модуль 3. Основы планирования эксперимента

Лекция 11

(1 час; 13 неделя)

Тема. Основы теории планирования эксперимента

Вопросы

1 Основные понятия теории планирования эксперимента. Критерии оптимальности планов регрессионного анализа.

2 Планы I порядка. Однофакторный эксперимент, полный факторный эксперимент, дробный факторный эксперимент.

3 Генерирующее соотношение. Выяснение системы смешивания.

4 Планы II порядка.

5 Оценивание параметров нелинейных регрессионных моделей.

6 Задача оптимизации в экстремальных экспериментах. Методы одномерного поиска. Многомерный поиск. Принципиальные отличия от задач одномерного поиска.

7 Градиентные методы поиска. Неградиентные методы. Поиск экстремума при наличии ограничений. 

Планирование эксперимента – это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью.

Планирование эксперимента обеспечивает оптимальное исследование разнообразных объектов в смысле:

- минимизации числа опытов и, следовательно, времени и затрат;

- реализации специальных планов эксперимента, предусматривающих одновременное варьирование всеми переменными;

- использования аппарата математической статистики, позволяющего формализовать многие действия экспериментатора и принимать обоснованные решение после каждой серии экспериментов.

Целью полного и дробного факторного эксперимента является получение линейной и неполной квадратичной статической модели исследуемого объекта  (уравнения регрессии).

Дробным факторным экспериментом (ДФЭ) называется эксперимент, реализующий часть (дробную реплику) ПФЭ. ДФЭ позволяет получить линейное приближение искомой функциональной зависимости в некоторой небольшой окрестности точки базового режима при минимуме опытов.